CN108279211A - 一种测量土体含水率的准分布式系统、传感装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测量土体含水率的准分布式系统、传感装置和方法，其中测量土体含水率的准分布式系统，包括传感装置、光纤光栅解调设备和计算机；传感装置包括光纤光栅和亲水橡胶，光纤光栅和亲水橡胶紧密封装在一起；传感装置中的光纤光栅通过光纤引至光纤光栅解调设备；光纤光栅解调设备与计算机连接。本发明的准分布式系统和方法利用FBG复用技术可以在一条光纤上串联多个含水率传感装置，将传感装置埋设在土体中，实现对一定区域和深度范围土体含水率的准分布式、实时监测，为各类土体的工程性质研究和应用提供含水率的分布特征及其变化的有效信息。传感装置通过测量光纤形变得到原位土体的含水率，减少了取样、运输造成的测量误差。
Description
技术领域
本发明属于土体工程性质测试技术领域，具体是一种测量土体含水率的准分布式系统、传感装置和方法。
背景技术
土体含水率对土体强度、变形和渗透等特性有着重要的影响，而且土体含水率具有很强的时空变异性，是土体工程性质研究中的主要指标之一。目前，测量土体含水率常见的方法有烘干法、电阻法、时域反射法、探地雷达法、频域反射法、红外感测法、遥感影像法和光谱分析法等。上述方法通常适用于室内试验，如烘干法、点式测量如电阻法、时域反射法、探地雷达法、频域反射法；又或只是对一个地区土体表面含水状况作大概的估计，难以对深部土体的含水率进行精确测量，如红外感测法、遥感影像法和光谱分析法。因此，研发一种（准）分布式、易安装到土体深部、性价比高的土体含水率测量方法显得至关重要，对于农业生产和工程建设都具有重要意义。
亲水橡胶是一种具有吸水膨胀、失水收缩和双重止水特性的新型功能高分子材料，广泛用作土木建筑的止水材料、密封材料和填料等。亲水橡胶的高弹性和较好的机械强度，使得亲水橡胶在吸水后体积可膨胀几倍至几百倍。
光纤布拉格光栅（FBG）是一种准分布式光纤传感器，当其受到拉伸或者压缩后，FBG的中心波长将发生漂移，且波长的漂移量与光纤的拉、压应变呈线性关系。FBG光纤传感技术具有抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、重量轻、本质安全等优势，利用复用技术可实现准分布式测试，易于形成准分布式测量系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种测量土体含水率的准分布式系统、传感装置和方法，该准分布式系统和测量方法能够对一定区域和深度范围土体含水率进行准分布式、实时监测，为各类土体的工程性质研究和应用提供含水率的分布特征及其变化的有效信息。该传感装置通过测量光纤形变得到原位土体的含水率，测试方法简单，减少了取样、运输造成的测量误差，解决了原位、实时准确测量土体含水率的难题。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种测量土体含水率的准分布式系统，包括传感装置（FBG-亲水橡胶封装结构）、光纤光栅解调设备和计算机；传感装置包括光纤光栅和亲水橡胶，光纤光栅和亲水橡胶紧密封装在一起；传感装置中的光纤光栅延伸至光纤光栅解调设备；光纤光栅解调设备与计算机连接。
通过实验标定得到传感器光纤光栅的中心波长与土体含水率的关系时，采用实验标定系统，实验标定系统包括恒温箱、表面皿和称重装置，表面皿和称重装置置于恒温箱中。
进一步的，光纤光栅位于亲水橡胶中或者光纤光栅缠绕于亲水橡胶表面。
进一步的，亲水橡胶呈条状，光纤光栅置于两块条状亲水橡胶中间，通过胶黏紧密封装在一起；亲水橡胶周围采用刚性多孔材料包裹，约束亲水橡胶的侧向位移，小孔是有利于亲水橡胶与外界环境的水分交换。
