一种土壤含水率分布式测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种土壤含水率分布式测量方法及系统，所述方法包括如下步骤：在土壤中植入碳纤维光缆，通电加热，用DTS解调设备解调、记录温度数据，运用数据分析软件求碳纤维光缆温度特征值，将所求温度特征值代入标定试验确定的一次函数w＝kTt+b计算出土壤含水率，其中w为土壤含水率，Tt为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数。所述系统包括碳纤维光缆、加热电源、DTS解调设备、具有数据分析软件的计算机。本发明专利技术可以对土体含水率进行原位分布式测量，具有分布式测量、测量距离长、安装简单、测量精度和稳定性高、性能价格比好等优点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种土壤含水率分布式测量方法及系统，所述方法包括如下步骤：在土壤中植入碳纤维光缆，通电加热，用DTS解调设备解调、记录温度数据，运用数据分析软件求碳纤维光缆温度特征值，将所求温度特征值代入标定试验确定的一次函数w＝kTt+b计算出土壤含水率，其中w为土壤含水率，Tt为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数。所述系统包括碳纤维光缆、加热电源、DTS解调设备、具有数据分析软件的计算机。本专利技术可以对土体含水率进行原位分布式测量，具有分布式测量、测量距离长、安装简单、测量精度和稳定性高、性能价格比好等优点。【专利说明】一种土壤含水率分布式测量方法及系统
本专利技术涉及土壤环境测量
，特别是一种土壤含水率分布式测量方法及系统。
技术介绍
土壤含水率即土壤中水分质量与相应固体物质质量的比值，是相关科学研究与工程实践的基础，在土质评价、水循环条件研究、植物生长条件研究、边坡稳定性评价及地质与岩土工程建设等方面都有非常重要的意义。关于土壤含水率的测定，目前主要有三种方法:烘干法、电阻法、时域反射法(TDR)。烘干法是土壤中含水率测量最常用和简便的方法，其原理是根据土样烘干前后质量变化确定含水率，然而，这种方法需要取样烘干，因此它适合于实验室测试，很难对原位土壤，尤其是深部原位土壤的含水率进行实时测量。另外，即使取到合适的原位土样，在土样取样、搬运和存储过程中也难免失去一定水分，造成测试结果偏差。电阻法的原理是通过测量埋入土壤中的两个电极之间电阻来确定含水率，但由于土中的电阻受空隙分布，颗粒成分影响而使该方法测量结果误差较大，另外，该方法使用前的标定结果容易随时间失效，因此，在岩土工程中还不能普遍推广。TDR技术测量土壤中含水率的原理是通过测量电磁波在埋入土壤中导线入射和反射之间的时间差来求土壤介电常数，利用介电常数确定含水率，目前它是测量原位土体含水率比较常用的方法。但该方法的测量结果受到土本身特性和环境因素的影响，测量精度和稳定性不高。此外，因为探头几乎无法安装到深部土体，所以难以对深部原位土进行含水率测量。上述三种方法除了难以测量原位土含水率，标定复杂、稳定性差等不足外，它们均属于点式测量，还无法对土体原位含水率进行分布式测量。因此，十分需要研发新的测试手段对土体含水率进行原位分布式测量。分布式光纤传感技术近年来得到了迅速发展，其分布式、长距离、防腐蚀、抗干扰等突出优点，使这类技术在实际工程监测中不断得到推广和应用。其中，基于先进的拉曼光时域反射测量技术(ROTDR)的分布式光纤温度测量系统(DTS)，在电力、隧道、输油管道、火灾预警等方面已得到广泛应用，并开始在大坝和地质体渗流监测中不断推广应用，而在土壤含水率测定方面未有应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种土壤含水率分布式测量方法及系统，基于DTS技术，运用碳纤维光缆内加热、温度感测的特点，通过碳纤维光缆升温过程中的温度特征值来确定土壤含水率，解决了现有土壤含水率测定方法难以测量原位土含水率，标定复杂、稳定性差、无法对土体原位含水率进行分布式测量等缺点。为解决上述问题，本专利技术采用以下技术方案:一种土壤含水率分布式测量方法，包括如下步骤:步骤一、将碳纤维光缆植入土壤中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤、碳纤维、护套；步骤二、对步骤一所述碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；步骤三、运用数据分析软件计算碳纤维光缆温度特征值，根据碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率之间的线性关系:w = kTt+b计算出土壤含水率，其中w为土壤含水率，Tt为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数，通过标定试验确定；所述碳纤维光缆温度特征值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场梯度不再改变时，选取一个特征时间区间内的等时间间隔所测得的温度值的算数平均值。