本发明专利技术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。
【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术涉及光纤感测、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。
技术介绍
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(distributedtemperaturesensing,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(activeheatedfiberopticsmethod,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(passivedistributedtemperaturesensing)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。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术基于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为本专利技术实施例的结构示意图。图2为本专利技术实施例的FBG探针示意图。图3为本专利技术实施例的光纤解调分析一体仪示意图。图4为采用本专利技术实例的使用方法获得的土体应变时程曲线图。图5为采用本专利技术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专利技术做更具体的描述。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、电磁吸本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置，其特征在于，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。
【技术特征摘要】
1.一种基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置，其特征在于，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。5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的落球式土体含水率快速测定装置，其特征在于，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。6.使用权利要求1～5任一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，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...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱鸿鹄，周谷宇，朱宝，施斌，张诚成，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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