[发明专利]一种非接触式原状污染土交流阻抗谱测试装置及方法

权利要求书

1.一种非接触式原状污染土交流阻抗谱测试装置，其特征在于：包括用于发射正弦波交流电信号的信号源(1)、矩形铁芯(2)、初级线圈(3)、试样环刀(4)、次级线圈(5)、泄漏电流传感器(6)、电压测定仪(7)、泄漏电流测定仪(8)、电化学工作站(9)、法拉第电磁箱(10)；

所述矩形铁芯(2)的原边缠绕有初级线圈(3)，所述初级线圈(3)与信号源(1)连接，所述矩形铁芯(2)的副边环绕有试样环刀(4)，所述试样环刀(4)包括内环刀(4a)和外环刀(4b)，所述内环刀(4a)和外环刀(4b)之间通过螺栓(4c)连接；所述外环刀(4b)内通过预留孔或者环形槽安装有次级线圈(5)，即试样环刀(4)为圆环形，内环刀(4a)拆开成两个半环形，在半环形对接处有插槽相接，内环刀(4a)由两个半环通过插接方式组成；同理，外环刀(4b)拆开成两个半环形，在半环形对接处有插槽相接，外环刀(4b)也由两个半环通过插接方式组成；而且，外环刀(4b)的两个半环内分别设有次级线圈的穿孔，即半环侧面开有线圈插入孔，半环插接面开有线圈穿出孔；或者整体的外环刀(4b)在其顶面具有放置次级线圈(5)的环形槽；内环刀(4a)和外环刀(4b)之间采用螺栓(4c)组成双环刀结构；螺栓(4c)是通过贯穿外环刀(4b)上的孔与内环刀(4a)上带螺纹的孔连接而达到紧固双环刀结构；次级线圈(5)分为两段的漆包线圈，其一段的端头为插槽，另一段的端头为相应的插头，组装时一段漆包线圈的插槽端从外环刀(4b)的一个半环侧面的线圈插入孔伸入，从其插接面的线圈穿出孔伸出，同理，另一段漆包线圈的插头端从外环刀(4b)的另一个半环侧面的线圈插入孔伸入，从其插接面的线圈穿出孔伸出，然后插槽端和插头端连接后将两段漆包线圈连接，则外环刀(4b)的两个半环侧面的线圈插入孔作为两个线圈引出端，使得次级线圈(5)能够环绕外环刀(4b)一周，两个引出端通过导线连接电压测定仪(7)；所述试样环刀(4)某截面环绕有泄漏电流传感器(6)，所述泄漏电流传感器(6)与泄漏电流测定仪(8)连接；所述电压测定仪(7)和泄漏电流测定仪(8)与电化学工作站(9)输入端连接；所述电化学工作站(9)控制端与信号源(1)控制端连接，所述电化学工作站(9)输出端与外部计算机连接；

所述内环刀(4a)、外环刀(4b)和螺栓(4c)均采用非导电类材料制备；

所述泄漏电流传感器(6)由具有宽频响域的镍铁导磁合金制备，在1MHz～10μHz宽频域内使用；所述泄漏电流传感器(6)环绕试样环刀(4)、且与其保持分离；

矩形铁芯(2)采用高振幅磁导率、低功率损耗的锰锌铁氧体；

所述矩形铁芯(2)、试样环刀(4)及泄漏电流传感器(6)位于法拉第电磁箱(10)内；

具体测试方法如下：

(1)、准备试样环刀(4)，对污染土进行取样；

(2)、测试试样环刀(4)上污染土样的阻抗谱

启动电化学工作站(9)，设置输出正弦波信号的幅值和频率，然后向信号源(1)发送指令，由信号源(1)产生的正弦波信号输入至初级线圈(3)，使得试样环刀(4)内的污染土样产生环形电压，该电压由环绕在试样环刀(4)内的次级线圈(5)测量；泄漏电流传感器(6)安装在试样环刀(4)的一个截面上，用于测量次级线圈(5)和试样环刀(4)中的电流；试样环刀(4)中的电压和电流分别通过电压测定仪(7)和泄漏电流测定仪(8)测量后输入至电化学工作站(9)后输入至外部计算机的Zview电路拟合软件；

(3)、分析数据；

3.1、在Zview电路拟合软件中获得交流阻抗曲线的Nyquist图和Bode图之后，进行阻抗谱分析并数据拟合得出等效电路模型；

3.2、等效电路由电荷传递电阻R_t与扩散电阻R_w串联后与双电层电容C并联表示，具体为：

电阻R_L、R₁＝R_t+R_w、双电层电容C的阻抗为：

Z_RL＝R_L

Z_R1＝R₁

Z_C＝1/jωC

其中，C为土颗粒表面双电层电容，R_t为电荷传递电阻，R_w为扩散电阻，R_L为孔隙溶液电阻；

根据计算，电阻R₁与电容C并联的阻抗为：

阻抗的实部Z'和虚部Z”分别为：

经整理后得到：

这一等效电路阻抗的模值为：

所测试的交流阻抗谱特性和等效电路参数会随着污染土理化性质变化而变化，通过比较相同测试条件下不同污染土样的Nyquist图中曲线与阻抗实部的交点和曲线的容抗弧半径，交点越小即R_L越小、容抗弧的半径越小即R_t越小，低频直线段斜率越陡即R_w越小，则表明污染土的腐蚀性越强；反之交点越大、容抗弧的半径越大，低频直线段斜率越缓，则表明污染土的腐蚀性越弱。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式原状污染土交流阻抗谱测试装置，其特征在于：所述法拉第电磁箱(10)为玻璃箱体，其上设有用于线路穿过的孔洞(10a)。