CN107907597A - 一种贯入式超声波土体含水率测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种贯入式超声波土体含水率测试装置及方法，包括套装在一起的内套管和外套管，内套管和外套管的一端平齐，在该端连接锥形钢制体；内套管和外套管的另一端外套管相对于内套管向外延伸，且外套管向外延伸部分其内安装液压升降装置；在内套管和外套管的重合部分的管壁上沿圆周方向各设有多个槽形缺口，且在内套管内设有与其轴线平行的轨道，所述的液压升降装置驱动一个探测装置沿着所述的轨道移动；探测装置包括一个安装座，安装座的外圆周方向上设置有与内外套管壁上的槽型缺口数量相等的超声波探头；安装座径向面的中心位置设有一个激光测距探头；激光探测头和超声探测头与数据处理中心相连。

Description

一种贯入式超声波土体含水率测试装置及方法

技术领域

本发明主要涉及一种贯入式超声波土体含水率测试装置及方法，该装置运用超声波原理，可实地实时监测岩土体中含水率的变化，可广泛应用至隧道施工等地下工程领域中。

背景技术

土体中含水率的测定在隧道施工、基坑支护等工程领域是非常重要的一项工作。目前，含水率的测定绝大部分依赖于室内试验，例如烘干称重法。除此之外存在射线法、时域反射等方式，但是射线法对于操作人员及周围环境有危害，故而适用范围过小，时域反射法误差较大，局限性较大，故而也不常使用。本发明利用超声波回波速度与时间差，实验室获取相关函数模型，从而利用数据处理中心实地获取土体的含水率，装置简单，易于操作，可广泛使用于基坑支护、地下工程等领域。

发明内容

本发明旨在发明一种实地并且实时监测土体含水率的装置，能够避免人为、环境等扰动因素带来的影响，且数据准确，测量方法简便易操做。

本发明采用的技术方案如下：

一种贯入式超声波土体含水率测试装置，该装置包括套装在一起的内套管和外套管，所述内套管和外套管的一端平齐，在该端连接锥形钢制体；内套管和外套管的另一端外套管相对于内套管向外延伸，且外套管向外延伸部分其内安装液压升降装置；在所述的内套管和外套管的重合部分的管壁上沿圆周方向各设有多个槽形缺口，且在所述的内套管内设有与其轴线平行的轨道，所述的液压升降装置驱动一个探测装置沿着所述的轨道移动；所述的探测装置包括一个安装座，所述的安装座的外圆周方向上设置有与内外套管壁上的槽型缺口数量相等的超声波探头；安装座径向面的中心位置设有一个激光测距探头；所述的激光探测头和超声探测头与数据处理中心相连；当到达测量位置时，旋转内外套管壁，使得每个超声波探头分别与相应的槽形缺口对应，通过回波的相对值，从而获得不同含水率土壤回波相对值与含水率的关系。

进一步的，所述的槽形缺口为一个类似于矩形的缺口，该缺口不贯穿外套管壁和内套管壁。

进一步的，所述的槽形缺口沿着内套管或者外套管的圆周方向均匀设置；超声波探头也沿着安装座的圆周方向均匀设置。

进一步的，在所述的锥形钢制体内设有一个弹簧，所述弹簧的一端连接在锥形钢制体的头部，另一端连接一个减震板，所述的减震板安装在外套管和内套管的端部。

进一步的，所述的导轨包括三个，三个导轨由液压升降装置的三角形壳体的三个角向外沿伸而成，且位于内套管内导轨部分由橡胶圈支撑。

所述的安装座上设有三个升降凸形条，所述的三个升降凸形条沿着所述的三个导轨滑动，且在所述的升降凸形条上设有滚珠，用于减少摩擦力。

进一步的，超声波探头与激光测距探头均为可伸缩探头。

进一步的，所述内、外套管壁上各有3个呈120°夹角的槽形缺口。

进一步的，所述激光测距探头，直接与数据处理中心相连，在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离数据通过数据线与数据处理中心相连，并将其显示在距离显示器上；所述的距离显示器的位置位于升降装置处，便于随时观察探测深度。

