原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统和方法技术方案

本发明专利技术公开了一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统和方法，该测试系统包括光电传感测试组件、数据解调分析系统和自给式脉冲供电控制系统；光电传感测试组件包括多个串联连接的光电传感测试单元；光电传感测试单元包括变温超弱光纤光栅传感光缆和多个频域反射探头，频域反射探头与变温超弱光纤光栅传感光缆测点对应。本发明专利技术通过超弱光纤光栅温度传感和频域反射技术，基于脉冲变温和多相热耗散原理，通过冻土温度响应值与土体导热系数、含水率、含冰量之间的关系，实现原位冻土中冰水组分识别以及水分场参数的精准测定，实现冻土冰水组分识别和动态示踪，解决了冻土性质不稳定导致参数难测量的难题，具有扰动小、分布性、实时性、自动化的优点。自动化的优点。自动化的优点。

【技术实现步骤摘要】
原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统和方法


[0001]本专利技术涉及岩土工程、地质工程中冻土含水率、含冰量测量装置和方法，尤其涉及一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统和方法。

技术介绍

[0002]冻土是由土颗粒、冰、未冻水、气体组成的多相复杂体系，其特性与土壤质地、密度、含水率等多种基本物理性质参数有关。其中，土壤温度和以含水率和含冰量为基本参数的土壤水分场参数是冻土区水
‑
热
‑
力耦合理论研究和工程实践所需要的重要信息。然而，由于冻土具有极强的温度敏感性，在环境温度和降雨等天然因素的影响下，原位冻土的温度、含水率和含冰量都处于动态变化，因此这些原位参数的精确测量对于冻土的理论和试验研究具有重要意义。
[0003]目前，原位含水率和含冰量的测量方法主要有介电谱法、热脉冲探针法。介电谱法，包括频域反射法(FDR)和时域反射法(TDR),通过测定土壤的介电常数来间接反映参量。TDR具有响应快、测量精准的优势，但是由于电路复杂、设备较为昂贵，限制其现场应用。相对于TDR而言，FDR由于应用简便、宽量程、可定点连续测量，已经广泛应用于常温非饱和土的水分测量。但是其测量结果易受盐度、温度等外界因素影响，在温度波动较大的冻土区的未冻水测量精度降低，适用性有待进一步提高。
[0004]热脉冲探针法借助土体对热脉冲的响应特征测定其等效导热系数，从而计算出土体的含水率。近年来，基于分布式温度传感(DTS)的主动加热光纤(AHFO)技术是热脉冲法的一种新形式。该方法以线热源模型为基础，在保护光纤的护套或管体中通直流电加热产生热脉冲，光纤作为分布式温度传感器测量土壤的热响应，通过建立温度变化与热物性参数之间的关系实现相关参数的测量，具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、分布式测量空间分辨率高(cm级)的优势，在地质与岩土工程监测领域有着巨大的应用潜力。然而，该项技术的瓶颈主要在于，光缆主动加热方法存在加热时间过长、对土体水分场干扰大、在负温条件下无法有效实现冰水组分辨识的问题，从而造成测试误差过大，阻碍该项技术的应用。
[0005]因此，如何提供一种行之有效的装置和方法，来实现原位冻土含水率、含冰量的精确测量，为冻土区理论和工程实践提供有力支持，成为亟需解决的技术问题。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：针对现有技术中的不足之处，本专利技术提供一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统和方法，实现了冻土冰水组分识别和动态示踪，对原位冻土含水率、含冰量进行精确测量，进而实现了对原位冻土水分场关键参数的实时动态监测，解决了冻土性质不稳定带来的参数难以测量的难题，具有扰动小、分布性、实时性、自动化的优势。
[0007]技术方案：本专利技术原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统包括光电传感测试组件、数据解调分析系统和自给式脉冲供电控制系统；光电传感测试组件包括多个
串联连接的光电传感测试单元；
[0008]光电传感测试单元包括变温超弱光纤光栅传感光缆和多个频域反射探头，频域反射探头与变温超弱光纤光栅传感光缆的测点位置对应。
[0009]光电传感测试单元以水平或垂直方式布设于原位冻土内。
[0010]数据解调分析系统包括数据解调传输装置、数据云端和数据存储分析终端，数据解调传输装置包括高精度光纤解调模块、FDR数据解译模块和数据传输模块；数据传输模块将采集的数据通过数据云端传输至数据存储分析终端。
[0011]自给式脉冲供电控制系统包括风力发电机组、光伏发电系统和智能开关。
[0012]本专利技术原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法包括以下步骤：
[0013](1)将串联连接的光电传感测试单元竖直或水平布设于原位冻土内；
[0014](2)将光电传感测试组件连接至数据解调分析系统和自给式脉冲供电控制系统，通过多个频域反射探头连续采集变温超弱光纤光栅传感光缆的测点处的原位冻土中的波长数据并转换为温度数据，得到原位冻土的初始温度沿深度或距离的空间分布和随时间的变化；
[0015](3)根据原位冻土的初始温度的空间分布和时间的变化确定冻融锋面，并对冻融锋面的位置变化进行定位和追踪，同时界定冻土与未冻土区域；
