CN109406398B - 一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置及方法，所述支撑杆固定于支架上，所述横梁固定于支撑杆上；所述电机设置于支撑杆上，所述激光测距仪、电磁吸盘和导向管依次设置于横梁上；所述测试球吸附于电磁吸盘上，镶嵌于导向管内，所述FBG探针埋设于待测土体区，出露端通过传输光纤连接至光纤解调分析一体仪。测定时，清场就位；在土体不同深度处埋设FBG探针；调节落高，输入测试球落高和FBG探针埋深；放球测试，获取FBG探针测得的、由土体震动引起的峰值应变，计算并显示待测土体的含水率，实现土体含水率的快速测定。具有操作简单、测试便捷、稳定性好，可对某一区域土体进行长期监测等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤感测、落球测试和土体含水率测定领域，具体涉及一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置及方法。
背景技术
准确、快速地测定土体含水率是农业生产、生态环境、地质工程等领域的一个重要课题。目前，土体含水率测量的方法主要有烘干法、电阻率法、中子仪法、γ射线法、时域反射法(TDR)等。其中，烘干法是最常用的土体含水率测定方法，其测值准确可靠，但深层土体取样耗时费力，且对土体有扰动。电阻率法等优点是成本较低，可准确地测出土体电阻率变化，但是影响电阻率的因素很多(如盐分变化)，因此含水率测试结果误差较大。中子仪法、γ射线法和TDR技术均能比较快速、准确地测定土体含水率，但是前两者有潜在的辐射危害，不能广泛应用，而TDR技术受到土的化学性质和环境影响比较大，不适宜盐碱土的测量。
由于上述常用方法在准确性、安全性、稳定性等方面有一定局限性，急需开发更加先进的含水率原位测定方法。光纤传感技术在近年来得到了飞速的发展。光纤传感器具有灵敏度高、稳定性好、耐腐蚀、抗电磁波干扰、分布式等优点，已广泛应用于地质、岩土和水利工程等多个领域，为含水率的原位测定提供了一种新的手段。
目前，基于分布式温度光纤感测技术(distributed temperature sensing,DTS)测量含水率的方法已经发展比较成熟。该方法优势是可以实现大范围、长距离的分布式监测。Weiss等(2003)提出了主动加热光缆法(active heated fiber optics method,AHFO)，利用在升温过程中温度与含水率的关系进行含水率的测定。Steele-Dunne等(2010)提出了利用被动分布式温度光纤感测技术(passive distributed temperature sensing)测量含水率的方法。最近，南京大学曹鼎峰等(2014、2016、2018)和严珺凡等(2015)对前人的方法进行了改进，提出用基于碳纤维加热光缆的主动分布式光纤温度传感技术(A-DTS)测定土体含水率。DTS测量含水率的不足之处在于需要对光缆进行一段时间加热，因此不能在短时间内完成测量，难以做到实时监测。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置及方法，具有操作简单、测试便捷、稳定性好，可对某一区域土体进行长期监测等优点。
本发明采用了如下技术方案：一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置，包括支撑单元、控制单元以及测试与分析单元，其中：
所述支撑单元，包括支架、支撑杆和横梁；所述支撑杆固定于支架上，所述横梁固定于支撑杆上；
所述控制单元，包括电机、激光测距仪、电磁吸盘和导向管；所述步进电机设置于支撑杆上，所述激光测距仪、电磁吸盘和导向管依次设置于横梁上，导向管垂直于横梁，且和下方的FBG探针位置相对应；
所述测试与分析单元，包括测试球、FBG探针和光纤解调分析一体仪；所述测试球吸附于电磁吸盘上，镶嵌于导向管内，所述FBG探针埋设于待测土体区，出露端通过传输光纤连接至光纤解调分析一体仪。
所述支撑杆为螺纹杆，配合步进电机用来控制横梁的自动升降。
