【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及土体基质吸力测量，更具体的说，尤其涉及一种基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置及方法。
技术介绍
1、非饱和土是一种包含孔隙水和孔隙气的土壤类型。孔隙气的存在使得非饱和土的性质更加复杂。水-气界面(收缩膜)具有表面张力，气相的存在显著影响非饱和土的力学特性、渗透特性和热传导特性。基质吸力是评价非饱和土的重要参数，对其强度、渗透和热传导等特性有重要影响。当孔隙气压力大于孔隙水压力时，收缩膜承受着这种压力差，这个差值即为基质吸力。基质吸力是描述非饱和土力学性质的重要指标，而土水特征曲线(swcc)则是基质吸力与土体含水率之间的关系曲线，是研究非饱和土的重要工具。因此，准确测量土体基质吸力对于理论研究和工程实践具有重要意义。
2、准确测量基质吸力对于深入理解非饱和土的力学行为至关重要，它是揭示非饱和土力学机理的基本要求。基质吸力与土体含水量之间的关系是非饱和土力学特性的核心，这一关系被定义为土水特征曲线(swcc)，它是分析和解释非饱和土性质的关键函数。目前，用于测量基质吸力的主要方法包括：张力计法、热传导传感器法、介电常数法、轴平移技术法、渗析法、接触式滤纸技术法、盐溶液气相法以及高速离心机法等。这些方法各有优缺点，适用于特定的研究需求和土体类型，为非饱和土力学的研究提供了多样化的技术手段。
3、张力计法可以较为准确地测量土体原位基质吸力，利用高进气值陶瓷板作为测量系统，直接测量土中的负孔隙水压力。然而，张力计中的水可能出现气蚀现象，同时通过陶瓷头蒸发，且量程有限，因此只适用于小量程的
4、近些年，涌现了一些新的土体基质吸力测量方法，如在朱鸿鹄等人的专利技术专利《一种基于光纤光栅的土体基质吸力准分布式原位测量方法及装置》(公开号：zl201911104712.7)中，该装置基于主动加热测量含水量的原理，但存在加热对土体结构造成破坏的缺点，尤其针对特殊性土，如黄土、红土和膨胀土等，而土体结构决定了土体的持水状态，故无法对土体样品进行快速的精确的监测，且分辨率低、精确度不高；在于子望等人的专利技术专利《一种多功能非饱和土原位基质吸力测量仪》(公开号：cn114034733 a)中，该装置基于加热土体测量热扩散率，代入热导率-基质吸力方程得到基质吸力。测量方法较为便利，但加热土体会对土体结构破坏，故无法精确测量基质吸力，且受环境影响较大；在郭会军等人的专利技术专利《一种高频电场电荷感应式土体水分传感器》(公开号：cn202111265407.3)中，操作较为简便，但该技术方案只能单点测量，无法实现准分布式测量，且不能有效屏蔽外界电场和磁场对测量结果的影响，测量准确性较差。由此可见，目前的基质吸力量测装置尚不完善，亟需进一步探究。
5、众所周知，光纤光栅测量技术以其独特的优势在众多测量领域中得到了广泛应用。该技术不受光源波动、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响，具备强大的抗磁场干扰能力。此外，光纤光栅传感器具有高灵敏度、小巧的体积、耐腐蚀性、抗电磁辐射干扰以及长期稳定性好等特点，这些特性使其非常适合于长期监测。通过连接计算机(1-1)，光纤光栅测量技术可以构建组网系统，实现对目标的实时性和准分布式测量。若将光纤光栅技术应用于基质吸力的测量，其优越的性能将有助于提高测量的准确性和可靠性。通过采用特殊结构设计，可以进一步优化光纤光栅传感器，以适应不同类型土壤的测量需求，实现全土类基质吸力的精确测量。这样的应用不仅扩展了光纤光栅技术的应用范围，也为非饱和土力学的研究和工程监测提供了新的解决方案。
技术实现思路
1、为解决上述问题，本专利技术提供了基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置及方法，解决了现有技术中存在的问题。
2、本专利技术所采用的技术方案以及步骤如下：
3、一种基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置，包括外壳保护模块、信号激励模块、接触平衡模块、电磁感应模块、波长检测模块和信号处理模块；
4、所述外壳保护模块内固定有接触平衡模块，接触平衡模块包括依次由外向内设置的陶土筒、膨润土层和塑料筒；
5、所述信号激励模块包括信号源，信号源包括高频信号源和低频信号源，高频信号源通过传输电缆电连接若干组发射探针的一端，每组发射探针包括两个发射探针；配合发射探针设置有感应探针；感应探针一端电连接有电磁感应模块；感应探针的另一端和发射探针的另一端穿过塑料筒插入膨润土层内；两个感应探针处于两个发射探针内侧；
6、所述电磁感应模块包括感应线圈和同侧弧形电极板，感应线圈两侧安装有与感应线圈正交设置的感应电极板，感应电极板分别与电连接感应探针；感应线圈两端分别电连接导电的弹性元件两端形成闭合回路；
7、所述波长检测模块包括应变光栅和温补光栅；应变光栅与弹性元件粘贴固定，应变光栅一端通过光纤线路连接信号处理模块，另一端连接有温补光栅；同侧弧形电极板一端电连接信号处理模块，另一端电连接低频信号源；同侧弧形电极板处于膨润土层内；波长检测模块和电磁感应模块通讯连接信号处理模块。
8、进一步的改进，所述外壳保护模块包括外部固定架，外部固定架的顶部和底部分别设置有环形的顶部封装盖和环形的尾部封装盖；顶部封装盖和尾部封装盖之间安装接触平衡模块；顶部封装盖和尾部封装盖通过螺柱相互连接固定；外部固定架的顶部封装盖和尾部封装盖采用凹槽式同心圆环状封装盖，同时在膨润土层与内部装置中间的塑料保护套下部采用凹槽式密封贴，防止膨润土层的孔隙水流入内部装置中；