进一步的，与所述的超声波探头相连的数据处理装置包括单片机、脉冲信号发生器、功率放大器、微弱信号放大器、滤波器、电源、零比较器、超声波探头、存储器模块、稳压器、显示屏和AD转换器；单片机连接脉冲信号发生器控制超声波发射，脉冲信号发生器连接功率放大器，功率放大器连接超声波探头，所述超声波探头连接微弱信号放大器，微弱信号放大器连接滤波器；所述滤波器的输出端连接比较器和AD转换器；所述零比较器和AD转换器分别与单片机的定时器中断输入端和串行数据输入端连接；所述单片机分别与存储器模块和显示屏相连。

一种利用上述装置进行具体操作的方法，具体实施方式为:

(1)在测量前获得地质资料，并了解该施工区域内的土体；实验室测得该土体的颗粒级配曲线，并在该土体区域内的土颗粒粒径不小于超声波波长的情况下进行实验；

(2)实验室获得不同含水率试样下超声波回波速度、时间差和含水率之间的关系，建立函数模型，从而在实际工程中及时通过回波速度、时间差准确地获取当前施工阶段下土体中含水率的大小；

(3)在所需测量的土体中钻孔，孔径略大于装置外壁直径，实验时将内、外套管组装，钢制锥形体通过螺纹与外套管壁相连；到达指定位置时将内、外套管壁向相反方向转动，从而使得内、外套管壁三个呈120°夹角的槽形缺口重合，最终与三个超声波探头相应，为超声波的发射和反射提供通道；

(4)液压升降装置待上述装置组装完成后放入外套管之中，液压升降装置在贯入以及测量的过程中保持稳定，位于液压升降装置的三个顶端的液压轨道表面光滑，在数据测量前在其表面涂抹润滑油，以保证数据测量过程中的平稳性，在测量的过程中，通过伸缩液压杆达到控制探测装置的目的；

(5)在推进过程中打开激光测距仪器，可实时在距离显示器上读取检测探头所在位置，当到达指定检测位置时，关闭液压升降装置，打开可伸缩超声波探头，待位于三个方向上的探头均打开时，打开数据处理中心，发射超声波；

(6)实时监测回波的速度以及时间差，并根据实验室先前拟合的函数模型，通过回波速度以及时间差利用单片机估算含水率，并取其三个方向上的含水率的平均值将其显示于显示屏上。

本发明装置的原理在于：

利用超声波在不同介质中的传播速度的不同，因而在不同含水率土体中，超声波回波的速度会有所不同，含水率较低时，土体颗粒间距较大，孔隙较大，土体的总体积变大，总体积增大，密度变小，单位体积内的孔隙度也会变大，由于水的波阻抗远大于空气，空气与水的反射系数均很大，超声波在其表面几乎全反射，那么可利用回波值以及时间差，建立与土体含水率的函数模型，从而在实地测量时获得相关含水率值，所述探测装置利用升降装置到达某一预测位置时，打开探测头开关开始测量，3个相互夹角呈120°的超声波探测头通过预设槽口向土体中发射超声波，通过回波的相对值，从而获得不同含水率土壤回波相对值与含水率的关系。再通过拟合获得相应曲线，当二次测量时直接利用拟合曲线函数得出不同回波情况下的含水率值。

本发明装置相比于其他装置而言，具有明显的优点：

1.对周围土体的扰动小，装置简单，可重复性，操作简便。

2.利用超声波技术，通过拟合曲线，定量检测，从而避免更多人为和环境的干扰。

3.本发明利用超声波在不同介质中的传播速度的不同，从而在不同含水率土体中，超声波回波的速度会有所不同，利用回波速度以及时间差拟合函数模型，以求得任意时刻同一位置上的多个不同方向上的含水率，并求其平均值，使得实验数据更加准确，本装置安装方便且便于测量，可广泛应用于地下工程。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