进一步地，碳纤维光缆每隔0.5?I米设置一个温度测量点；步骤三中所述等时间间隔为I分钟。进一步地，所述标定试验包括如下步骤:步骤一、将碳纤维光缆依次植入若干组预配含水率的土壤中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤、碳纤维、护套；步骤二、对步骤一所述各碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录各碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；步骤三、运用数据分析软件计算各碳纤维光缆温度特征值，并拟合出碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率之间的线性关系:w = kTt+b，其中w为土壤含水率，Tt为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数；所述碳纤维光缆温度特征值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场梯度不再改变时，选取一个特征时间区间内的等时间间隔所测得的温度值的算数平均值。进一步地，所述若干组预配含水率的土壤为4?6组。一种土壤含水率分布式测量系统，包括碳纤维光缆、加热电源、DTS解调设备、具有数据分析软件的计算机，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤、碳纤维、护套；所述DTS解调设备是基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为所述碳纤维光缆；所述碳纤维光缆分别与加热电源、DTS解调设备连接，DTS解调设备连接具有数据分析软件的计算机。本专利技术的原理:基于DTS碳纤维内加热温度感测光缆的土壤含水率分布式测量方法的基本原理是利用DTS碳纤维内加热温度感测光缆所测到的升温过程中温度特征值与含水率之间的线性关系，来测量土壤中的含水率。进一步解释为:土壤的热传导性能由固体、气体、水分三者共同决定，固体成分在测量过程中基本不发生变化，气体导热系数远远低于水分导热系数，故可忽略不计，因此，土壤热传导能力随含水率而发生变化，含水率越高，其热传导能力越强。将具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆植入土壤中，通电后碳纤维光缆发热，温度升高，在含水率越高的部位，传热能力越强，而碳纤维光缆中由于电流产生的总能量固定，但向土体中传递的能量就越多，故用于加热碳纤维光缆本身的能量就越少，碳纤维光缆升温速率越慢，碳纤维光缆温度越低，温度特征值也越低。通过测量加热一定时间的碳纤维光缆温度即可得到温度特征值，据此来测量土壤中的含水率。本专利技术的有益效果:1.本专利技术可以实现分布式、连续性测量土壤含水率。2.本专利技术可以实时、动态监测土壤含水率变化过程。3.本专利技术直接测量原状土含水率，无需取样，对原状土扰动小，避免了土样运输过程造成的水分散失。4.本专利技术采取钻孔等方法，可分布式监测深部土体的含水率变化。5.本专利技术碳纤维光缆铺设后，由于光纤耐久稳定性好，可用于土壤含水率的长期测量及监测，测量时间可达几十年。6.本专利技术测量时间不受气候条件的影响。7.本专利技术无辐射，对人体无害，安全，经济。8.本专利技术测量距离长、安装简单、测量精度和稳定性高、性能价格比好。【专利附图】【附图说明】图1是本专利技术测量系统示意图。图2实施例1砂性土中碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率线性关系标定结果图。图3实施例1本专利技术方法与烘本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土壤含水率分布式测量方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一、将碳纤维光缆植入土壤中，所述碳纤维光缆为具有内加热功能的碳纤维温度感测光缆，由内到外依次包括光纤、碳纤维、护套；步骤二、对步骤一所述碳纤维光缆进行通电加热，利用DTS解调设备解调、记录碳纤维光缆通电加热过程中的温度值；所述DTS解调设备基于拉曼光时域反射测量技术进行分布式温度测量，感温元件为步骤一所述碳纤维光缆；步骤三、运用数据分析软件计算碳纤维光缆温度特征值，根据碳纤维光缆温度特征值与土壤含水率之间的线性关系：w＝kTt+b计算出土壤含水率，其中w为土壤含水率，Tt为碳纤维光缆温度特征值，k和b为常数，通过标定试验确定；所述碳纤维光缆温度特征值为通电加热后碳纤维光缆形成的温度场梯度不再改变时，选取一个特征时间区间内的等时间间隔所测得的温度值的算数平均值。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：施斌，曹鼎峰，魏广庆，严珺凡，
申请(专利权)人：南京大学，苏州南智传感科技有限公司，
类型：发明
国别省市：