所述横梁上设置一开孔，开孔内固定导向管，且导向管的尺寸与所述测试球的大小相配适，以将测试球跌落至待测土体区表面。
所述FBG探针由FBG传感器和弹性方杆构成，其中弹性方杆上表面设有一道凹槽，FBG传感器封装于弹性方杆的凹槽内。
所述光纤解调分析一体仪包含控制面板和显示屏，其中控制面板控制步进电机的升降及电磁吸盘的开关，显示屏显示FBG探针监测得到的测试区土体应变时程曲线，，以及反算出的测试区土体含水率。
使用所述的基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置的方法，包括步骤如下：
1)清场就位：清整场地，仪器就位，将测试球对准待测土体区；
2)探针埋设：在待测土体的不同深度处埋设FBG探针，每层一根，确保FBG传感器位于测试球跌落的正下方；
3)调节落高：通过光纤解调分析一体仪上的控制面板调节横梁升降，并通过激光测距仪读取测试球的落高；
4)参数输入：通过控制面板手动输入测试球落高和FBG探针埋深；
5)放球测试：通过光纤解调分析一体仪上的控制面板关闭电磁吸盘，释放测试球跌落至待测土体区表面，通过FBG探针获取由待测土体震动引起的峰值应变，基于内置算法，计算并显示待测土体的含水率，从而实现土体含水率的快速测定。
所述步骤2)中FBG探针有若干个，埋设于不同深度处，所有FBG探针采用并联或串联的方式相互连接，通过传输光纤连接至光纤解调分析一体仪，形成准分布式的土体含水率监测网络。
所述步骤3)中必须保证激光测距仪与测试球距离待测土体表面的高度一致，此时激光测距仪的读数即反映测试球的落高。
所述步骤5)中的待测土体的含水率计算公式为通过室内标定试验获得，其中w为待测土体的含水率，h、d、εp分别为测试时的测试球落高、FBG探针埋深及待测土体的峰值应变，h0、d0、εp0、w0分别为标准状态下的测试球落高、FBG探针埋深、土体试样的峰值应变及含水率，A、B、C分别为待定系数，通过控制变量法由经验方程εp＝A(w-w0)+B(h-h0)+C(d-d0)+εp0拟合得出。
所述室内标定试验步骤如下：首先在待测土体区取出一部分土体，配置成不同含水率的土体试样，放置于敞口箱体；然后在箱内土样的不同深度处插入FBG探针，并确保FBG传感器位于测试球跌落的正下方；然后调节横梁升降，并通过激光测距仪读取测试球的落高；最后关闭电磁吸盘，释放测试球，通过FBG探针获取各个工况下、由待测土体震动引起的峰值应变，得出待测土体区的含水率计算公式，并自动保存于光纤解调分析一体仪。
有益效果：
1.采用步进电机配合螺纹支撑杆，可以实现横梁的自动升降；
2.通过设置一个与测试球等高的激光测距仪，可以精确测量测试球的落高；
3.通过在横梁上竖直设置一个与测试球相配适的导向管，可以避免测试球受到水平方向的扰动，使其竖直跌落到待测土体区表面；
4.采用多个FBG探针，埋设于土体不同深度，形成创面小，扰动少，稳定性好，可以实现对土体不同深度处含水率的长期原位监测；
5.区别于需要加热光缆的AHOF测定方法，本发明基于FBG感测技术，通过自主提出的算法，无需耗费时间加热光缆，可以实现原位土体含水率的快速测定，具有良好的市场推广和工程应用价值。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的FBG探针示意图。
图3为本发明实施例的光纤解调分析一体仪示意图。
图4为采用本发明实例的使用方法获得的土体应变时程曲线图。
图5为采用本发明实例的使用方法获得的εp与w，h，d线性拟合结果图。
其中：1.支架，2.支撑杆，3.横梁，4.步进电机，5.激光测距仪，6.电磁吸盘，7.导向管，8.测试球，9.FBG探针，10.光纤解调分析一体仪，11.FBG传感器，12.弹性方杆，13.控制面板，14.显示屏。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明做更具体的描述。
一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置，包括支撑单元、控制单元以及测试与分析单元，其中：
所述支撑单元，包括支架、支撑杆和横梁；所述支撑杆固定于支架上，所述横梁固定于支撑杆上；
