基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其系统包括地面数据传输终端、计算机和用于置入土体中的温度及电阻率检测装置，温度及电阻率检测装置包括一个检测单元或多个上下叠放的检测单元，检测单元包括套管和数据采集电路板，数据采集电路板上集成有数据采集传输电路和电源线；数据采集传输电路包括第一微处理器、第一数据存储器、第一无线通信模块、温度测量探头和电阻率测量探头；本发明专利技术还公开了一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测方法。本发明专利技术的实现方便，能够将冻土未冻水含量检测的复杂问题简单化，且测量结果精确，实时性和完整性好，实用性强，使用效果好，便于推广使用。

System and method for detecting unfrozen water content of frozen soil based on variation of soil resistivity

The invention discloses a soil resistivity change of unfrozen water content detection system based on the data transmission system includes a ground terminal, and a computer used for temperature and resistivity in soil of the detection device, temperature and resistivity detection apparatus includes a detection unit or a plurality of stacked vertically the detection unit, detection unit including the casing and the data acquisition circuit, data acquisition circuit board integrated with data acquisition and transmission circuit and power line; data acquisition and transmission circuit includes a first microprocessor, the first data memory, the first wireless communication module, temperature measuring probe and probe resistivity measurement; the invention also discloses a soil resistivity change of unfrozen water content detection based on the method of. The invention has the advantages of convenient realization, simple simplification of the complex problems of detecting unfrozen water content of the frozen soil, accurate measuring results, good real-time and integrity, strong practicability, good use effect, and easy popularization and use.

【技术实现步骤摘要】
基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统及方法
本专利技术属于冻土未冻水含量检测
，具体涉及一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统及方法。
技术介绍
冻土中未冻水在冻土力学中扮演着重要的角色，冻土未冻水含量对土体以及桩基之间的相互作用有重大影响，在针对冻土的研究中，冻土未冻水含量的测定方式一直以来都没有的到系统科学的解释，因此对于学术研究以及工程实践，这是一个亟待解决的问题。目前此领域用到的冻土未冻水含量测试方法主要有核磁共振法、中子自旋回声法、量热法、介电特性法，实验室常用的方法还有测温法，以上所述方法均存在不足或是不合理之处。具体来说，核磁共振法成本造价太高，不能满足实验以及实际工程的要求。中子自旋回声法利用磁共振中的信号来源，在第一个射频脉冲之后会出现自由衰减，通过衰减来判断未冻水含量，其原理复杂，可行性不强。量热法是把具有稳定负温的冻土试样放入正温量热水中使其进行热交换，试样温度与量热水温度达到平衡，其试验仪器操作复杂，且需要一定的热交换时间，因此不能方便，快速测出瞬时未冻水的含量。介电特性法获得待测物质的超宽带脉冲介电响应曲线后，需通过反演算法来确定其介电常数。反演过程中需通过足够多时间点的采样，来建立准确的多维反演模型，准确计算出各成分介电常数、电阻率、孔隙度、含水量等参数。在实际操作中，由于条件限制，各影响因素的考虑还不够完全，因此利用超宽带脉冲介电响应曲线反演模型还不够完善，有所误差。