【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及高寒地区工程领域，具体涉及一种高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪及其测量方法。
技术介绍
1、冻土是指零摄氏度以下，并含有冰的各种岩石和土壤。一般可分为短时冻土(数小时/数日以至半月)/季节冻土(半月至数月)以及多年冻土(又称永久冻土，指的是持续二年或二年以上的冻结不融的土体结构层)。
2、冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。随着气候变暖，冻土在不断退化。冻土是一种对温度极为敏感的土体介质，含有丰富的地下冰。因此，冻土具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。正由于这些特征，在冻土区修筑工程构筑物就必须面临两大危险：冻胀和融沉。工程师需要通过多种方法去使冻土体结构层的温度稳定，以避免因为冻土体结构层的转变而使工程结构损伤，防止意外的发生。由于冻土的性质特殊性，工程和科研需要对自然的冻土环境变化、冻融循环过程及冻土变形等信息进行科学研究，提出相关措施，以解决工程问题。而研究的基础就是积累长期监测数据，由于长期处于低温环境，普通监测设备在此温度下难以正常工作。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪及其测量方法，要解决传统的监测设备在较低的温度下难以进行冻土热量、冻胀测量的技术问题。
2、为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案。
3、一种高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪，包括电子仓和传感器装置，且电子仓与传感器装
4、优选的，所述波导管采用不锈钢管制作，长度为0.5～8m。
5、优选的，当待测冻土的深度大于一个土体结构层时，每个土体结构层处对应布置至少一个ntc温度传感器，并且每个土体结构层处对应布置至少一个热流传感器。
6、优选的，所述磁环通过螺栓固定在环形板的顶部。
7、优选的，所述电子仓为缺顶面的矩形立体结构，采用不锈钢制作而成；在电子仓的顶部设置有连接板；所述连接板呈环形，且连接板与下锚固板螺栓连接。
8、优选的，所述波导管的下部设置有外螺纹；所述下锚固板的顶部中间设置有螺纹管；所述波导管的下部与螺纹管螺纹连接。
9、优选的，在电子仓的底部连接有通信电缆；所述通信电缆的一端与电子模块相连，通信电缆的另一端伸出土体，与手持式读数仪连接。
10、一种高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪的测量方法，包括步骤如下。
11、步骤一，依据监测方案在预定位置打直径大于高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪直径的监测孔。
12、步骤二，将ntc温度传感器、磁致伸缩波导丝和热流传感器均安装在波导管内。
13、步骤三，将下锚固板套接在波导管的下端外侧壁上，并且将电子仓连接在下锚固板底部。
14、步骤四，将连接有电子仓的波导管下放至监测孔内，使波导管的位置居中。
15、步骤五，向监测孔中灌入原装土，填充空隙，采用铁棒夯实方式进行振捣，确保土体密实。
16、步骤六，当填土到达需要监测土体结构层位置时，在波导管上套设监测位移的环形板和磁环；环形板和磁环在重力作用下达到监测土体结构层位置，待环形板和磁环和位置稳定后，继续填土。
17、步骤七，依次安装所有的监测位置的磁环，进行封孔出理，在地面作好标计。
18、步骤八，启动电子仓中的脉冲发射模块，脉冲发射模块在磁致伸缩波导丝的两端各施加一个脉冲；磁致伸缩波导丝的表面形成魏德曼效应扭转应力波，扭转应力波以声速由产生点向磁致伸缩波导丝的两端传播。
19、步骤九，电子仓中的控制功能模块计算出查询脉冲与接收扭转应力波间的时间差，用时间差乘以扭转应力波在波导材料中的传播速度，计算出扭转应力波发生位置与测量基准点间的距离，从而得到磁环在该瞬时相对于测量基准点间的绝对距离。
20、步骤十，计算待测冻土各个土体结构层的热流量，热流量计算公式如下：
21、ψ＝u/s；
22、ψ—热流量单位：[w/s2]；
23、u—传感输出电压单位：[μv]；
24、s—传感器温度敏感系数[μv/(w/s2)]。
25、步骤十一，得到待测冻土中每个土体结构层在对应温度或者热流量的变形值。
26、优选的，当电子仓的底部连接有通信电缆，并且通信电缆端部连接有手持式读数仪时，步骤五中，环形板和磁环在重力作用下达到监测土体结构层位置后，观察手持式读数仪，当环形板和磁环的位置读数无变化时，继续填土。
27、与现有技术相比本专利技术具有以下特点和有益效果。
28、1、本专利技术在波导管内对应冻土的每个土体结构层处均设置热流传感器和温度传感器，温度传感器用于监测不同深度和位置处的土壤或冻土温度变化，热流传感器可以测量通过波导管周围冻土不同层次的热量流动，通过监测温度变化和热通量结果反映材料的冻土导热性能及其影响因素，用于冻土辐射传热的测量、热流分布的测量、测量热流瞬态变化，这些测量结果对于理解冻土的热行为、推断冻土体结构层内部的热传导特性有着重要帮助，从而能够深入理解和量化冻土区域内的热动态变化。