附图1为贯入式超声波含水率探测仪的内部结构示意图。

附图2为圆形内壁示意图。

附图3为液压升降装置示意图。

附图4为贯入式超声波含水率探测装置数据处理中心示意图。

附图5为探测装置探头部分示意图。

附图6为圆形外壁示意图。

其中，1-1为数据线轮、1-2为螺栓孔、1-3为数据线、1-4为滚珠、1-5为橡胶塞、1-6为弹簧、1-7为橡胶圈、1-8为弹簧减振装置、1-9为数据处理中心、1-10为显示器；

2-1为橡胶固定环、2-2为槽形缺口、2-3为钢制锥形体、2-4为圆形内壁；

3-1为凹槽形升降轨道、3-2为液压升降杆、3-3为定位槽、3-4为定位螺丝、3-5为距离显示器、3-6为数据线孔、3-7为液压升降装置；

4-1为滤波器、4-2为AD转换器、4-3为显示器、4-4为存储器模块、4-5为单片机、4-6为稳压器、4-7为脉冲信号调节器、4-8为时间调节器、4-9为开关、4-10为功率放大器、4-11为超声波换能器、4-12脉冲信号发射器、4-13为微小功率放大器、4-14为零比较器；

5-1为激光测距探头、5-2为超声波探头、5-3为超声波探测装置、5-4为升降凸形条；

6-1为外套管壁、6-2为槽形缺口。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，目前，含水率的测定绝大部分依赖于室内试验，例如烘干称重法。除此之外存在射线法、时域反射等方式，但是射线法对于操作人员及周围环境有危害，故而适用范围过小，时域反射法误差较大，局限性较大，故而也不常使用。本发明利用超声波回波速度与时间差，实验室获取相关函数模型，从而利用数据处理中心实地获取土体的含水率，装置简单，易于操作，可广泛使用于基坑支护、地下工程等领域，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种贯入式超声波土体含水率测试装置及方法；该装置中顶部锥形钢制体与内套管壁本身螺纹连接，贯入式圆形内、外套管壁上各有3个呈120°夹角的槽形缺口，且交错分布，槽形缺口除上下部分各留有一定距离的完整管壁外，其余部分贯穿圆形管壁以提供声波发射至土壤中的通道，当到达测量位置时，旋转内外套管壁，使内外套管壁槽形缺口重合，利用超声波在不同介质中的传播速度的不同，从而在不同含水率土体中，超声波回波的速度会有所不同，利用回波速度以及时间差拟合函数模型，以求得任意时刻同一位置上的3个不同方向上的含水率，并求其平均值，使得实验数据更加准确，本装置安装方便且便于测量，可广泛应用于地下工程。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1、2、3、4、5、6所示，该装置主要包括圆形内套管壁2-4、外套管壁6-1，两者间有重合螺孔1-2，两者通过螺丝紧固，钢制锥形体2-3顶部须保证在贯入过程中不被损坏，超声波探测头5-3，激光测距装置5-1；升降装置包括橡胶定位装置2-1，滚珠型轨道3-1，弹簧减震装置1-8；锥形钢制体与外套管壁本身螺纹连接，贯入式圆形内、外套管壁上各分布有向3个呈120°夹角的槽形缺口2-2(6-2)，且交错分布，槽形缺口除上下部分各留有一定距离的完整管壁外，其余部分贯穿圆形管壁以提供声波发射至土壤中的通道，当到达测量位置时，旋转内外套管壁，使得3个呈120°夹角的槽形缺口分别与相应的超声波探头对应，以求得同一位置上的3个不同方向的含水率，并求其平均值。

超声波探测头5-2与激光测距装置5-1均为可伸缩探头，关闭时回缩至装置5-3内，从而避免损害。

该探测装置设有激光测距探头5-1，钢制锥形体内设置弹簧1-6，上部为橡胶垫圈1-7，在减震的同时反射光源测量探测深度。

探测装置5-3在升降轨道3-1上可自由滑行，便于测量任意位置处土体的含水量。

探测头内部设有激光测距装置5-1，在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离数据通过数据线与数据处理中心1-9相连，并将其显示在显示器1-10上。