实验室常用的测温法测试结果测得的数据仅是某一冻结起始温度对应的初始含水量，不能说明冻土中未冻水含量随温度的变化过程。所以从测量设备的设计原理和实用科学性两个角度出发，一种能够综合考量冻土未冻水含量变化规律的测试设备是非常有必要的。冻土中未冻水含量变化可从温度的角度来考量，温度下降会导致土体中原有水的冻结，温度上升会导致土体中原有冰的融化，这两种变化都会导致未冻水含量的变化，而这个变化用实验证明最直接的方式便是电阻率，在零摄氏度以上，温度变化会导致土体内冰融化水分蒸发，使得自由水含量降低，从而使得土体电阻率变化，在零摄氏度以下，温度变化会引起土体自由水冻结导致含水量的变化从而使得土体电阻率变化，因此如果能够确定出温度、电阻率和未冻水含水量之间的关系，并利用测温度和电阻率来获知未冻水含水量，将很好地解决未冻水含水量测量的技术难题，但是，现有技术中，还缺乏合适的检测系统及方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种结构简单、实现方便、能够将冻土未冻水含量检测的复杂问题简单化、且测量结果精确、实用性强、使用效果好、便于推广使用的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：包括地面数据传输终端、计算机和用于置入土体中的温度及电阻率检测装置，所述温度及电阻率检测装置包括一个检测单元或多个上下叠放的检测单元，所述检测单元包括套管和数据采集电路板，所述套管由从上到下一体成型的第一套管、第二套管和第三套管组成，所述第一套管的外径小于第二套管的外径，所述第二套管的外径与第三套管的外径相等，所述第二套管的内径小于第三套管的内径，所述第一套管的外壁上设置有外螺纹，所述第三套管的内壁上设置有内螺纹，当所述检测单元的数量为多个时上下相邻的两个检测单元通过第一套管与第三套管螺纹连接的方式相连接，所述数据采集电路板设置在第二套管与第三套管的过渡处，所述数据采集电路板上集成有数据采集传输电路和用于连接外部供电电源为数据采集传输电路中各用电模块供电的电源线，所述电源线的一端向上沿第二套管的内壁和第一套管的内壁引出到第一套管顶部且连接有第一导电片，所述电源线的另一端连接有位于数据采集电路板底部且用于在将第三套管与第一套管螺纹连接时与第一导电片对接的第二导电片,所述数据采集传输电路包括第一微处理器以及与第一微处理器相接的第一数据存储器和第一无线通信模块,所述数据采集电路板上固定连接有多根伸出第二套管并向下竖直弯折的温度测量探头安装管和多根伸出第二套管并向下竖直弯折的电阻率测量探头安装管,所述温度测量探头安装管的竖直段内设置有与第一微处理器的输入端连接的温度测量探头,所述电阻率测量探头安装管的竖直段内设置有与第一微处理器的输入端连接的电阻率测量探头；所述地面数据传输终端包括第二微处理器以及与第二微处理器相接的第二数据存储器、用于与计算机连接并通信的USB通信电路模块和用于与第一无线通信模块无线连接并通信的第二无线通信模块。上述的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：所述温度测量探头安装管的数量和电阻率测量探头安装管的数量均为四根，四根温度测量探头安装管和四根电阻率测量探头安装管均匀设置在数据采集电路板上，所述温度测量探头安装管和电阻率测量探头安装管相互间隔设置。上述的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：所述第一套管与第二套管的过渡处设置有顶板，所述电源线穿过所述顶板。上述的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：所述第一微处理器为单片机。本专利技术还公开了一种方法步骤简单、设计合理、实现方便的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、根据待测量冻土的高度选择检测单元的个数；步骤二、当检测单元的个数为一个时，直接将检测单元置入土体中；当检测单元的个数为多个时，先将多个检测单元连接为一个整体，再将连接为一个整体的多个检测单元置入土体中，并将温度测量探头安装管的竖直段和电阻率测量探头安装管的竖直段均调整为竖直向下；或者，先将一个检测单元置入土体中，再连接上部的一个检测单元，直至将所有的检测单元连接并置入土体中，并将温度测量探头安装管的竖直段和电阻率测量探头安装管的竖直段均调整为竖直向下；步骤三、将第一导电片与外部电源的输出端连接；步骤四、检测单元中的第一微处理器对温度测量探头检测到的温度进行周期性采集，并对电阻率测量探头检测到的电阻率进行周期性采集，将采集到的温度数据和电阻率数据存储到第一数据存储器中，并通过第一无线通信模块发送给地面数据传输终端，地面数据传输终端中的第二微处理器通过第二无线通信模块接收第一微处理器发送的温度数据和电阻率数据，存储在第二数据存储器中，并通过USB通信电路模块发送给计算机；步骤五、计算机将温度数据和电阻率数据输入预先通过进行实验并处理实验数据获得的冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型中，获得冻土未冻水含量。