[发明专利]一种不同水分含量下土壤电阻非线性特性的试验方法

摘要

一种不同水分含量下土壤电阻非线性特性的试验方法，试验方法包括搭建不同水分含量下土壤电阻非线性特性的试验平台；试验平台的冲击电流发生器输出端连接到分压器的高压端，分压器的高压端连接到左铜电极；右铜电极通过冲击电流发生器的接地端连接到接地装置；电流采集模块用于测量流经左铜电极和右铜电极的电流。还包括进行土壤填充以及含水量设定、测量土壤样品在当前含水量时的电压与电流和评估土壤电阻非线性特性等步骤。本发明可以精确控制土壤水分含量稳定在试验设定值，有利于研究水分含量与土壤电阻非线性特性之间的关联性，进而有效评估出该水分含量下土壤试品电阻的非线性特性。

主权项

1.一种不同水分含量下土壤电阻非线性特性的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：搭建不同水分含量下土壤电阻非线性特性的试验平台，试验平台包括土壤箱(06)；土壤箱(06)上面板设有一字槽螺钉(02)；土壤箱(06)上壁设置有滴灌装置(08)；土壤箱(06)左侧壁设置有左铜电极(05)；土壤箱(06)右侧壁设置有右铜电极(07)；左铜电极(05)和右铜电极(07)均为竖直圆盘，且紧贴左右侧壁；土壤箱的左上部、右上部、左下部和右下部还分别设置有第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d)；土壤箱(06)以外的装置包括电缆接头(03)、接地装置(11)、冲击电流发生器(12)、分压器(13)、水分分析仪(14)、数字控制器(15)、电流采集模块(17)、上位机(18)、高压电缆(19)以及铜导线(20)；其中：第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d)分别连接到水分分析仪(14)的输入端，水分分析仪(14)的输出端分别连接到数字控制器(15)和上位机(18)；数字控制器(15)连接到滴灌装置(08)；冲击电流发生器(12)输出端连接到分压器(13)的高压端，分压器(13)的高压端通过高压电缆(19)和电缆接头(03)连接到左铜电极(05)；右铜电极(07)通过铜导线(20)连接到冲击电流发生器(12)的接地端，接地端连接到接地装置(11)；分压器(13)的接地端也连接到接地装置(11)，分压器(13)的通信端连接到上位机(18)；电流采集模块(17)通信端连接到上位机(18)，电流采集模块(17)测试端连接到铜导线(20)；第二步：进行土壤填充以及含水量设定：拧松一字槽螺钉(02)，打开土壤箱(06)的上面板，填充土壤样品，使土壤充满整个土壤箱(06)，之后盖住上面板，拧紧一字槽螺钉(02)；第一水分传感器(01a)、第二水分传感器(01b)、第三水分传感器(01c)和第四水分传感器(01d)将采集的信号传输给水分分析仪(14)，水分分析仪(14)计算出平均含水量，用以监测土壤箱(06)内土壤样品的含水量；设定试验含水量为H％，若含水量超过设定含水量上限H_H％，则通过数字控制器(15)断开滴灌装置(08)，若含水量低于设定含水量下限H_L％，则通过数字控制器(15)启动滴灌装置(08)向土壤中均匀缓慢注入蒸馏水，使土壤箱(06)中土壤样品的含水量在设定含水量H％的误差允许范围内；第三步：测试土壤样品在当前含水量H％时的电压与电流：开启冲击电流发生器(12)，通过分压器(13)测量左铜电极(05)和右铜电极(07)间的电压并传输给上位机(18)；通过电流采集模块(17)测量流经左铜电极(05)和右铜电极(07)的电流并传输给上位机(18)；第四步：评估土壤电阻非线性特性：通过上位机(18)得到的电压和电流，获取土壤电阻非线性特性全时域R(t)波形曲线，并提取出电阻最小值R(t)_min、电阻最大值R(t)_max、下降时间Δt₁以及有效恢复时间Δt₂，上位机(18)根据全时域R(t)波形曲线与当前试验水分含量对土壤进行电阻非线性特性评估；计算土壤在冲击电流下的平均下降速率k：式中，R(t)_min为R(t)波形曲线中电阻最小值，R(t)_max为R(t)波形曲线中电阻最大值，Δt₁表示R(t)从最大值R(t)_max下降到最小值R(t)_min的时间间隔；计算R(t)_min与k的复合评判因子q₁：计算R(t)_min与Δt₁的复合评判因子q₂：近似计算最小曲率半径γ：其中，式中，t_m∈[t_a+0.1,t_b)，t_a为R(t)_max对应时刻，t_b为R(t)_min对应时刻，上式表示在R(t)波形曲线下降的时间段内，从t_a+0.1时刻开始，每次间隔0.1μs，计算一次该时刻所对应的曲率半径，直到t_m大于等于t_b时结束，由此可计算出最小曲率半径γ；计算考虑H与最小曲率半径γ的修正系数k₁：式中，H为当前含水量H％的分子部分，γ为最小曲率半径；计算评判余项q₃：q₃＝0.01747log(0.368Δt₁+0.473Δt₂‑41.68)‑0.0343log(R(t)_min+1.2075)式中，Δt₂表示R(t)从R(t)_min上升至有效恢复电阻R(t)_eff的时间；其中R(t)_eff＝R(t)_min+0.8(R(t)_max‑R(t)_min)，R(t)_eff表示R(t)从电阻最小值R(t)_min逐渐恢复，当恢复量为80％最大下降差值(R(t)_max‑R(t)_min)时所对应的电阻值；计算土壤在该冲击电流与水分含量下的土壤电阻非线性特性评判因数q：q＝k₁(q₁+q₂)+q₃当q∈(0,0.25]时，表征土壤电阻非线性特性较弱；当q∈(0.25,0.65]时，表征土壤电阻非线性特性一般；当q∈(0.65,0.9]时，表征土壤电阻非线性特性较强；当q∈(0.9,1]时，表征土壤电阻非线性特性极强；第五步：不同水分含量下土壤电阻非线性特性试验：设定不同试验含水量，在不同设定含水量下，按上述第三步和第四步反复试验，进行不同含水量下土壤电阻非线性特性评估。