另一种改进，传感装置还包括圆柱状模型，亲水橡胶紧密固定在圆柱状模型侧面，光纤光栅缠绕在亲水橡胶上。圆柱为刚性材料，亲水橡胶吸水后，以圆柱为中心向四周膨胀。
进一步的，传感装置包括温度传感器，温度传感器用于补偿光纤光栅由于温度变化引起的中心波长漂移量。
一种使用上述准分布式系统测量土体含水率的方法，包括以下步骤：
1）通过实验室标定，得到传感器光纤光栅的中心波长与土体含水率的关系。具体是将传感装置埋置一定质量的土样中，密封静置一段时间使亲水橡胶与土样的水分达到平衡，即FBG的中心波长不发生变化；开封后，将土样和传感器放置在恒温箱中的称重装置上，使土样烘干失水，按一定时间间隔测量在失水过程中光纤光栅的中心波长，同时根据称重装置的读数得到试样土水分的蒸发量，进而计算试样土的含水率，得到土体含水率与光纤光栅的中心波长的关系。典型地，土体含水率与光纤光栅中心波长的关系为：
y=0.19x+1540 x≥50% （1）
y=0.08x+1540 x≤50% （2）
式中，x表示土体含水率，y表示中心波长；
2）利用钻孔或开挖沟槽，将传感装置埋置于土体中，钻孔和沟槽采用原位土回填；
3）将各个植入待测土体中的传感装置通过串联连接至光纤光栅解调设备，形成土体含水率准分布式测量系统；
4）当亲水橡胶与土体的水分交换达到平衡时，即经过温度补偿后，FBG的中心波长不再变化时，读取经温度补偿的FBG中心波长，根据步骤1）中得到的土体含水率与光纤光栅的中心波长的关系，计算出待测土体的含水率。
一种用于测量土体含水率的传感装置，包括光纤光栅和亲水橡胶，光纤光栅和亲水橡胶紧密封装在一起。
进一步的，所述光纤光栅位于亲水橡胶中或者光纤光栅缠绕于亲水橡胶表面。
进一步的，所述亲水橡胶呈条状，光纤光栅置于两块条状亲水橡胶中间，通过胶黏紧密封装在一起；亲水橡胶周围采用刚性多孔材料固定住，小孔是有利于亲水橡胶与外界环境的水分交换。使亲水橡胶只能朝光纤延长的方向膨胀收缩。
另一种改进，所述用于测量土体含水率的传感装置还包括圆柱状模型，亲水橡胶紧密固定在圆柱状模型侧面，光纤光栅缠绕在亲水橡胶上。亲水橡胶以圆柱为中心向四周膨胀。
本发明的一种测量土体含水率的准分布式系统、传感装置和方法，技术原理为：基于FBG-亲水橡胶胶黏封装结构，亲水橡胶吸水膨胀、失水收缩导致的光纤拉伸和压缩形变，利用标定曲线通过测量中心波长得到土体的含水率。当将FBG-亲水橡胶胶黏封装结构植入土体中，土体与膨胀橡胶会发生水分交换直至平衡，水分交换导致的橡胶形变会引起光纤的形变。利用解调仪设备进行解调得到相应的中心波长，根据标定的中心波长和土体含水率公式，得到出土体含水率。
本发明的一种测量土体含水率的准分布式系统、传感装置和方法，基于FBG光纤传感技术将亲水橡胶与光纤光栅封装在一起，利用FBG光纤传感技术，精确测量由于亲水橡胶吸水膨胀、失水收缩导致的光纤拉伸和压缩形变，当橡胶与土体含水率达到动态平衡时，可以通过测量光纤形变得到原位土体的含水率，测试方法简单，减少了取样、运输造成的测量误差，解决了原位、实时准确测量土体含水率的难题。此外，利用FBG复用技术可以在一条光纤上串联多个含水率传感装置，通过在地表开挖沟槽或者钻孔将传感装置埋设在土体中，实现对一定区域和深度范围土体含水率的准分布式、实时监测，为各类土体的工程性质研究和应用提供含水率的分布特征及其变化的有效信息。
附图说明
图1是本发明传感装置基本结构示意图；
图2是本发明传感装置一个实施例的结构示意图；
图3是本发明传感装置另一个实施例中柱状模型示意图；
图4是本发明本发明传感装置另一个实施例的结构示意图；
图5是本发明测量土体含水率的准分布式系统图；
图6是室内标定试验测量装置系统图；
