CN208171842U - 一种土壤含水率测试装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种土壤含水率测试装置，属于土工试验测试方法技术领域。一种土壤含水率测试装置，包括装纳盒、吸水材料、传感元件测量装置；所述装纳盒为六面体，在装纳盒上设置有通孔，用于水分的进入；吸水材料放置于装纳盒内；所述传感元件测量装置设置于装纳盒的外部，通过光纤耦合器与外部的光纤光栅解调仪连接，用于测量装纳盒的应变量和温度变化量。本实用新型具有以下优点：1、本装置的结构简单，设计合理，且体积小，携带方便，可以监测不同深度土体内部的含水率变化情况。2、本装置操作效率高，大部分施工员均可正确操作，仅需记录监测数据。3、本装置利用光纤光栅传感器的优势，无需电源驱动，简化了装置的构造，且其传输损耗小，并可实现远距离的遥控监测。4、本装置使用的吸水橡胶可重复利用，制作成本低，具有较强的推广性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种土壤含水率测试装置，属于土工试验测试方法技术领域。
背景技术
近年来，国内关于山体滑坡的例子屡见不鲜，其滑坡大多是由于地质构造复杂，加之降雨共同作用下形成的。许多大型的滑坡地质灾害都是在强降雨期间或降雨过后不久发生的，国内外许多学者进行了大量研究，认为降雨导致边坡土体含水率的变化，从而使土体的内部结构发生改变，抗剪强度指标下降，因此导致边坡的失稳破坏。
因此，准确的量测土体的含水率在实际边坡工程中是十分重要的一项工作。目前测量土体含水率的方法除最常用的称重法、电阻率法、FDR法外，还有红外线感测、中子法、光谱分析法、灰度反演法等。
电阻率法理论上是一种很不错的含水率测量方法，但是电阻的大小受土壤质地影响较大，其中，包括空隙分布、颗粒分布、温差等很多因素，所以，导致测量的结果误差也很大。
FDR法是利用LC电容电感的振荡，通过电磁波在不同类型土壤中振荡频率的变化来测定其介电常数，但由于FDR法受到土壤质地（容重、颗粒、盐度）影响较大，且该仪器无法进入土壤深处，无法在不同地区的边坡工程中进行广泛应用。
实用新型内容
本实用新型的目的是解决现有技术中存在的问题，提供了一种结构简单、设计合理的便携式土壤含水率测试装置。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种土壤含水率测试装置，包括装纳盒、吸水材料、传感元件测量装置；所述装纳盒为六面体，在装纳盒上设置有通孔，用于水分的进入；吸水材料放置于装纳盒内；所述传感元件测量装置设置于装纳盒的外部，通过光纤耦合器与外部的光纤光栅解调仪连接，用于测量装纳盒的应变量和温度变化量。
优选的，传感元件测量装置采用无源温度补偿性封装。
优选的，所述传感元件测量装置为两组，相对设置。
优选的，在传感元件测量装置的外部安装有保护外壳。
优选的，传感元件测量装置包括光纤光栅传感器和参考光栅， 所述光纤光栅传感器的两端分别与装纳盒的侧壁刚性连接，所述参考光栅一端与装纳盒侧壁刚性连接，另一端采用海绵垫住。
优选的，所述通孔为两组，相对设置于装纳盒的两侧侧壁上。
优选的，在装纳盒内部布置有土工布，所述土工布紧贴装纳盒侧壁。
优选的，所述吸水材料为吸水橡胶。
优选的，所述装纳盒的材料为不锈钢板，装纳盒的上侧钢板可滑动拆卸。
与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
1、本装置的结构简单，设计合理，且体积小，携带方便，可以监测不同深度土体内部的含水率变化情况。
2、本装置操作效率高，大部分施工员均可正确操作，仅需记录监测数据，并通过实验室标定好的表格查找相对应的含水率即可。
3、本装置利用光纤光栅传感器的优势，无需电源驱动，简化了装置的构造，且其传输损耗小，在一定程度上提高了含水率测试的精准性，并可实现远距离的遥控监测。
4、本装置使用的吸水橡胶可重复利用，制作成本低，具有较强的推广性。
附图说明
图1是本实用新型实施例结构示意图；
图2是图1的右视图；
图3是图1的I-I剖面图a；
图4是图1的I-I剖面图b;
图5是图1的I-I剖面图c;
图6是含水率测试装置与光纤耦合器及光纤光栅解调仪的连接图；
图中，1、吸水橡胶；2、土工布；3、通孔；4、光纤光栅传感器；5、参考光栅；6、刚性连接；7、海绵；8、粘结固定胶；9、光纤耦合器；10、光纤光栅解调仪；11、光栅保护外壳。
具体实施方式
需要说明的是，在本实施例中，方位词“前后左右”均是按照附图所示进行描述，不构成对本实用新型的限制。
下面结合附图1-6对本实用新型做进一步详述：一种土壤含水率测试装置，包括六面体状不锈钢装纳盒、土工布2、吸水橡胶1、光纤光栅传感器4、参考光栅5、光栅保护外壳11、光纤耦合器9，光纤光栅解调仪10，所述装纳盒内均匀放置吸水橡胶1，装纳盒左右两侧面不锈钢板设有多个通孔3，通孔上覆土工布2，装纳盒上侧为可滑动拆卸钢板，可通过滑动拆卸钢板往盒中放置吸水橡胶，其余面为封闭式钢材面，水分只可通过左右侧面的通孔进入装纳盒内；所述的装纳盒在前后面均设置一个光纤光栅传感器4和一不受力的参考光栅5，并在光纤光栅传感器外部安装光栅保护外壳11，用于测量前面和后面不锈钢板的应变量和温度变化量，所述的光纤光栅传感器4和参考光栅5与光纤耦合器9相连，所述的光纤耦合器通过光纤与外部的光纤光栅解调仪10连接，获取光信号。