[0016](4)打开自给式脉冲供电控制系统，以恒定功率P和时间t2对变温超弱光纤光栅传感光缆加热，为原位温度场提供脉冲热源，数据解调分析系统同时记录变温UFBG传感光缆的波长数据和FDR探头的含水率初始数据θ
w
′
，其中，波长数据采集间隔为t3；
[0017](5)根据原位冻土的初始温度、FDR探头的误差分析结果对FDR探头所采集的含水率初始数据进行误差修正，得到修正后的原位冻土的含水率θ
w
；
[0018](6)将变温超弱光纤光栅传感光缆的波长转换为温度信息，得到土体热响应特征参数，从而得到土体等效导热系数λ；具体过程为：
[0019]该变温UFBG传感光缆为稳态线性热源，该变温UFBG传感光缆加热后所测温度的变化ΔT
t
为：
[0020][0021]其中，t为加热时间，q为加热功率，λ为待测土体的导热系数，c为土壤热扩散率相关的常数；
[0022]t1、t2时刻的温度差值为：
[0023][0024]由式(2)推导出土体等效导热系数λ：
[0025][0026](7)结合原位土体的含水率数据θ
w
、等效导热系数λ和土体导热系数理论模型λ＝f(θ
i
，θ
w
)，得到原位冻土的含冰量θ
i
和原位冻土的总含水率θ
t
，其中，土体总含水率θ
t
＝θ
w
+θ
i
；进行原位冻土冰水组分辨识，并通过持续、分布式监测得到原位冻土冰水组分含量的时空分布。在冻结期，水分冻结成冰，原位冻土中含冰量增加，含水率减少，未冻区水分向冻结区迁移，解冻期冰晶融化后含冰量减少含水率增加。
[0027]步骤(1)中，采用钻孔回填的埋设方式将光电联合传感单元竖直布设于原位冻土中，采用开挖槽沟的布设方式将光电联合传感单元水平布设于原位冻土不同深度处。
[0028]步骤(3)中，冻融锋面位置为0℃土体温度位置，土体温度高于0℃的区域为未冻土区域，土体温度低于0℃的区域为冻土区域。
[0029]步骤(5)中，该FDR探头的误差分析结果由室内试验确定，具体步骤如下：
[0030](5.1)从监测现场取样并制备成若干组已知温度、含水率的土壤样品；
[0031](5.2)在土壤样品中置入FDR探头，通过FDR探头采集土壤样品的含水率测量结果；
[0032](5.3)确认不同温度下FDR探头的含水率测量结果与已知含水率之间的误差；
[0033](5.4)建立误差与温度的关系。
[0034]步骤(7)中，将步骤(6)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统，其特征在于：包括光电传感测试组件、数据解调分析系统(5)和自给式脉冲供电控制系统(9)；所述光电传感测试组件包括多个串联连接的光电传感测试单元；所述光电传感测试单元包括变温超弱光纤光栅传感光缆(3)和多个频域反射探头(4)，所述频域反射探头(4)与变温超弱光纤光栅传感光缆(3)的测点位置对应。2.根据权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统，其特征在于：所述光电传感测试单元以水平或垂直方式布设于原位冻土内。3.根据权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统，其特征在于：所述数据解调分析系统(5)包括数据解调传输装置(8)、数据云端(6)和数据存储分析终端(7)，所述数据解调传输装置(8)包括高精度光纤解调模块、FDR数据解译模块和数据传输模块；所述数据传输模块将采集的数据通过数据云端(6)传输至数据存储分析终端(7)。4.根据权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统，其特征在于：所述自给式脉冲供电控制系统(9)包括风力发电机组、光伏发电系统和智能开关。5.一种原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的原位冻土冰水组分辨识与动态示踪的光电测试系统，所述测试方法包括以下步骤：(1)将串联连接的光电传感测试单元竖直或水平布设于原位冻土(12)内；(2)将光电传感测试组件连接至数据解调分析系统(5)和自给式脉冲供电控制系统(9)，通过多个频域反射探头(4)连续采集变温超弱光纤光栅传感光缆(3)的测点处的原位冻土中的波长数据并转换为温度数据，得到原位冻土的初始温度沿深度或距离的空间分布和随时间的变化；(3)根据原位冻土的初始温度的空间分布和时间的变化确定冻融锋面，并对冻融锋面的位置变化进行定位和追踪，同时界定冻土与未冻土区域；(4)打开自给式脉冲供电控制系统(9)，以恒定功率P和时间t2对变温超弱光纤光栅传感光缆(3)加热，为原位温度场提供脉冲热源，数据解调分析系统(5)同时记录变温UFBG传感光缆(3)的波长数据和FDR探头(4)的含水率初始数据θ
w
′
；(5)根据原位冻土(12)的初始温度、FDR探头(4)的误差分析结果对FDR探头(4)所采集的含水率初始数据进行误差修正，得到修正后的原位冻土(12)的含水率θ
w
；(6)将变温超弱光纤光栅传感光缆(3)的波长转换为温度信息，得到土体热响应特征参数，从而得到土体等效导热系数λ；具体过程为：所述变温UFBG传感光缆为稳态线性热源，所述变温UFBG传感光缆加热后所测温度的变化ΔT
t
为：其中，t为加热时间，q为加热功率，λ为待测土体的导热系数，c为土壤热扩散率相关的常数；t1、t2时刻的温度差值为：由式(2)推导出土体等效导热系数λ：
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【专利技术属性】
技术研发人员：朱鸿鹄，吴冰，曹鼎峰，刘天翔，徐靓，程刚，施斌，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：