所述控制单元，包括步进电机、激光测距仪、电磁吸盘和导向管；所述步进电机设置于支撑杆上，所述激光测距仪、电磁吸盘和导向管依次设置于横梁上；
所述测试与分析单元，包括测试球、FBG探针和光纤解调分析一体仪；所述测试球吸附于电磁吸盘上，镶嵌于导向管内，所述FBG探针埋设于待测土体区，出露端通过传输光纤连接至光纤解调分析一体仪。
作为优选，所述支撑杆为螺纹杆，配合步进电机用来控制横梁的自动升降。
作为优选，所述横梁上设置一开孔，开孔内固定导向管，且导向管的尺寸与所述测试球的大小相配适，以将测试球跌落至待测土体区表面。
作为优选，所述FBG探针由FBG传感器和弹性方杆构成，其中弹性方杆上表面刻有一道凹槽，FBG传感器封装于弹性方杆的凹槽内。
作为优选，所述光纤解调分析一体仪包含控制面板和显示屏，其中控制面板可以控制步进电机的升降及电磁吸盘的开关，显示屏可以显示FBG探针监测得到的测试区土体应变时程曲线，以及反算出的测试区土体含水率。
进一步地，用于所述的基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置的方法，包括步骤如下：
步骤一为清场就位：清整场地，仪器就位，将测试球对准待测土体区；
步骤二为探针埋设：在待测土体的不同深度处埋设FBG探针，每层一根，确保FBG传感器位于测试球跌落的正下方；
步骤三为调节落高：通过光纤解调分析一体仪上的控制面板调节横梁升降，并通过激光测距仪读取测试球的落高；
步骤四为参数输入：通过控制面板手动输入测试球落高和FBG探针埋深；
步骤五为放球测试：通过光纤解调分析一体仪上的控制面板关闭电磁吸盘，释放测试球跌落至待测土体区表面，通过FBG探针获取由待测土体震动引起的峰值应变，基于内置算法，计算并显示待测土体的含水率，从而实现土体含水率的快速测定。
作为优选，所述步骤2)中FBG探针有若干个，埋设于不同深度处，所有FBG探针采用并联或串联的方式相互连接，通过传输光纤连接至光纤解调分析一体仪，形成准分布式的土体含水率监测网络。测试时，球落到地面，通过土体的震动传导到不同埋深处的FBG探针。
作为优选，所述步骤3)中必须保证激光测距仪与测试球距离待测土体表面的高度一致，此时激光测距仪的读数方可反映测试球的落高。
作为优选，所述步骤5)中的含水率计算公式为通过室内标定试验获得，其中w为待测土体的含水率，h、d、εp分别为测试球落高、FBG探针埋深及待测土体的峰值应变，h0、d0、εp0、w0分别为标准状态下的测试球落高、FBG探针埋深、土体试样的峰值应变及含水率，A、B、C分别为待定系数，通过控制变量法由经验方程εp＝A(w-w0)+B(h-h0)+C(d-d0)+εp0拟合得出。
作为优选，所述室内标定试验步骤如下：首先在待测土体区取出一部分土体，配置成不同含水率的土体试样，放置于敞口箱体；然后在箱内土样的不同深度处插入FBG探针，并确保FBG传感器位于测试球跌落的正下方；然后调节横梁升降，并通过激光测距仪读取测试球的落高；最后关闭电磁吸盘，释放测试球，通过FBG探针获取各个工况下的、由待测土体震动引起的峰值应变，得出待测土体区的含水率计算公式，并自动保存于光纤解调分析一体仪。
实施例：
如图1所示，一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置，它包括支撑单元、控制单元以及测试与分析单元，其中，支撑单元包括支架1、支撑杆2和横梁3，控制单元包括步进电机4、激光测距仪5、电磁吸盘6和导向管7，测试与分析单元包括测试球8、FBG探针9和光纤解调分析一体仪10。
所述支撑杆2固定于支架1上，所述横梁3固定于支撑杆2上；所述步进电机4设置于支撑杆2上，所述激光测距仪5、电磁吸盘6和导向管7依次设置于横梁3上；所述测试球8吸附于电磁吸盘6上，镶嵌于导向管7内，所述FBG探针9埋设于待测土体区，出露端通过传输光纤连接至光纤解调分析一体仪10。
本实施例中，所述支撑杆2为螺纹杆，配合步进电机4用来控制横梁3的自动升降。所述横梁3上设置一开孔，开孔内固定导向管7，且导向管7的尺寸与所述测试球8的大小相配适，以将测试球8跌落至待测土体区表面。所述FBG探针9由FBG传感器11和弹性方杆12构成，其中弹性方杆12上表面刻有一道凹槽，FBG传感器11封装于弹性方杆12的凹槽内，如图2所示。
