CN115584714A

CN115584714A - 一种海洋土壤原位测试装置与方法

Info

Publication number: CN115584714A
Application number: CN202211094341.0A
Authority: CN
Inventors: 杨忠年; 胥正一; 崔郁雪; 刘学森; 凌贤长; 秦夕朋; 时伟
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2022-09-08
Filing date: 2022-09-08
Publication date: 2023-01-10

Abstract

本发明提供了一种海洋土壤原位测试装置及方法，该装置包括探杆、拉曼光谱仪单元、电阻共焦单元、激光发射系统和第一分光镜，激光经过第一分光镜分为两条光路，一条进入电阻共焦单元的第二分光镜，一条进入拉曼光谱仪单元的二向色镜，进入第二分光镜的光路分为两路，分别进入两个光敏电阻，当观察到两光敏电阻处电流相同时，完成拉曼光谱仪的对焦，将激光聚焦在样品表面的微小区域，实现了待测物微区拉曼光谱检测；另一边经拉曼散射后波长发生改变的光经过二向色镜后，再经过全反射镜反射进入拉曼光谱仪，可以在拉曼光谱仪中对土壤进一步分析。

Description

一种海洋土壤原位测试装置与方法

技术领域

本发明涉及海洋岩土工程技术领域，特别是一种基于拉曼光谱仪和静力触探可实现土壤细观形貌和力学参数同步检测的原位测试装置及测试方法。

背景技术

在地质环境调查中，确定土层的分类、顺序和物理性质是主要的目标。由于海洋土层位于深处的海底，所以海洋土壤的探测成为了一个难题。静力触探试验作为成熟的原位地质探测方法，在海洋岩土工程中不仅经济高效、应用广泛，还有充分的理论基础。现有的静力触探设备可以由海洋船舶搭载，由一个尖部安装有锥形力传感器的探头和侧表面安装有侧壁摩擦力传感器的探杆组成。通过海上船舶的装置，将探头以一定速率先经过海水再贯入土壤以获得连续的土壤剖面，并得到可靠且可重复的数据。但是，现有的静力触探试验只能得出相对简单的土壤剖面参数，不能对土层的组成情况做出瞬时、准确的反映；另外，以上都基于宏观的土体力学参数，对于细观的土颗粒受力和形变情况还不清楚，有必要建立土颗粒受力的细观力学参数与土体宏观力学指标的联系。

拉曼光谱是一种无损的分析技术，它是基于光和材料分子化学键的相互作用而产生的。通过拉曼散射，可以得到样品化学结构、形态、结晶度以及分子相互作用的详细信息，并进行准确有效的物质识别。但是，现有的共焦拉曼光谱探测系统没有提供定焦能力，导致实际光谱探测时，在样品的失焦位置激发出拉曼光谱并被探测，故无法获得高质量的光谱探测图像。

发明内容

本发明目的是提供了一种海洋土壤原位测试装置，不仅能够解决拉曼光谱识别中的聚焦问题，还能方便分析土壤参数。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种海洋土壤原位测试装置，包括探杆杆体5和探头组成的探杆，其特征在于，还包括拉曼光谱仪单元、电阻共焦单元19、激光发射系统7和第一分光镜8；

拉曼光谱仪单元包括拉曼光谱仪6和设置在探杆杆体5下部表面的第一凸透镜4，第一凸透镜4内设有空腔，空腔内包括第二凸透镜17、二向色镜16和全反射镜15，电阻共焦单元19包括第二分光镜9、第一光敏电阻10、第二光敏电阻13、第一电流表11和第二电流表12；

激光发射系统7的出射方向设置有第一分光镜8，第二分光镜9位于第一分光镜8的反射方向，第一光敏电阻10和第二光敏电阻13分别位于第二分光镜9的两个出射方向，第一电流表11与第一光敏电阻10串联，第二电流表12与第二光敏电阻13串联，外接电源14为电路供电；

二向色镜16位于电阻共焦单元19的出射方向，第二凸透镜17、第一凸透镜4依次设置于二向色镜16的反射方向，全反射镜15设置在二向色镜16、第二凸透镜17、第一凸透镜4同一条直线上靠近二向色镜16的外侧，拉曼光谱仪6位于全反射镜15的反射方向，且设置在探杆之外；

