[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及光纤感测、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。

背景技术

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(distributed temperature sensing,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(active heated fiber optics method,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(passive distributed temperature sensing)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。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明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。

本发明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。