所述光纤解调分析一体仪10包含控制面板13和显示屏14，其中控制面板13可以控制步进电机4的升降及电磁吸盘6的开关，显示屏14可以显示FBG探针8监测得到的测试区土体应变时程曲线，以及反算出的测试区土体含水率，如图3所示。
本实施例提供的上述一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置的使用方法，包括步骤如下：
1)清场就位：清整场地，仪器就位，将测试球8对准待测土体区；
2)探针埋设：在待测土体的不同深度处埋设FBG探针9，每层一根，确保FBG传感器11位于测试球8跌落的正下方；
3)调节落高：通过光纤解调分析一体仪10上的控制面板13调节横梁3升降，并通过激光测距仪5读取测试球8的落高；
4)参数输入：通过控制面板13手动输入测试球8落高和FBG探针9埋深；
5)放球测试：通过光纤解调分析一体仪10上的控制面板13关闭电磁吸盘6，释放测试球8跌落至待测土体区表面，通过FBG探针9获取由待测土体震动引起的峰值应变，基于内置算法，计算并显示待测土体的含水率，从而实现土体含水率的快速测定。
本实施例中，所述步骤2)中FBG探针8有3根，埋设于3个深度处，所有FBG探针采用并联或串联的方式相互连接，通过传输光纤连接至光纤解调分析一体仪10，形成准分布式的土体含水率监测网络。所述步骤3)中必须保证激光测距仪5与测试球8距离待测土体表面的高度一致，此时激光测距仪5的读数方可反映测试球8的落高。
本实施例的基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置在具体使用时，室内标定试验步骤如下：首先取用待测区砂土，配制成三种不同含水率的土样(0％、5％和10％)，放置于敞口箱体(尺寸长×宽×高为50cm×25cm×50cm)，砂土地基总高度为35cm。测试球8选用实心钢球，直径4.5cm，质量0.36kg。然后分别将三根FBG探针9水平插入在距土样表面10cm、15cm和20cm深度处，并确保全部三根探针上的FBG传感器11均位于箱体的中心，正对钢球跌落正下方。然后调节横梁3升降，通过激光测距仪5读取钢球的落高，控制钢球的落高分为50cm、75cm和100cm。最后关闭电磁吸盘6，钢球顺着导向管滑出，跌落在砂土表面，FBG探针9受到冲击荷载引起的土体震动信号，显示屏14上显示测试区土体应变的时程曲线，如图4所示。
试验结束后，得到9组试验数据。为了方便描述，分别用符号w、h、d、εp表示土体含水率、测试球落高、FBG探针埋深及测得的峰值应变，定义标准状态为w0＝10％，h0＝100cm，d0＝10cm，此时εp0＝32με。基于内置算法，w与h、d、εp的关系为εp＝A(w-w0)+B(h-h0)+C(d-d0)+εp0，于是得出含水率计算公式为其中A、B、C为拟合常数。依照控制变量法的原则，输入9组w、h、d、εp之后，拟合得出εp与w、d、h关系如下：εp＝-1.061w+43.985，εp＝0.501h-20.053，εp＝-3.004d+58.593，由此可以得到：A＝-1.061，B＝0.501，C＝-3.004，如图5所示。
进一步地，可得待测土体区的含水率计算公式，即：w＝0.472(h-100)-2.83(d-10)-0.943(εp-32)+10(％)，并自动保存于光纤解调分析一体仪。此时转移装置到待测土体区，使钢球对准待测土体，预先设置并输入钢球落高及FBG探针埋深。关闭电测吸盘，释放钢球跌落至待测土体区表面，获取FBG探针测得的、由土体振动引起的峰值应变，基于保存的计算公式，显示屏14显示反算出的测试区土体含水率，从而实现土体含水率的快速测定。
需要说明的是，以上所述仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，并不用以限制本发明。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也落在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.使用基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置的方法，其特征在于，包括步骤如下：