距离显示器3-5的位置位于升降装置处；升降装置采用液压插销式升降系统。

升降装置上有凹槽3-1与探测头上装置上的凸条5-4相吻合便于定位，凸条上分布有滚珠1-4。

液压升降杆3-2与探测装置5-3相连，两者通过焊接连接。

探测装置主要包括单片机4-5、脉冲信号发生器4-12、功率放大器4-10、微弱信号放大器4-13、滤波器4-1、电源开关4-9、零比较器4-14、超声波换能器4-11、存储器模块4-4、稳压器4-6、显示屏4-2和AD转换器4-2；单片机连接脉冲信号发生器4-12控制超声波发射，脉冲信号发生器连接功率放大器4-10，功率放大器连接超声波换能器4-11，所述超声波换能器连接微弱信号放大器4-13，微弱信号放大器连接滤波器4-1；所述滤波器的输出端连接零4-14比较器和AD转换器；所述过零比较器和AD转换器分别与单片机的定时器中断输入端和串行数据输入端连接；所述单片机分别与存储器模块4-4和显示屏相连4-3。

脉冲信号发生器产生的脉冲信号的参数可通过调节器4-7调节，尤其是重复频率的变化范围较宽，输出阻抗必须能与测试用同轴电缆的特性阻抗相匹配，输出电平能与被测试电路所用器件的逻辑电平相适应，能满足测试的要求。

单片机在集成度高、速度快、可靠性高、体积等特点。应用于超声波的发射，采集超声波回波信息，计算两者时间差；优选地，所述滤波器选用插入损耗小、耐功率性好、带宽窄的介质滤波器；AD转换器将超声波回波的实时电压值存储；超声波换能器采用灵敏性高且收发一体化的超声波探头；微弱信号放大器包括交流信号隔离放大器、场效应管和高频脉冲变压器且依次连接；所述零比较器用于在接收到超声波回波的第一时间出发计时器，从而由单片机计算时间差；所述稳压器用于稳定电路电压及电流。

利用上述装置的操作方法，具体实施方式为:

(1)在测量前获得地质资料，并了解该施工区域内的土体。实验室测得该土体的颗粒级配曲线，并在该土体区域内的土颗粒粒径不小于超声波波长的情况下进行实验。

(2)实验室获得不同含水率试样下超声波回波速度、时间差和含水率之间的关系，建立函数模型，从而在实际工程中及时通过回波速度、时间差准确地获取当前施工阶段下土体中含水率的大小。

(3)具体操作时，在所需测量的土体中钻孔，孔径略大于装置外壁直径，实验时将内外壁组装，钢制锥形体通过螺纹与外套管壁相连，内外套管壁通过螺丝固定，同时内外壁在管壁的两端通过橡胶塞固定，内、外壁上各有3个呈120°夹角的槽形缺口，且内、外壁组装时夹角呈30°，到达指定位置时将内、外壁向相反方向转动，从而使得内、外壁三个呈120°夹角的槽形缺口重合，最终与三个超声波探头相应，为超声波的发射和反射提供通道。

(4)液压升降装置待上述装置组装完成后放入管壁之中，三角形的液压装置将会在贯入以及测量的过程中保持稳定，位于三脚形液压装置的三个顶端的液压凹槽轨道表面光滑，在数据测量前在其表面涂抹润滑油，以保证数据测量过程中的平稳性，在测量的过程中，通过伸缩液压杆达到控制探头位置的目的。

(5)在推进过程中打开激光测距仪器，可实时在距离显示器上读取检测探头所在位置，当到达指定检测位置时，关闭液压升降装置，打开可伸缩超声波探头，类似数码相机镜头，待位于三个方向上的探头均打开时，打开数据处理中心，发射超声波。