同时，本专利技术在波导管内设置磁致伸缩波导丝，通过过外控制器启动电子仓中的脉冲发射模块在磁致伸缩波导丝的两端各施加一个脉冲，该脉冲以光速在磁致伸缩波导丝周围形成周向安培环形磁场，该环形磁场与磁环的偏置永磁磁场发生耦合作用时，在磁致伸缩波导丝的表面形成魏德曼效应扭转应力波，扭转应力波以声速由产生点向磁致伸缩波导丝的两端传播，传向末端的扭转应力波被吸能构件吸收，传向激励端的扭转应力波信号则被信号接收装置接收，电子仓中的控制功能模块计算出查询脉冲与接收信号间的时间差，用时间差乘以扭转应力波在波导材料中的传播速度约2830m/s，即可计算出扭转应力波发生位置与测量基准点间的距离，也即磁环在该瞬时相对于测量基准点间的绝对距离，从而实现待本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪，其特征在于：包括电子仓（1）和传感器装置（2），且电子仓（1）与传感器装置（2）通过法兰进行连接；所述传感器装置（2）包括有波导管（2.1），NTC温度传感器（2.2）和磁致伸缩波导丝（2.3）；所述波导管（2.1）的外侧壁上、沿竖向间隔套设有环形板（3）；在每块环形板（3）上设置有磁环（4）；所述波导管（2.1）的底部设置有下锚固板（5）；所述下锚固板（5）呈环形，套接在波导管（2.1）的下端外侧壁上；所述电子仓（1）设置在波导管（2.1）的底部，且电子仓（1）的内部空间与波导管（2.1）的内腔连通；在电子仓（1）内设置有集成供电、脉冲发射、数据采集、数据监测、数据传输和控制功能的电子模块；所述NTC温度传感器（2.2）至少有两个，沿竖向间隔设置在波导管（2.1）内；相邻NTC温度传感器（2.2）之间串联连接；所述NTC温度传感器（2.2）的输出端与电子仓（1）内电子模块连接；所述磁致伸缩波导丝（2.3）下端与设置在电子仓（1）上部的信号接收装置相连，磁致伸缩波导丝（2.3）的上端通过吸能构件（9）固定在波导管（2.1）的顶部；所述信
2.根据权利要求1所述的高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪，其特征在于：所述波导管（2.1）采用不锈钢管制作，长度为0.5~8m。
3.根据权利要求1所述的高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪，其特征在于：当待测冻土的深度大于一个土体结构层时，每个土体结构层处对应布置至少一个NTC温度传感器（2.2），并且每个土体结构层处对应布置至少一个热流传感器（10）。
4.根据权利要求1所述的高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪，其特征在于：所述磁环（4）通过螺栓固定在环形板（3）的顶部。
5.根据权利要求1所述的高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪，其特征在于：所述电子仓（1）为缺顶面的矩形立体结构，采用不锈钢制作而成；在电子仓（1）的顶部设置有连接板（6）；所述连接板（6）呈环形，且连接板（6）与下锚固板（5）螺栓连接。
6.根据权利要求1所述的高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪，其特征在于：所述波导管（2.1）的下部设置有外螺纹；所述下锚固板（5）的顶部中间设置有螺纹管（7）；所述波导管（2.1）的下部与螺纹管（7）螺纹连接。
7.根据权利要求1所述的高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪，其特征在于：在电子仓（1）的底部连接有通信电缆（8）；所述通信电缆（8）的一端与电子模块相连，通信电缆（8）的另一端伸出土体，与手持式读数仪连接。
8.一种权利要求1-7中任意一项所述的高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪的测量方法，其特征在于，包括步骤如下：
9.根据权利要求8所述的高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪的测量方法，其特征在于：当电子仓（1）的底部连接有通信电缆（8），并且通信电缆（8）端部连接有手持式读数仪时，步骤五中，环形板（3）和磁环（4）在重力作用下达到监测土体结构层位置后，观察手持式读数仪，当环形板（3）和磁环（4）的位置读数无变化时，继续填土。
...【技术特征摘要】
1.一种高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪，其特征在于：包括电子仓（1）和传感器装置（2），且电子仓（1）与传感器装置（2）通过法兰进行连接；所述传感器装置（2）包括有波导管（2.1），ntc温度传感器（2.2）和磁致伸缩波导丝（2.3）；所述波导管（2.1）的外侧壁上、沿竖向间隔套设有环形板（3）；在每块环形板（3）上设置有磁环（4）；所述波导管（2.1）的底部设置有下锚固板（5）；所述下锚固板（5）呈环形，套接在波导管（2.1）的下端外侧壁上；所述电子仓（1）设置在波导管（2.1）的底部，且电子仓（1）的内部空间与波导管（2.1）的内腔连通；在电子仓（1）内设置有集成供电、脉冲发射、数据采集、数据监测、数据传输和控制功能的电子模块；所述ntc温度传感器（2.2）至少有两个，沿竖向间隔设置在波导管（2.1）内；相邻ntc温度传感器（2.2）之间串联连接；所述ntc温度传感器（2.2）的输出端与电子仓（1）内电子模块连接；所述磁致伸缩波导丝（2.3）下端与设置在电子仓（1）上部的信号接收装置相连，磁致伸缩波导丝（2.3）的上端通过吸能构件（9）固定在波导管（2.1）的顶部；所述信号接收装置与下锚固板（5）水平对应设置，且信号接收装置与电子模块电信连接；在波导管（2.1）的内侧壁上、沿竖向间隔安装有一组热流传感器（10）；所述热流传感器（10）与电子模块电连接，在一组热流传感器（10）的冷端均进行冷端基线集联；所述电子模块与外控制器电信连接。
2.根据权利要求1所述的高寒地区野外冻土热流温度变形测量仪，其特征在于：所述波导管（2.1）采用不锈钢管制作，长度为0.5~8m。
3.根据权利要求1所述的高寒地区野外冻土热流...
【专利技术属性】
技术研发人员：邰博文，张明义，吴青柏，马春清，李双洋，温智，周志伟，亓守臣，李春光，
申请(专利权)人：中国科学院西北生态环境资源研究院，
类型：发明
国别省市：
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