探杆上设置有传感器，用于获取静力触探参数。

进一步的，第一凸透镜4和第二凸透镜17固定于直线型滑轨18，滑轨18也设置于第一凸透镜4的空腔内。

进一步的，二向色镜16的反射波段为507.5～570nm，非反射波段可以通过二向色镜。

进一步的，第一凸透镜4的分辨率至少为0.4μm，工作距离至少为5.2mm。

进一步的，探头为锥体。

进一步的，传感器包括探头上的锥尖阻力传感器1、探头与探杆杆体5之间的孔压传感器2、探杆杆体5底端侧壁的侧摩阻力传感器3。

本发明还公开了一种基于上述装置的海洋土壤原位测试方法，包括步骤：

S1.将海洋土壤原位测试装置匀速钻入地层，当第一凸透镜4进入土壤后，获取静力触探参数，同时激光发射系统7发出激光，激光经过第一分光镜分为两条光路，一条进入第二分光镜9，一条进入第一凸透镜4空腔的二向色镜16；

S2.进入第二分光镜9的光路分为两路，分别进入第一光敏电阻10和第二光敏电阻13，光敏电阻可以对瞬时的光信号强度作出响应，即光强度越大，电阻会越小，根据差动共焦原理，当分光镜的两束光强度在一段时间内相同时，即可实现对焦，因此远程遥控滑轨18进行微小位移来移动滑轨18上的第二凸透镜17，直至观察到两电流表读数完全相同，实现拉曼光谱仪的对焦，将激光聚焦在样品表面的微小区域，实现了待测物微区拉曼光谱检测；

S3.激光被二向色镜16发射至第一凸透镜4和第二凸透镜17，激光照射至土壤时产生拉曼散射，经拉曼散射后波长发生改变的光到达二向色镜16，二向色镜16在507.5～570nm范围内透射率接近于0，该波段内的光经过二向色镜实现全反射，波长＜507.5nm及波长＞570nm的拉曼散射光的透射率＞93％，在该波段的拉曼散射光可以绝大多数透过，因此拉曼散射光被二向色镜16透过后再经过全反射镜15的反射后进入拉曼光谱仪6，在拉曼光谱仪6中对土壤分析，并建立与静力触探参数之间的联系。

进一步的，静力触探参数包括锥尖阻力、孔隙水压力和与土壤之间的摩擦阻力。

本发明的优点在于：

可以解决拉曼光谱识别过程中的聚焦问题，使激光准确聚焦到土面上，从而保证了获取正确的拉曼光信号，得到土壤剖面的高质量探测图像，；

本发明微型小巧，搭载在探杆内部，在通过探杆进行静力触探试验的同时，对土层的内部的粒径大小、含水量、孔隙率进行直观地展示，可以进一步的识别土层土壤种类；

本发明可以展示土中颗粒的受力和形变情况，结合探杆获得的参数，可以建立细观的土颗粒受力与宏观的静力触探土体力学参数之间的联系。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明第一凸透镜及其空腔的剖面图；

图3为本发明第一凸透镜及其空腔的俯视结构示意图；

其中，1-锥尖阻力传感器，2-孔压传感器，3-侧摩阻力传感器，4-第一凸透镜，5-探杆杆体，6-拉曼光谱仪，7-激光发射系统，8-第一分光镜，9-第二分光镜，10-第一光敏电阻，11-第一电流表，12-第二电流表，13-第二光敏电阻，14-外接电源，15-全反射镜，16-二向色镜，17-第二凸透镜，18-滑轨，19-电阻共焦单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需要说明的是，术语“上”、“下”、“底部”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用和简化描述，不能理解为对本发明的限制。

请参照图1的海洋土壤原位测试装置，包括探杆、拉曼光谱仪单元、激光发射系统7，探杆包括锥形的探头和探杆杆体5，探头固定在探杆杆体5的底部，探杆杆体5内设有内部光路，激光发射系统7通过探杆杆体5的内部光路与拉曼光谱单元连接，激光发射系统7通过外部光路与电阻共焦单元19连接。激光发射系统7包括激光器，通过激光发射系统7发射出激光。激光发射系统7的出射方向设有第一分光镜8，第一分光镜8的出射方向对应第二分光镜9，电阻共焦单元19位于第一分光镜8的反射方向。

探头呈锥形，探头的锥尖处设有锥尖阻力传感器1，探头与探杆杆体5的连接处设有孔压传感器2，探杆杆体5的底部外侧设有侧摩阻力传感器3，通过锥尖传感器1实时检测锥尖阻力，通过孔压传感器2实现对孔隙水压力的实时检测，通过侧摩阻力传感器3对探杆与土壤之间的摩擦阻力进行实时检测。

