一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置，量测装置包括光纤应变传感模块、光纤温度补偿模块和光纤光栅数据解调模块。传动装置包括步进电机、载物台。步进电机推动试样以一定的速度上移并被圆锥探头贯入，光纤应变传感模块和光纤温度补偿模块实时记录贯入过程中传感模块自身的应变和环境温度信息，可视化地显示于光纤光栅数据解调模块上并籍此得到土样的界限含水率。本发明专利技术的固定式探头可测量多种界限含水率，包括液限、塑限、缩限等，还可提高测试效率并解决常规测量技术操作难度高、人为因素扰动大等问题。基于光纤传感技术的超高动态性和实时性，本发明专利技术可校验试样土样内部差异，提高测试结果准确性。

A method and device for determining the limit moisture content of clay with a fixed probe based on optical fiber sensor

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置
本专利技术涉及土壤工程性质测试技术以及光纤传感
，具体涉及一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置。
技术介绍
随着含水率的变化，土壤呈现出不同的物理相态阶段，从湿到干，依次有粘滞、塑性、酥性、刚性等结持度，从干到湿则其呈现的次序反之。在每两种结持度阶段的转折处，均分别有一个显明的分界点含水率，即结持限。其中液、塑限的应用最为广泛。液限是土壤呈液态流动的最低含水率。它是粘滞结持度与塑性结持度的分界点含水率。又称上塑限。此点的土-水吸力约为320千帕。在土质学、土力学和土工工程中，根据液限的高低，把土壤分为高塑性(LL＞50％)、中等塑性(LL为35％—50％)和低塑性(LL＜35％)等。还可根据其质地和有机质含量进一步细分，如按照卡萨柯兰德塑性图的分类。塑限是塑性结持度和酥性结持度的分界点含水率。在塑限时，土壤水分的数量恰恰足以形成土粒周围的水膜，水膜粘结性大，在外力作用下带水膜的片状粘粒可相互滑动而定向排列起来，塑造成一定的形状，而当外力撤除后仍可保持。测定液限的方法较多，国际上以卡萨柯兰德杯碟法作为标准方法，国内长期使用的是圆锥仪法，圆锥仪法操作简单，所测数据比较稳定，标准易于统一。塑限的测定方法简易而常用的是搓条法。该方法最大的缺点是人为因素影响大，测值比较分散，所的成果的再现性和可比性较差。除此之外，自20世纪70年代后期，国家原水利电力部、冶金部和交通部公路系统进行了大量的比较试验。经过多年的经验积累和对比试验，对卡萨柯兰德杯碟法和搓条法进行了相关分析，确定了圆锥仪测定液限和塑限等效贯入深度，建立了液塑限联合测定方法。联合测定法的理论依据是圆锥入土深度与相应的含水率在双对数坐标上具有直线对应关系。然而，这种方法在实际操作过程中也有一些问题。比如，三皿法试样均匀性不好保证，低液限粉土的时间效应对测定结果的影响等等。近年来分布式光纤传感(DFOS)技术发展迅速，并在探测混凝土、沥青等材料的开裂，以及一些基础土工试验中，得到了一些成功的应用。借助准分布式光纤布拉格光栅(FBG)、全分布式布里渊光时域反射(BOTDR)和布里渊光时域分析(BOTDA)等监测技术，可以自动获取沿光纤长度方向上应变、温度等监测信息的分布情况。其中，FBG技术因其体积小、测量精度高、动态响应灵敏性好等特点吸引了相关技术行业广泛的关注，其应变、温度测量精度能达到1με和0.1℃，数据采集频率高达MHz水平，在时效性和精度上有很大的优势，故该项技术的在土体测试和工程监测中的应用十分广泛，目前该技术尚未在黏土液塑限测定中被很好地利用。基于FBG技术，可以快速并精确地测量黏土的液塑限指标，解决现有测量技术操作难度高、人为因素扰动大以及测试结果不准确等问题。同时，本专利技术的动态性和实时性有助于校验试样内部的差异性，消除不规范制样引起的测量误差。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的方法与装置。利用本专利技术能快速并精确地测量黏土的液塑限指标，解决现有测量技术操作难度高、人为因素扰动大以及测试结果不准确等问题。同时，本专利技术的动态性和实时性有助于校验试样内部的差异性，消除不规范制样引起的测量误差。本专利技术采用了如下技术方案：一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，包括机箱外壳，机箱外壳底座上固定连接步进电机，步进电机通过传动轴与上面的载物台连接，试样盒自由放置于载物台上，试样盒悬空设置圆锥探头，圆锥探头通过垂向传力结构与光纤温度补偿模块连接，光纤温度补偿模块与光纤应变传感模块固定连接，光纤应变传感模块固定于机箱外壳顶部，光纤应变传感模块通过光纤连接至光纤光栅数据解调模块。所述的光纤温度补偿模块内部设有第一光纤光栅，第一光纤光栅封装于应变隔离环中。所述的光纤应变传感模块内部设有第二光纤光栅，第二光纤光栅通过环氧树脂紧密封装于光纤应变传感模块中。所述的机箱外壳、光纤应变传感模块以及光纤温度补偿模块内部都设有排纤槽，光纤被环氧树脂固定封装在排纤槽中。所述的步进电机通过传动轴推动载物台以一定的速度向上移动，步进电机的行程小于等于圆锥探头到试样盒底面的距离。基于所述装置的测量黏土液塑限的方法，包括以下步骤：第一步，制备土样：本试验采用天然试样或风干试样，采用风干试样时，将试样过0.5mm筛，用纯水将土样调制为均匀膏状，填入试样盒中，制样过程规范，试样无空隙，并保证土样表面平整；第二步，将试样盒放在载物台上，在圆锥探头锥尖处抹一层凡士林；第三步，打开步进电机，以一定速度推动载物台上的试样向上移动并被圆锥探头贯入，待探头椎体部分完全贯入后，记录光纤光栅数据解调模块显示屏上的测试数据Δλ1、Δλ2、R1和R2，并取部分土样测定含水率；第四步，将全部试样加水调匀，重复以上步骤分别测定第二点、第三点试样的含水率以及对应的光纤测试数据Δλ1、Δλ2、R1和R2；第五步，用标准样进行多组测试，对仪器进行标定。确定出土样含水率与光纤应变差值测量结果的对应关系，根据标定结果制定出适用于该测定装置的应变差值|Δλ2-Δλ1|与含水率的双对数坐标标准表。第六步，确定土体处于某种界限含水率下的抗剪强度对应的应变差值。根据设置的界面剪应力与土样测试结果(即2个以上的|Δλ2-Δλ1|测量值)，用作图法确定出(Δλ2-Δλ1)LL和(Δλ2-Δλ1)PL或者其它界限含水率对应的光纤应变差值。然后在|Δλ2-Δλ1|和含水率双对数坐标标准曲线(第五步标定结果)中，找到对应的含水率，即为土样对应的液限和塑限或者其它界限含水率。具体地，预设好待测界限含水率对应的土体界面剪应力值，将前四部的测定的结果绘制在界面剪应力-光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|图表中，并对测值做线性拟合，然后求出土体界面剪应力值对应的光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|。根据第五步标定出来的适用于该测定装置的应变差值|Δλ2-Δλ1|与含水率的双对数坐标标准表，找到对应于光纤应变差值|Δλ2-Δλ1|的含水率，即为所求的界限含水率。第三步中，光纤光栅数据解调模块按照设置的频率实时采集并显示第一光纤光栅和第二光纤光栅的中心波长变化量，采集完毕后通过内置的程序分别计算得出第一光纤光栅和第二光纤光栅的平均中心波长变化量Δλ1和Δλ2，以及中心波长变化量极差R1和R2。步骤三所述光纤应变数据(Δλ2-Δλ1)与贯入力呈线性关系，通过标定试验获得；贯入力和圆锥探头-土体界面剪切力呈正比例关系，推导过程如下：式中，τ为圆锥探头-土体界面剪应力；F为贯入力；α为圆锥顶角；h为圆锥探头椎体部分高度；C为圆锥系数。根据重塑土抗剪强度与含水率关系，所述圆锥探头-土体界面剪切力对数与土体含水率的对数呈一次函数关系，表达式如下：lgτ＝C2-mlgw式中，τ为土体抗剪强度，土体抗剪强度数值上等于圆锥探头-土体界面剪应力；w为土体含水本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，包括机箱外壳，机箱外壳底座上固定连接步进电机，步进电机通过传动轴与上面的载物台连接，试样盒自由放置于载物台上，试样盒悬空设置圆锥探头，圆锥探头通过垂向传力结构与光纤温度补偿模块连接，光纤温度补偿模块与光纤应变传感模块固定连接，光纤应变传感模块固定于机箱外壳顶部，光纤应变传感模块通过光纤连接至光纤光栅数据解调模块。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤传感的探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，包括机箱外壳，机箱外壳底座上固定连接步进电机，步进电机通过传动轴与上面的载物台连接，试样盒自由放置于载物台上，试样盒悬空设置圆锥探头，圆锥探头通过垂向传力结构与光纤温度补偿模块连接，光纤温度补偿模块与光纤应变传感模块固定连接，光纤应变传感模块固定于机箱外壳顶部，光纤应变传感模块通过光纤连接至光纤光栅数据解调模块。