图7是本发明测量方法一个实施例中室内实验标定光纤光栅的中心波长与土体含水率的曲线关系曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明提出的一种测量土体含水率的准分布式系统、传感装置和方法进行详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”、“底部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图5所示，一种测量土体含水率的准分布式系统，包括传感装置1 （FBG-亲水橡胶封装结构）、光纤光栅解调设备3和计算机2。传感装置1包括光纤光栅13和亲水橡胶12，光纤光栅13和亲水橡胶12紧密封装在一起。传感装置1中的光纤光栅13通过光纤引至光纤光栅解调设备3；光纤光栅解调设备3与计算机2连接。传感装置1包括中含有温度传感器，用于补偿光纤光栅由于温度变化引起的中心波长漂移量
如图6所示，为了室内标定试验，使用一个标定系统，标定系统包括恒温箱4、表面皿6和称重装置5。表面皿6和称重装置5置于恒温箱4中。本实施例中称重装置5选用天平。
如图1至4所示，第一种传感装置，亲水橡胶12呈条状，但不限于条形，也可加工成圆柱形、圆环形等其他形状。将光纤光栅13放置于两块条状亲水橡胶12的中间，通过胶黏紧密封装在一起。亲水橡胶12的四周用刚性多孔材料11固定住，小孔是有利于亲水橡胶与外界环境的水分交换。使亲水橡胶只能朝光纤延长的方向膨胀收缩。本实施中，将亲水橡胶加工成条形，长2.5cm，宽0.5cm，厚0.25cm，其体积膨胀率为250%。将光纤光栅放置于两片亲水橡胶的中间，通过胶黏封装使两片亲水橡胶与光纤光栅固定在一起。要求光纤与橡胶紧密胶黏，所选光纤种类为SMF-28，包层直径为125.0±0.7μm，涂层直径为245±5μm，不平均连续点损耗为≦0.35dB/km@1310nm和≦0.21dB/km@1550nm。
第二种方式为一个中心镂空的圆柱状模型4，将亲水橡胶12紧密固定在模型4上，光纤光栅13胶黏缠绕在该亲水橡胶12上。亲水橡胶以圆柱为中心向四周膨胀。
第一种条形橡胶—光纤光栅封装结构的优势在于体积小，封装结构简单。缺点是一个封装结构只能与一个光栅耦合。第二种圆柱形橡胶光纤封装结构的优势在于可以与多个光栅耦合，灵敏度更强，缺点在于封装结构复杂。
本发明要求光纤与橡胶紧密胶黏，即亲水橡胶吸水膨胀、失水收缩会导致的光纤拉伸和压缩形变。以条状橡胶为例，将光纤光栅放置于两个条状橡胶的中间，通过胶黏封装方法将条形橡胶与光纤光栅固定在一起，形成FBG-亲水橡胶封装结构。两个条状橡胶的规格和尺寸应一致，光纤光栅位于两个条形橡胶的中间，并与橡胶紧密胶黏。当亲水橡胶吸水膨胀、失水收缩时，会导致光纤光栅的拉伸和压缩形变。
一种使用上述准分布式系统测量土体含水率的方法，包括以下步骤：
将上述第一种传感装置进行实验室标定，即将FBG-亲水橡胶封装结构放入不同含水率的土体中，利用光纤光栅解调设备获取FBG的中心波长，得到FBG中心波长与土体含水率的关系曲线，具体来说，包括以下步骤：
1）将传感装置置于表面皿中含水率为70%的黏土试样中，密封放置一段时间直至亲水橡胶与黏土的水分交换达到平衡，FBG中心波长不再变化；
2）将表面皿放在40℃的恒温箱中的称重装置上，使试样土烘干失水；
3）间隔0.5h用光纤光栅解调设备测量在失水过程中光纤光栅的中心波长，同时根据称天平的读数得到黏土试样水分的蒸发量，进而计算黏土试样的含水率，如图7所示，得到的标定曲线呈分段线性关系，线性关系良好：
y=0.19x+1540 x≥50% （1）
y=0.08x+1540 x≤50% （2）
式中，x表示土体含水率，y表示中心波长。
实验室标定完成后，