拉曼光谱仪单元包括拉曼光谱仪6和第一凸透镜4，其中第一凸透镜4设置在探杆杆体的下部，且靠近探头处，请参照图2。第一凸透镜4内设有空腔，第一凸透镜17和二向色镜16和反射镜15设置在第一凸透镜4的空腔内，其中二向色镜16位于电阻成像单元19的出射方向，全反射镜15位于二向色镜16的反射方向，拉曼光谱仪6位于全反射镜15的反射方向。激光发射系统发出的激光光线，通过探杆杆体的内部光路经过第一凸透镜4聚焦于土体表面，土壤反射出因拉曼散射而波长发生变化的光再经过第二凸透镜17，二向色镜16和全反射镜15反射传送至拉曼光谱仪6中。

电阻共焦单元19包括串联的第一光敏电阻10和第一电流表11，串联的第二电流表12和第二光敏电阻13，第一光敏电阻10和第二光敏电阻13分别位于第二分光镜9的两个出射方向，外接电源14对两个电阻两端施加电压，当光敏电阻受到光照射时会减小电阻，光强度越高，电阻减少越大，利用差动共焦原理，移动第二凸透镜17直至两个电流表示数相同，即可实现差动共焦。

本实施例中，采用ActonSP2300拉曼光谱仪，可以优先检测到光的拉曼散射。第一凸透镜4的分辨率需要达到0.4μm，工作距离5.2mm，提高工作距离有助于测量毫米级待测样品，增加系统检测范围。静力触探探杆可以转动，实现在水平面内的360°测量。

本申请还包括一种利用上述海洋土壤原位测试装置进行测试的方法，该方法包括以下步骤。

第一步，搭载有拉曼光谱仪单元的静力触探探杆匀速钻入地层，探杆在钻入地层的过程中，通过锥尖阻力传感器1、孔压传感器2和侧摩阻力传感器3得到相应位置处的静力触探参数,当第一凸透镜4进入土壤后，激光发射系统7发出的激光经过第一分光镜8，分成两条光路进行传导，其中一条光路进入第二分光镜9；另一条光路进入探杆内部的第一凸透镜17内。

第二步，一条激光光路进入第二分光镜9后，再次分为两路，并分别进入两个光敏电阻10和13中：

在电阻共焦单元内，布有两个高灵敏度光敏电阻，可以对瞬时的光信号强度作出响应，即光强度越大，电阻会越小。根据差动共焦原理，当分光镜的两束光强度在一段时间内相同时，即可实现对焦。第二凸透镜固定于可滑动的底座上，可以远程遥控进行微小位移。通过移动滑轨上的第二凸透镜，直至观察到两电流表读数完全相同，实现拉曼光谱仪的对焦。

第三步，另一条激光光路进入第一凸透镜4内后，到达二向色镜16。在507.5～570nm范围内透射率接近于0，该波段内的光经过二向色镜16实现全反射；波长＜507.5nm及波长＞570nm的拉曼散射光的透射率＞93％，在该波段的拉曼散射光可以绝大多数透过。激光被二向色镜发射至第一凸透镜4和第二凸透镜17，经过两个凸透镜在滑轨上位置移动直至电阻共焦单元的两个电流表示数相同，即可实现拉曼光谱仪聚焦作用，将激光聚焦在样品表面的微小区域，实现了待测物微区拉曼光谱检测。激光照射至土壤时产生拉曼散射，经拉曼散射后波长发生改变的光经过二向色镜16后，再经过全反射镜15的反射后进入拉曼光谱仪6，在拉曼光谱仪6对土层中的土壤颗粒粒径、孔隙率和含水率进行分析，识别土层土壤种类,随着钻入深度的增加，激光扫过土层剖面的同时，也不断地反射至拉曼光谱仪6中进行记录和分析，从而可以得到土壤粒径大小、含水量和孔隙率沿着深度的分布，进而分析土壤颗粒细观受力情况，建立土颗粒细观受力与宏观的土壤静力触探力学参数之间的联系

