[发明专利]一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置及方法

权利要求书

1.一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置，其特征在于：包括陶土棒、应变传感器、光纤光栅解调仪、计算机；陶土棒与应变传感器可拆卸连接，应变传感器与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与计算机连接；所述的陶土棒包括陶土头、亚克力管、橡胶螺纹帽，陶土头和橡胶螺纹帽通过亚克力管连接；所述的应变传感器包括保护壳、保温材料、活塞、弹性钢片、光纤光栅FBG-1和FBG-2还有铠装光纤 ；应变传感器的保护壳内填充有保温材料，弹性钢片在应变传感器内腔中，弹性钢片两端分别固定于活塞和保护壳内壁上，FBG-1黏贴于弹性钢片上；FBG-2与FBG-1平行放置于弹性钢片上，并且无需黏贴于弹性钢片上；在保护壳出口处，FBG-1和FBG-2与铠装光纤相连，并在相连处设置防折套，防折套与保护壳之间未紧密结合，保持保护壳内与大气连通；铠装光纤通过跳线与光纤光栅解调仪相连，活塞设置于与陶土棒相连的那端；所述活塞与保护壳内部接触良好，并在接触面涂抹凡士林以减小摩阻力，从而保证活塞随着土壤基质吸力的变化发生位移。

2.根据权利要求1所述的一种 基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置，其特征在于：所述FBG-2监测环境温度，包括两个作用，一是对弹性钢片在不同环境温度下发生的热胀冷缩变形进行温度补偿，二是对因温度变化引起的FBG-1波长变化进行温度补偿，从而得到FBG-1的真实应变值。

3.根据权利要求1所述的一种 基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置，其特征在于：所述保护壳内部填充的保温材料为聚苯乙烯泡沫或者酚醛泡沫。

4.根据权利要求1所述的一种 基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置，其特征在于：所述光纤光栅解调仪与单个或多个组合装置相连，同时监测土壤中多个部位的基质吸力，所述的组合装置为陶土棒与应变传感器组成。

5.根据权利要求1所述的一种 基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置，其特征在于：所述陶土棒与应变传感器之间的连接方式为螺纹连接。

6.使用权利要求1～5任一所述装置 的一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：将陶土棒加入适量的水，并使其直立，让水浸润陶土头，当见到水从陶土头表面滴出，则表明陶土头已达到饱和状态，此时盖上橡胶螺纹帽，使陶土棒内部为密闭状态，之后将陶土棒埋置土壤一定深度处；

步骤二：静置一段时间，待陶土棒与土壤达到水势平衡，随后启光纤光栅解调仪进行监测；

步骤三：随着土壤基质吸力的变化，应变传感器里的活塞发生位移变化，从而引起弹性钢片和黏贴于弹性钢片的FBG-1产生应变；

步骤四：由光纤光栅解调仪接收FBG的波长信号，通过计算机分析处理数据，包括把波长信号转化成应变和温度值， FBG-2对弹性钢片和FBG-1进行温度补偿处理，从而得到FBG-1的真实应变值；

步骤五：最后通过电子土壤张力计标定实验，建立土壤基质吸力与FBG-1应变值之间的函数关系，得到FBG-1的真实应变值所对应的土壤基质吸力，实现监测土壤基质吸力的目的。

7.根据权利要求6所述的一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测方法，其特征在于：步骤一中的陶土棒沿着垂直于土壤表面方向埋置，并且与周围土壤充分接触，监测的最大深度取决于亚克力管的长度。

8.根据权利要求6所述的一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测方法，其特征在于：步骤三中活塞的位移量、弹性钢片和FBG-1的应变值均随着土壤基质吸力的变化而变化。

9.根据权利要求6所述的一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测方法，其特征在于：步骤五中的电子土壤张力计标定实验是在恒温条件下进行的，将电子土壤张力计和本发明装置的陶土头放置于已烘干土壤的同一层，记录FBG-2测得的温度T为该标定实验温度，当电子土壤张力计的基质吸力和FBG-1的应变值达到稳定时将其记录；随后加水使土壤处于饱和状态，同样记录稳定时的基质吸力和FBG-1应变值；之后在释水作用和蒸发作用下，连续记录若干组稳定时的基质吸力和FBG-1应变值（n=1、2、3…），绘制出土壤基质吸力与FBG-1应变值关系曲线，建立的函数关系为，其中k、b为常数。