上述的方法，其特征在于：步骤五中所述预先通过进行实验并处理实验数据获得冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型的方法包括以下步骤：步骤501、准备实验设备，所述实验设备包括土样盒、交流调压电源、电流表、电压表、真空干燥箱、电子天平、冷冻箱和温度测量仪，所述温度测量仪上连接有温度测量探头，所述土样盒的左右两侧侧壁上均设置有能够与土样盒内的土样两端接触的导电片，所述土样盒的前壁和/或后壁上设置有供温度测量探头插入的温度测量探头孔；步骤502、进行烘干条件实验，测得正温段土样电阻率与瞬时含水率的关系，具体过程为：步骤5021、连接实验设备：将电流表的正极与交流调压电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：包括地面数据传输终端(3)、计算机(2)和用于置入土体中的温度及电阻率检测装置(4)，所述温度及电阻率检测装置(4)包括一个检测单元(1)或多个上下叠放的检测单元(1)，所述检测单元(1)包括套管(1‑1)和数据采集电路板(1‑2)，所述套管由从上到下一体成型的第一套管(1‑1)、第二套管(1‑10)和第三套管(1‑11)组成，所述第一套管(1‑1)的外径小于第二套管(1‑10)的外径，所述第二套管(1‑10)的外径与第三套管(1‑11)的外径相等，所述第二套管(1‑10)的内径小于第三套管(1‑11)的内径，所述第一套管(1‑1)的外壁上设置有外螺纹，所述第三套管(1‑11)的内壁上设置有内螺纹，当所述检测单元(1)的数量为多个时上下相邻的两个检测单元(1)通过第一套管(1‑1)与第三套管(1‑11)螺纹连接的方式相连接，所述数据采集电路板(1‑2)设置在第二套管(1‑10)与第三套管(1‑11)的过渡处，所述数据采集电路板(1‑2)上集成有数据采集传输电路(1‑3)和用于连接外部供电电源(5)为数据采集传输电路(1‑3)中各用电模块供电的电源线(1‑4)，所述电源线(1‑4)的一端向上沿第二套管(1‑10)的内壁和第一套管(1‑1)的内壁引出到第一套管(1‑1)顶部且连接有第一导电片(1‑5)，所述电源线(1‑4)的另一端连接有位于数据采集电路板(1‑2)底部且用于在将第三套管(1‑11)与第一套管(1‑1)螺纹连接时与第一导电片(1‑5)对接的第二导电片(1‑6),所述数据采集传输电路(1‑3)包括第一微处理器(1‑31)以及与第一微处理器(1‑31)相接的第一数据存储器(1‑32)和第一无线通信模块(1‑33),所述数据采集电路板(1‑2)上固定连接有多根伸出第二套管(1‑10)并向下竖直弯折的温度测量探头安装管(1‑7)和多根伸出第二套管(1‑10)并向下竖直弯折的电阻率测量探头安装管(1‑8),所述温度测量探头安装管(1‑7)的竖直段内设置有与第一微处理器(1‑31)的输入端连接的温度测量探头(1‑34),所述电阻率测量探头安装管(1‑8)的竖直段内设置有与第一微处理器(1‑31)的输入端连接的电阻率测量探头(1‑35)；所述地面数据传输终端(3)包括第二微处理器(3‑1)以及与第二微处理器(3‑1)相接的第二数据存储器(3‑2)、用于与计算机(2)连接并通信的USB通信电路模块(3‑3)和用于与第一无线通信模块(1‑33)无线连接并通信的第二无线通信模块(3‑4)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：包括地面数据传输终端(3)、计算机(2)和用于置入土体中的温度及电阻率检测装置(4)，所述温度及电阻率检测装置(4)包括一个检测单元(1)或多个上下叠放的检测单元(1)，所述检测单元(1)包括套管(1-1)和数据采集电路板(1-2)，所述套管由从上到下一体成型的第一套管(1-1)、第二套管(1-10)和第三套管(1-11)组成，所述第一套管(1-1)的外径小于第二套管(1-10)的外径，所述第二套管(1-10)的外径与第三套管(1-11)的外径相等，所述第二套管(1-10)的内径小于第三套管(1-11)的内径，所述第一套管(1-1)的外壁上设置有外螺纹，所述第三套管(1-11)的内壁上设置有内螺纹，当所述检测单元(1)的数量为多个时上下相邻的两个检测单元(1)通过第一套管(1-1)与第三套管(1-11)螺纹连接的方式相连接，所述数据采集电路板(1-2)设置在第二套管(1-10)与第三套管(1-11)的过渡处，所述数据采集电路板(1-2)上集成有数据采集传输电路(1-3)和用于连接外部供电电源(5)为数据采集传输电路(1-3)中各用电模块供电的电源线(1-4)，所述电源线(1-4)的一端向上沿第二套管(1-10)的内壁和第一套管(1-1)的内壁引出到第一套管(1-1)顶部且连接有第一导电片(1-5)，所述电源线(1-4)的另一端连接有位于数据采集电路板(1-2)底部且用于在将第三套管(1-11)与第一套管(1-1)螺纹连接时与第一导电片(1-5)对接的第二导电片(1-6),所述数据采集传输电路(1-3)包括第一微处理器(1-31)以及与第一微处理器(1-31)相接的第一数据存储器(1-32)和第一无线通信模块(1-33),所述数据采集电路板(1-2)上固定连接有多根伸出第二套管(1-10)并向下竖直弯折的温度测量探头安装管(1-7)和多根伸出第二套管(1-10)并向下竖直弯折的电阻率测量探头安装管(1-8),所述温度测量探头安装管(1-7)的竖直段内设置有与第一微处理器(1-31)的输入端连接的温度测量探头(1-34),所述电阻率测量探头安装管(1-8)的竖直段内设置有与第一微处理器(1-31)的输入端连接的电阻率测量探头(1-35)；所述地面数据传输终端(3)包括第二微处理器(3-1)以及与第二微处理器(3-1)相接的第二数据存储器(3-2)、用于与计算机(2)连接并通信的USB通信电路模块(3-3)和用于与第一无线通信模块(1-33)无线连接并通信的第二无线通信模块(3-4)。