原理：将所述含水率测试装置在进行现场原位测试前，需要在实验室预先对吸水橡胶的含水率与其膨胀力之间的关系进行标定，得到吸水橡胶膨胀力与含水率之间的关系曲线。在现场原位测试工作时，通过静压法将装纳盒放入打好的孔洞中，使其达到待测深度，静置时间不少于12h，使土壤中的水分与装纳盒中的吸水橡胶充分接触。土壤中的水分通过侧壁通孔上的土工布进入到吸水橡胶中，吸水橡胶吸收从侧壁通孔进入的土壤中的水分后发生膨胀变形，吸水橡胶挤压与其接触的不锈钢板产生变形，装纳盒前后不锈钢板上设置的光纤光栅传感器4和参考光栅5记录变形数据。
在光纤光栅传感器周围安装光栅保护外壳，使其与周围土体隔离，避免周围土体挤压变形对其检测结果带来的不利影响。光纤光栅传感器在出厂时已对其特性进行标定，由于温度变化带来的波长漂移会严重影响应变的测量，所以对光纤光栅采用无源温度补偿性封装，即在传感光栅旁边布置一根不受应力作用的参考光栅，两个光栅处于相同的环镜温度。参考光栅的温度特性是通过标定的，从它的波长与温度的对应关系就能直接知道环镜温度，根据光纤光栅传感器温度特性曲线可以从其波长漂移中剔除温度的影响，解调出应变。因此，在测试装置前后两个面上分别按上述方案布置光纤光栅传感器和参考光栅。为了减少吸水橡胶在吸水膨胀变形过程中由于受力不均匀而产生的误差，将所测量的装纳盒前后两组面上的变形量取平均值，由于不锈钢板的弹性模量是已知的，根据应力与应变相应的公式可以计算出钢板上产生的膨胀力大小，然后，根据实验室已经标定的吸水橡胶膨胀力与含水率之间的关系曲线，就可以得到土体的含水率。
实施过程：装纳盒内部布置有土工布紧贴侧壁，侧壁开有若干孔洞，盒内均匀布置吸水橡胶，当装置放入土体后，水分由侧壁孔洞上的土工布渗入，使吸水橡胶均匀吸水膨胀。装纳盒前后面布置光纤光栅传感器，该光纤光栅传感器在出厂时已对其特性进行标定，由于温度变化带来的波长漂移会严重影响应变的测量，所以对光纤光栅传感器采用无源温度补偿性封装，即在传感光栅旁边布置一根不受应力作用的参考光栅，两个光栅处于相同的环镜温度。光纤光栅传感器首尾两端由刚性连接6，中间段由粘结固定胶8粘结，参考光栅5因不能受应力作用，所以一端用刚性连接6，另一端用海绵7垫住，以防受到板件变形的影响，同时在光纤光栅传感器周围安装光栅保护外壳11，光纤光栅传感器伸出端通过的面为开放式，其余面封闭（图中阴影部分即为封闭），使其与周围土体隔离，避免周围土体变形对其检测结果带来的不利影响。参考光栅的温度特性是通过标定的，将其与光纤光栅传感器用光纤耦合器连接，通过外部的光纤光栅解调仪10解调；从参考光栅的波长与温度的对应关系就能直接知道环镜温度，然后根据光纤光栅传感器温度特性曲线就可以从传感光栅的波长漂移中消除温度的影响，解调出应变。由于不锈钢板的弹性模量是已知的，根据应力与应变相应的公式可以计算出钢板上产生的膨胀力大小，然后，比照实验室标定好的吸水橡胶膨胀力与含水率关系曲线，获取最终的土壤含水率。
上述实施例仅仅是本实用新型的优选实施方式，不构成对本实用新型的限制，本领域普通技术人员在本实用新型的基础上所做的任何引申或变形均在本实用新型的保护范围内。
Claims (9)
1.一种土壤含水率测试装置，其特征在于：包括装纳盒、吸水材料、传感元件测量装置；所述装纳盒为六面体，在装纳盒上设置有通孔，用于水分的进入；吸水材料放置于装纳盒内；所述传感元件测量装置设置于装纳盒的外部，通过光纤耦合器与外部的光纤光栅解调仪连接，用于测量装纳盒的应变量和温度变化量。
2.根据权利要求1所述的土壤含水率测试装置，其特征在于：传感元件测量装置采用无源温度补偿性封装。
3.根据权利要求2所述的土壤含水率测试装置，其特征在于：所述传感元件测量装置为两组，相对设置。
4.根据权利要求3所述的土壤含水率测试装置，其特征在于：在传感元件测量装置的外部安装有保护外壳。
5.根据权利要求4所述的土壤含水率测试装置，其特征在于：传感元件测量装置包括光纤光栅传感器和参考光栅， 所述光纤光栅传感器的两端分别与装纳盒的侧壁刚性连接，所述参考光栅一端与装纳盒侧壁刚性连接，另一端采用海绵垫住。
6.根据权利要求2所述的土壤含水率测试装置，其特征在于：所述通孔为两组，相对设置于装纳盒的两侧侧壁上。
7.根据权利要求6所述的土壤含水率测试装置，其特征在于：在装纳盒内部布置有土工布，所述土工布紧贴装纳盒侧壁。
8.根据权利要求5或7所述的土壤含水率测试装置，其特征在于：所述吸水材料为吸水橡胶。
9.根据权利要求8所述的土壤含水率测试装置，其特征在于：所述装纳盒的材料为不锈钢板，装纳盒的上侧钢板可滑动拆卸。
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