(6)实时监测回波的速度以及时间差，并根据实验室先前拟合的函数模型，通过回波速度以及时间差利用单片机估算含水率，并取其三个方向上的含水率的平均值将其显示于显示屏上。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，该装置包括套装在一起的内套管和外套管，所述内套管和外套管的一端平齐，在该端连接锥形钢制体；内套管和外套管的另一端外套管相对于内套管向外延伸，且外套管向外延伸部分其内安装液压升降装置；在所述的内套管和外套管的重合部分的管壁上沿圆周方向各设有多个槽形缺口，且在所述的内套管内设有与其轴线平行的轨道，所述的液压升降装置驱动一个探测装置沿着所述的轨道移动；所述的探测装置包括一个安装座，所述的安装座的外圆周方向上设置有与内外套管壁上的槽型缺口数量相等的超声波探头；安装座径向面的中心位置设有一个激光测距探头；所述的激光探测头和超声探测头与数据处理中心相连；当到达测量位置时，旋转内外套管壁，使得每个超声波探头分别与相应的槽形缺口对应，通过回波的相对值，从而获得不同含水率土壤回波相对值与含水率的关系。

2.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，所述的槽形缺口为一个类似于矩形的缺口，该缺口不贯穿外套管壁和内套管壁。

3.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，所述的槽形缺口沿着内套管或者外套管的圆周方向均匀设置；超声波探头也沿着安装座的圆周方向均匀设置。

4.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，在所述的锥形钢制体内设有一个弹簧，所述弹簧的一端连接在锥形钢制体的头部，另一端连接一个减震板，所述的减震板安装在外套管和内套管的端部。

5.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，所述的导轨包括三个，三个导轨由液压升降装置的三角形壳体的三个角向外沿伸而成，且位于内套管内导轨部分由橡胶圈支撑。

6.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，所述的安装座上设有三个升降凸形条，所述的三个升降凸形条沿着所述的三个导轨滑动，且在所述的升降凸形条上设有滚珠，用于减少摩擦力。

7.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，超声波探头与激光测距探头均为可伸缩探头。

8.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，所述内、外套管壁上各有3个呈120°夹角的槽形缺口。

9.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，与所述的超声波探头相连的数据处理装置包括单片机、脉冲信号发生器、功率放大器、微弱信号放大器、滤波器、电源、零比较器、超声波探头、存储器模块、稳压器、显示屏和AD转换器；单片机连接脉冲信号发生器控制超声波发射，脉冲信号发生器连接功率放大器，功率放大器连接超声波探头，所述超声波探头连接微弱信号放大器，微弱信号放大器连接滤波器；所述滤波器的输出端连接比较器和AD转换器；所述零比较器和AD转换器分别与单片机的定时器中断输入端和串行数据输入端连接；所述单片机分别与存储器模块和显示屏相连。

10.一种利用权利要求1-9任一所述的贯入式超声波土体含水率测试装置进行具体操作的方法，其特征在于，

(1)在测量前获得地质资料，并了解该施工区域内的土体；实验室测得该土体的颗粒级配曲线，并在该土体区域内的土颗粒粒径不小于超声波波长的情况下进行实验；

(2)实验室获得不同含水率试样下超声波回波速度、时间差和含水率之间的关系，建立函数模型，从而在实际工程中及时通过回波速度、时间差准确地获取当前施工阶段下土体中含水率的大小；

(3)在所需测量的土体中钻孔，孔径略大于装置外壁直径，实验时将内、外套管组装，钢制锥形体通过螺纹与外套管壁相连；到达指定位置时将内、外套管壁向相反方向转动，从而使得内、外套管壁三个呈120°夹角的槽形缺口重合，最终与三个超声波探头相应，为超声波的发射和反射提供通道；

(4)液压升降装置待上述装置组装完成后放入外套管之中，液压升降装置在贯入以及测量的过程中保持稳定，位于液压升降装置的三个顶端的液压轨道表面光滑，在数据测量前在其表面涂抹润滑油，以保证数据测量过程中的平稳性，在测量的过程中，通过伸缩液压杆达到控制探测装置的目的；

(5)在推进过程中打开激光测距仪器，可实时在距离显示器上读取检测探头所在位置，当到达指定检测位置时，关闭液压升降装置，打开可伸缩超声波探头，待位于三个方向上的探头均打开时，打开数据处理中心，发射超声波；

(6)实时监测回波的速度以及时间差，并根据实验室先前拟合的函数模型，通过回波速度以及时间差利用单片机估算含水率，并取其三个方向上的含水率的平均值将其显示于显示屏上。