2.按照权利要求1所述的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：所述温度测量探头安装管(1-7)的数量和电阻率测量探头安装管(1-8)的数量均为四根，四根温度测量探头安装管(1-7)和四根电阻率测量探头安装管(1-8)均匀设置在数据采集电路板(1-2)上，所述温度测量探头安装管(1-7)和电阻率测量探头安装管(1-8)相互间隔设置。3.按照权利要求1所述的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：所述第一套管(1-1)与第二套管(1-10)的过渡处设置有顶板(1-9)，所述电源线(1-4)穿过所述顶板(1-9)。4.按照权利要求1所述的基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测系统，其特征在于：所述第一微处理器(1-31)为单片机。5.一种利用如权利要求1所述的装置进行基于土体电阻率变化的冻土未冻水含量检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、根据待测量冻土的高度选择检测单元(1)的个数；步骤二、当检测单元(1)的个数为一个时，直接将检测单元(1)置入土体中；当检测单元(1)的个数为多个时，先将多个检测单元(1)连接为一个整体，再将连接为一个整体的多个检测单元(1)置入土体中，并将温度测量探头安装管(1-7)的竖直段和电阻率测量探头安装管(1-8)的竖直段均调整为竖直向下；或者，先将一个检测单元(1)置入土体中，再连接上部的一个检测单元(1)，直至将所有的检测单元(1)连接并置入土体中，并将温度测量探头安装管(1-7)的竖直段和电阻率测量探头安装管(1-8)的竖直段均调整为竖直向下；步骤三、将第一导电片(1-5)与外部电源的输出端连接；步骤四、检测单元(1)中的第一微处理器(1-31)对温度测量探头(1-34)检测到的温度进行周期性采集，并对电阻率测量探头(1-35)检测到的电阻率进行周期性采集，将采集到的温度数据和电阻率数据存储到第一数据存储器(1-32)中，并通过第一无线通信模块(1-33)发送给地面数据传输终端(3)，地面数据传输终端(3)中的第二微处理器(3-1)通过第二无线通信模块(3-4)接收第一微处理器(1-31)发送的温度数据和电阻率数据，存储在第二数据存储器(3-2)中，并通过USB通信电路模块(3-3)发送给计算机(2)；步骤五、计算机(2)将温度数据和电阻率数据输入预先通过进行实验并处理实验数据获得的冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型中，获得冻土未冻水含量。6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤五中所述预先通过进行实验并处理实验数据获得冻土电阻率和温度与冻土未冻水含量的关系模型的方法包括以下步骤：步骤501、准备实验设备，所述实验设备包括土样盒(6)、交流调压电源(7)、电流表(8)、电压表(9)、真空干燥箱、电子天平、冷冻箱和温度测量仪，所述温度测量仪上连接有温度测量探头，所述土样盒(6)的左右两侧侧壁上均设置有能够与土样盒(6)内的土样两端接触的导电片(10)，所述土样盒(6)的前壁和/或后壁上设置有供温度测量探头插入的温度测量探头孔；步骤502、进行烘干条件实验，测得正温段土样电阻率与瞬时含水率的关系，具体过程为：步骤5021、连接实验设备：将电流表(8)的正极与交流调压电源(7)的正极输出端连接，在电流表(8)的负极上通过导线连接导电片(10)，在交流调压电源(7)的负极输出端通过导线连接导电片(10)；并将电压表(9)的正极与与电流表(8)的负极连接的导电片(10)连接，将与与交流调压电源(7)的负极连接的导电片(10)连接；步骤5022、将电子天平放入温度不超过40℃的真空干燥箱内，并在电子天平上放上土样支架，将此时电子天平的读数记录为土样支架的质量，再分别将多个不同初始含水率的土样放在土样盒(6)中，待土样稳定成型后去除土样盒(6)，通过皮筋将与电流表(8)的负极连接的导电片(10)和与交流调压电源(7)的负极连接的导电片(10)分别固定在土样左右两侧，然后将土样置入真空干燥箱内并放在土样支架上；每次置入土样，都将置入土样时电子天平的读数记录为土样初始质量，并以电子天平读数每减少m质量为一个记录点记录瞬时质量、电压表(9)的示数U和电流表(8)的示数I；再根据公式计算得到土样含水率θ；并根据公式计算得到每次记录的土样含水率θ对应的土样电阻率ρ；其中，C为干土的质量且...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐丽云，王柯，杨更社，奚家米，王杰，邱培勇，王伯超，王晓刚，徐屹凡，
申请(专利权)人：西安科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61