2.如权利要求1所述的基于光纤传感技术探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，所述的光纤温度补偿模块内部设有第一光纤光栅，第一光纤光栅封装于应变隔离环中。


3.如权利要求1所述的基于光纤传感技术探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，所述的光纤应变传感模块内部设有第二光纤光栅，第二光纤光栅通过环氧树脂紧密封装于光纤应变传感模块中。


4.如权利要求1-3任一所述的基于光纤传感技术探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，所述的机箱外壳、光纤应变传感模块以及光纤温度补偿模块内部都设有排纤槽，光纤被环氧树脂固定封装在排纤槽中。


5.如权利要求1所述的基于光纤传感技术探头固定式联合测定黏土界限含水率的装置，其特征在于，所述的步进电机通过传动轴推动载物台以一定的速度向上移动，步进电机的行程小于等于圆锥探头到试样盒底面的距离。


6.基于权利要求1-5任一装置的测量黏土液塑限的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，制备土样：本试验采用天然试样或风干试样，采用风干试样时，将试样过0.5mm筛，用纯水将土样调制为均匀膏状，填入试样盒中，制样过程规范，试样无空隙，并保证土样表面平整；
第二步，将试样盒放在载物台上，在圆锥探头锥尖处抹一层凡士林；
第三步，打开步进电机，以一定速度推动载物台上的试样向上移动并被圆锥探头贯入，待探头椎体部分...

【专利技术属性】
技术研发人员：李豪杰，朱鸿鹄，张诚成，程刚，张春新，裴华富，施斌，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32