1）清场就位：清整场地，仪器就位，将测试球对准待测土体区；
2）探针埋设：在待测土体的不同深度处埋设FBG探针，每层一根，确保FBG传感器位于测试球跌落的正下方；
3）调节落高：通过光纤解调分析一体仪上的控制面板调节横梁升降，并通过激光测距仪读取测试球的落高；
4）参数输入：通过控制面板手动输入测试球落高和FBG探针埋深；
5）放球测试：通过光纤解调分析一体仪上的控制面板关闭电磁吸盘，释放测试球跌落至待测土体区表面，通过FBG探针获取由待测土体震动引起的峰值应变，基于内置算法，计算并显示待测土体的含水率，从而实现土体含水率的快速测定；
所述的基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置，包括支撑单元、控制单元以及测试与分析单元，其中：
所述支撑单元，包括支架、支撑杆和横梁；所述支撑杆固定于支架上，所述横梁固定于支撑杆上；所述支撑杆为螺纹杆，配合步进电机用来控制横梁的自动升降；所述横梁上设置一开孔，开孔内固定导向管，且导向管的尺寸与所述测试球的大小相配适，以将测试球跌落至待测土体区表面；
所述控制单元，包括步进电机、激光测距仪、电磁吸盘和导向管；所述步进电机设置于支撑杆上，所述激光测距仪、电磁吸盘和导向管依次设置于横梁上，导向管垂直于横梁，且和下方的FBG探针位置相对应；所述FBG探针由FBG传感器和弹性方杆构成，其中弹性方杆上表面设有一道凹槽，FBG传感器封装于弹性方杆的凹槽内；
所述测试与分析单元，包括测试球、FBG探针和光纤解调分析一体仪；所述测试球吸附于电磁吸盘上，镶嵌于导向管内，所述FBG探针埋设于待测土体区，出露端通过传输光纤连接至光纤解调分析一体仪；所述光纤解调分析一体仪包含控制面板和显示屏，其中控制面板控制步进电机的升降及电磁吸盘的开关，显示屏显示FBG探针监测得到的测试区土体应变时程曲线，以及反算出的测试区土体含水率。
2.根据权利要求1所述的使用基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置的方法，其特征在于，所述步骤2）中FBG探针有若干个，埋设于不同深度处，所有FBG探针采用并联或串联的方式相互连接，通过传输光纤连接至光纤解调分析一体仪，形成准分布式的土体含水率监测网络。
3.根据权利要求1所述的使用基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置的方法，其特征在于，所述步骤3）中必须保证激光测距仪与测试球距离待测土体表面的高度一致，此时激光测距仪的读数即反映测试球的落高。
4.根据权利要求1所述的使用基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置的方法，其特征在于，所述步骤5）中的待测土体的含水率计算公式为，通过室内标定试验获得，其中/>为待测土体的含水率，/>分别为测试时的测试球落高、FBG探针埋深及待测土体的峰值应变，分别为标准状态下的测试球落高、FBG探针埋深、土体试样的峰值应变及含水率，/>分别为待定系数，通过控制变量法由经验方程拟合得出。
5.根据权利要求4所述的使用基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置的方法，其特征在于，所述室内标定试验步骤如下：首先在待测土体区取出一部分土体，配置成不同含水率的土体试样，放置于敞口箱体；然后在箱内土样的不同深度处插入FBG探针，并确保FBG传感器位于测试球跌落的正下方；然后调节横梁升降，并通过激光测距仪读取测试球的落高；最后关闭电磁吸盘，释放测试球，通过FBG探针获取各个工况下、由土体震动引起的土体峰值应变，得出待测土体区的含水率计算公式，并自动保存于光纤解调分析一体仪。
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