[发明专利]一种基于嵌入式超声传感器的土体最优含水率检测方法

说明书

本发明是一种基于嵌入式超声传感器的土体最优含水率检测方法。在夯实地基之前提前把嵌入式传感器埋入地基土中，基于非线性二次谐波理论，分析基波幅值与二次谐波幅值之间的关系，来分析土的含水率变化情况，进而确定土的最优含水率。嵌入式传感器有效的降低了传统超声检测中耦合剂的非线性对实验结果非线性的影响。而且操作简单，结果准确。

技术领域

本发明涉及一种基于嵌入式超声传感器的土体最优含水率检测方法，属于土的超声无损检测领域。具体地说，就是基于非线性二次谐波理论，采用嵌入式超声无损检测技术，分析基波幅值与二次谐波幅值之间的关系，来分析土的含水率变化情况，进而确定土的最优含水率。嵌入式传感器有效的降低了传统超声检测中耦合剂的非线性对实验结果非线性的影响。而且操作简单，结果准确。

背景技术

在现代基础工程中，土的含水率对工程建设和建筑性能有显著影响。土的含水率的变化不仅导致了孔隙率和密度等物理性质的变化，还对土的力学性能如承载力、粘聚力、抗剪强度和变形等有很大影响。

现有的测定土体最优含水率的方法是烘干法和酒精燃烧法。这些方法都是通过蒸发土体中的水分，即通过热处理得到干燥的土，然后根据湿土和干土的重量，可以计算含水率。然而，这些传统的方法通常是费时费力的。本发明提出了一种测量粘土含水率的新思路，即一种基于非线性超声理论的非破坏性评价方法，以确定粘土的最佳含水率，并为优化原位测量的方法提供了可能性。

发明内容

本发明专利要解决的技术问题：

为解决现有超声无损检测在土体含水率检测上的空缺，同时解决现有测量技术可靠性、灵敏性、便捷性不足等问题，本发明提供一种基于嵌入式超声传感器的土体最优含水率检测方法，它采用的非线性超声理论是基于非线性超声理论定义的材料的非线性参数，呈现出与粘土孔隙比变化相似的变化趋势，即与增加的含水量相对应。经过众多实验研究表明，该检测设备具有极高的灵敏度和可靠度。此外，本发明采用嵌入式传感器，有效的降低了传统超声检测中耦合剂的非线性对实验结果非线性的影响。而且操作简单，结果准确。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

利用基于嵌入式超声传感器的土体最优含水率检测方法，本发明的技术主要由三部分构成：超声检测系统；嵌入式压电传感器；以及信号处理系统。

其中，超声检测系统由数字示波器，信号放大器，信号发生器，嵌入式超声换能器，减震海绵，导线等组成，该平台由信号发生器发出连续脉冲串激励较大振幅超声波，由放大器放大10倍后由嵌入式发射换能器进入土体试件，再由嵌入式接收换能器接收超声波，在示波器中转换为电信号进行数据采集。(图1)

其中，嵌入式压电传感器在夯实地基之前已经提前埋入地基土中，且试验所采用的发射探头和接收探头均为中心频率为40kHz的防水型压电传感器，直径14mm，高度8mm，然后设计出保护外壳及固定措施。

其中，信号处理系统包括存储器和便携式计算机。存储器用于存储信号处理器得到的超声信号，便携式计算机通过已有程序对接收的信号进行处理。

本发明的原理：

本发明对于接收的声信号处理是基于非线性超声理论，与传统的超声检测设备具有明显不同，主要是通过土体含水率变化导致，土体材料非线性参数的变化来表征土体含水率的变化。

土的非线性特征一般可在本构关系中引入二阶模量，有

式中,E为一阶材料常数，即为土的杨氏弹性模量，β为二阶非线性系数，即为本发明中用来表征土体含水率的参数。理论研究表明，二阶非线性系数对土体含水率的变化极为敏感，其数值的增加相较于杨氏弹性模量的变化会有1-2个数量级的提高。因此，本发明的关键即为如何快速、准确地测量二阶非线性系数。