4）将各个传感装置通过串联连接植入待测土体中，将土体含水率准分布式传感光缆与光纤光栅解调设备连接，光纤光栅解调设备与计算机连接，利用计算机控制光纤光栅解调设备进行数据采样和数据分析，形成土体含水率准分布式测量系统；利用钻孔或沟槽将土体含水率准分布式传感装置植入到土体中，通过原位土体回填，使土体含水率准分布式传感装置与原位土体接触，可以实现水分的充分交换。
5）测量各个传感装置中光纤光栅的中心波长，根据步骤3）中得到的土体含水率与光纤光栅的中心波长的关系，计算出待测土体的含水率。
基于对本发明优选实施方式的描述，应该清楚，由所附的权利要求书所限定的本发明并不仅仅局限于上面说明书中所阐述的特定细节，未脱离本发明宗旨或范围的对本发明的许多显而易见的改变同样可能达到本发明的目的。
Claims (10)
1.一种用于测量土体含水率的准分布式系统，其特征在于，包括传感装置、光纤光栅解调设备和计算机；传感装置包括光纤光栅和亲水橡胶，光纤光栅和亲水橡胶紧密封装在一起；传感装置中的光纤光栅通过光纤引至光纤光栅解调设备；光纤光栅解调设备与计算机连接。
2.根据权利要求2的测量土体含水率的准分布式系统，其特征在于，所述光纤光栅位于亲水橡胶中或者光纤光栅缠绕于亲水橡胶表面。
3.根据权利要求3的测量土体含水率的准分布式系统，其特征在于，所述亲水橡胶呈条状，光纤光栅置于两块条状亲水橡胶中间，通过胶黏紧密封装在一起；亲水橡胶周围采用刚性多孔材料包裹。
4.根据权利要求2的测量土体含水率的准分布式系统，其特征在于，所述传感装置还包括圆柱状模型，亲水橡胶紧密固定在圆柱状模型侧面，光纤光栅缠绕在亲水橡胶上。
5.根据权利要求1的测量土体含水率的准分布式系统，其特征在于，所述传感装置包括温度传感器，用于补偿光纤光栅由于温度变化引起的中心波长漂移量。
6.一种使用准分布式系统测量土体含水率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过实验室标定，得到传感器光纤光栅的中心波长与土体含水率的关系：将传感装置埋置在一定质量的土样中，密封静置一段时间使亲水橡胶与土样的水分达到平衡，即FBG的中心波长不发生变化；开封后，将土样和传感器放置在恒温箱中的称重装置上，使土样烘干失水，按一定时间间隔测量在失水过程中光纤光栅的中心波长，同时根据称重装置的读数得到试样土水分的蒸发量，进而计算试样土的含水率，得到土体含水率与光纤光栅的中心波长的关系：
y=0.19x+1540 x≥50% （1）
y=0.08x+1540 x≤50% （2）
式中，x表示土体含水率，y表示中心波长；
利用钻孔或开挖沟槽，将传感装置埋置于土体中，钻孔和沟槽采用原位土回填；
将各个植入待测土体中的传感装置通过串联连接至光纤光栅解调设备，形成土体含水率准分布式测量系统；
当亲水橡胶与土体的水分交换达到平衡时，即经过温度补偿后，FBG的中心波长不再变化时，读取经温度补偿的FBG中心波长，根据步骤1）中得到的土体含水率与光纤光栅的中心波长的关系，计算出待测土体的含水率。
7.一种用于测量土体含水率的传感装置，其特征在于，包括光纤光栅和亲水橡胶，光纤光栅和亲水橡胶紧密封装在一起。
8.根据权利要求7的用于测量土体含水率的传感装置，其特征在于，所述光纤光栅位于亲水橡胶中或者光纤光栅缠绕于亲水橡胶表面。
9.根据权利要求8的用于测量土体含水率的传感装置，其特征在于，所述亲水橡胶呈条状，光纤光栅置于两块条状亲水橡胶中间，通过胶黏紧密封装在一起；亲水橡胶周围采用刚性多孔材料固定住。
10.根据权利要求8的用于测量土体含水率的传感装置，其特征在于，还包括圆柱状模型，亲水橡胶紧密固定在圆柱状模型侧面，光纤光栅缠绕在亲水橡胶上。
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