第四步，利用传统的静力触探实验所得到的参数，即锥尖阻力q_c和孔隙水压力u₂和u₀进行计算：

q_t＝q_c+(1-α_c)μ₂

其中：q_t为修正后的锥尖阻力，α_c为圆锥面积比，μ₂为贯入孔压，σ_v为总上覆应力，通过上覆土重度乘以深度计算，σ_v'为有效上覆应力，通过上覆土的有效重度乘以深度计算，u₂为锥肩处的孔压，u₀为原位孔压。通过计算标准化锥尖阻力Q和孔隙压力比B_q可以在土壤分类图中定位，进行土层土壤分类。在实际工程运用中，利用土壤分类图进行土层分类具有快捷简单的特点。但宏观的静力触探力学参数计算后可能产生两个问题：(1)得到的土层种类往往与实际不符，特别是存在厚度很薄的土层无法识别(2)计算后得到的数据超出土壤分类图的范围。所以近二十年来，针对上面的两个问题，土壤分类图不断的修正和改进也成为一大难题。利用拉曼光谱技术，静力触探在进行钻孔时就可以在微观层面上获取深度方向上的土层分子图谱，准确地识别土层的物质组成，含水率和孔隙率等，微观与宏观结合，进而对土壤分类图进行改进，方便静力触探在土层识别的工程实际中应用。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种海洋土壤原位测试装置，包括探杆杆体（5）和探头组成的探杆，其特征在于，还包括拉曼光谱仪单元、电阻共焦单元（19）、激光发射系统（7）和第一分光镜（8）；

所述拉曼光谱仪单元包括拉曼光谱仪（6）和设置在探杆杆体（5）下部表面的第一凸透镜（4），所述第一凸透镜（4）内设有空腔，空腔内包括第二凸透镜（17）、二向色镜（16）和全反射镜（15），所述电阻共焦单元（19）包括第二分光镜（9）、第一光敏电阻（10）、第二光敏电阻（13）、第一电流表（11）和第二电流表（12）；

所述激光发射系统（7）的出射方向设置有第一分光镜（8），所述第二分光镜（9）位于所述第一分光镜（8）的反射方向，所述第一光敏电阻（10）和第二光敏电阻（13）分别位于所述第二分光镜（9）的两个出射方向，所述第一电流表（11）与第一光敏电阻（10）串联，所述第二电流表（12）与第二光敏电阻（13）串联，外接电源（14）为电路供电；

所述二向色镜（16）位于电阻共焦单元（19）的出射方向，所述第二凸透镜（17）、第一凸透镜（4）依次设置于所述二向色镜（16）的反射方向，所述全反射镜（15）设置在所述二向色镜（16）、第二凸透镜（17）、第一凸透镜（4）同一条直线上靠近二向色镜（16）的外侧，所述拉曼光谱仪（6）位于所述全反射镜（15）的反射方向，且设置在探杆之外；

所述探杆上设置有传感器，用于获取静力触探参数。

2.根据权利要求1所述的海洋土壤原位测试装置，其特征在于，所述第一凸透镜（4）和第二凸透镜（17）固定于直线型滑轨（18），所述滑轨（18）也设置于第一凸透镜（4）的空腔内。

3.根据权利要求1所述的海洋土壤原位测试装置，其特征在于，所述二向色镜（16）的反射波段为507.5～570nm。

4.根据权利要求1所述的海洋土壤原位测试装置，其特征在于，所述第一凸透镜（4）的分辨率至少为0.4 μm，工作距离至少为5.2 mm。

5.根据权利要求1所述的海洋土壤原位测试装置，其特征在于，所述探头为锥体。

6.根据权利要求4所述的海洋土壤原位测试装置，其特征在于，所述传感器包括探头上的锥尖阻力传感器（1）、探头与探杆杆体5之间的孔压传感器（2）和探杆杆体（5）底端侧壁的侧摩阻力传感器（3）。

7.一种基于权利要求1-6任一装置的海洋土壤原位测试方法，其特征在于，包括步骤：

S1. 将海洋土壤原位测试装置匀速钻入地层，当第一凸透镜（4）进入土壤后，获取静力触探参数，同时激光发射系统（7）发出激光，激光经过第一分光镜分为两条光路，一条进入第二分光镜（9），一条进入第一凸透镜（4）空腔的二向色镜（16）；

S2. 进入第二分光镜（9）的光路分为两路，分别进入第一光敏电阻（10）和第二光敏电阻（13），远程遥控滑轨（18）进行微小位移来移动滑轨（18）上的第二凸透镜（17），直至观察到两电流表读数完全相同，实现拉曼光谱仪的对焦，将激光聚焦在样品表面的微小区域，实现了待测物微区拉曼光谱检测；

S3. 激光被二向色镜发射至第一凸透镜（4）和第二凸透镜（17），激光照射至土壤时产生拉曼散射，经拉曼散射后波长发生改变的光经过二向色镜（16）后，再经过全反射镜（15）的反射后进入拉曼光谱仪（6），在拉曼光谱仪（6）中对土壤分析，并建立与静力触探参数之间的联系。

8.根据权利要求7所述的海洋土壤原位测试方法，其特征在于，所述静力触探参数包括锥尖阻力、孔隙水压力和与土壤之间的摩擦阻力。