9、所述接触平衡模块的陶土筒直接与待测土体接触，陶土筒内部填充有筒状膨润土层；所述信号激励模块的信号源输出高频信号给插入膨润土层中的感应探针，使感应探针产生感应电流；感应探针通过传输电缆将感应电流传输至电磁感应模块中的感应电极板；电场的变化使感应电极板发生电磁感应现象，实现电信号转换；电磁感应模块内部的弹性元件在感应电流作用下产生形变；弹性元件发生的形变使粘连在弹性元件表面的应变光栅同时发生形变；波长检测模块通过检测应变光栅本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置，其特征在于，包括外壳保护模块、信号激励模块、接触平衡模块、电磁感应模块、波长检测模块和信号处理模块；
2.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置，其特征在于，所述外壳保护模块包括外部固定架(9-1)，外部固定架(9-1)的顶部和底部分别设置有环形的顶部封装盖(9-6)和环形的尾部封装盖(9-7)；顶部封装盖和尾部封装盖之间安装接触平衡模块；顶部封装盖和尾部封装盖通过螺柱(4-3)相互连接固定；外部固定架(9-1)的顶部封装盖(9-6)和尾部封装盖(9-7)采用凹槽式同心圆环状封装盖，同时在膨润土层(10-2)与内部装置中间的塑料保护套(3-3)下部采用凹槽式密封贴(3-1)，防止膨润土层(10-2)的孔隙水流入内部装置中；
3.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置，其特征在于，所述信号处理模块中的电容计(1-2)与信号激励模块的弧形电极板(10-3)相接，用于捕捉电容信号，并通过传输电缆(8-3)将信号数据传送至计算机(1-1)进行处理；同侧弧形电
4.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置，其特征在于，所述高频信号源(1-3)通过传输电缆电连接三组发射探针(9-2)，三组发射探针(9-2)沿塑料筒周向均匀分布；所述同侧弧形电极板(10-3)为三组并沿塑料筒外侧周向均匀分布；同侧弧形电极板(10-3)与发射探针(9-2)之间设置有绝缘挡板(10-4)；所述陶土筒(10-1)紧贴着膨润土层(10-2)，绝缘挡板(10-4)位于膨润土层内部，用于隔绝探针间的磁场干扰；
5.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置，其特征在于，所述同侧弧形电极板(10-3)为扇环形，同侧弧形电极板(10-3)包括绝缘基板(5-3)，绝缘基板(5-3)上固定有两个感应电极(5-4)，两个感应电极(5-4)之间有间隔；绝缘基板(5-3)底部和两个感应电极(5-4)外端均固定有屏蔽电极(5-1)。
6.一种基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置的使用方法，其特征在于，采用权利要求1-5任一所述的基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置，具体包括如下使用步骤：
7.如权利要求6所述的基于光纤布拉格光栅的土体基质吸力测量装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：
8.如权利要求6所述的基于光纤布拉格光栅的土体基质吸力测量装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：
9.如权利要求6所述的基于光纤布拉格光栅的土体基质吸力测量装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S3具体为：
10.如权利要求6所述的基于光纤布拉格光栅的土体基质吸力测量装置的使用方法，其特征在于，所述步骤S5具体为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置，其特征在于，包括外壳保护模块、信号激励模块、接触平衡模块、电磁感应模块、波长检测模块和信号处理模块；
2.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置，其特征在于，所述外壳保护模块包括外部固定架(9-1)，外部固定架(9-1)的顶部和底部分别设置有环形的顶部封装盖(9-6)和环形的尾部封装盖(9-7)；顶部封装盖和尾部封装盖之间安装接触平衡模块；顶部封装盖和尾部封装盖通过螺柱(4-3)相互连接固定；外部固定架(9-1)的顶部封装盖(9-6)和尾部封装盖(9-7)采用凹槽式同心圆环状封装盖，同时在膨润土层(10-2)与内部装置中间的塑料保护套(3-3)下部采用凹槽式密封贴(3-1)，防止膨润土层(10-2)的孔隙水流入内部装置中；
3.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的感应式土体基质吸力测量装置，其特征在于，所述信号处理模块中的电容计(1-2)与信号激励模块的弧形电极板(10-3)相接，用于捕捉电容信号，并通过传输电缆(8-3)将信号数据传送至计算机(1-1)进行处理；同侧弧形电极板(10-3)的一端直接触及膨润土层(10-2)，而另一端则通过传输电缆(8-3)与信号源(1-3)建立连接；信号源(1-3)向同侧弧形电极板(10-3)上的驱动电极(5-2)发射低频信号，与同侧弧形电极板(10-3)电连接的电容计(1-2)检测驱动电极(5-2)与感应电极(5-4)之间的电场变化，并据此测量同侧弧形电极板(10-3)的电容值，然后从测得的电容值反演计算出膨润土层(10-2)的相对介电常数。
4.如权利要求1所述的基...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓波，何振宇，韦彪，孙功名，樊军伟，王东星，
申请(专利权)人：南华大学，
类型：发明
国别省市：
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