一种非侵入式时域反射探头标定方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种非侵入式时域反射探头标定方法及系统，利用不同体积比的乙醇和去离子水混合溶液标定非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度；采用不同浓度的NaCl溶液标定非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数；制备已知不同含水率和密度的压实土样，标定非侵入式时域反射探头所测试土体介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数。本发明专利技术方法不仅确定非侵入式时域反射探头的测试目标介质敏感性，还能够获得探头的波导长度和几何尺寸参数，实现土体含水率和密度的精确测试，本发明专利技术标定方法理论清晰，标定结果精确，适用范围广，技术可靠，操作方便，实用性强，是岩土工程测量仪器标定技术领域的一种新手段。段。段。

【技术实现步骤摘要】
一种非侵入式时域反射探头标定方法及系统


[0001]本专利技术属于岩土工程测量仪器标定
，具体涉及一种非侵入式时域反射探头标定方法及系统。

技术介绍

[0002]时域反射技术作为一种可同时测量土体含水率和密度的技术，被广泛应用于岩土工程、土壤学等学科。随着工程应用的推广，作为时域反射技术重要组成部分的时域反射探头得以迅速发展。按照测试方式，时域反射探头可分为侵入式和非侵入式。对于侵入式探头，按照设计形式和测试目的可分为定点式和贯入式。定点式探头(如：同轴式、两针式、两板式和三针式等)只能埋入土体表层进行固定点位的土体含水率和密度测试；贯入式探头可连续测试不同深度土体的含水率和密度。侵入式探头测试过程中需插入土体，造成被测土体的挤压(“挤土效应”)，进而产生测试误差。对于非侵入式探头(如：电路板式)，因其测试过程中不需插入土体，因此克服了侵入式探头的“挤土效应”问题。然而，对于非侵入式时域反射探头，测试前的标定程序是保证土体含水率和密度测试结果可靠性的前提。
[0003]目前，已知时域反射技术测试土体含水率和密度的标定程序主要针对侵入式探头。其标定程序主要包括：探头的波导长度和几何尺寸参数标定、土体介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数标定。对于侵入式探头测试土体含水率和密度的标定，首先采用去离子水标定探头的波导长度；随后利用不同浓度NaCl溶液标定探头的波导几何尺寸参数；最后采用已知不同含水率和密度的压实土样标定土体介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数。该标定程序虽简便、成熟，但并不适用于非侵入式时域反射探头。这主要是由于非侵入式时域反射探头将波导附着于电路板基材上，上述设计方式使测试过程中探头免于插入土体，同时也造成了探头有效测试范围内同时包含目标土体和电路板基材。因此，为准确测试土体含水率和密度，需科学设计标定程序，去除非侵入式时域反射探头中电路板基材对测试结果的影响。
[0004]综上所述，现有针对侵入式时域反射探头测试土体含水率和密度的标定程序较为成熟，但并不适用于非侵入式时域反射探头。

技术实现思路

[0005]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，提供一种非侵入式时域反射探头标定方法及系统，用于解决非侵入式时域反射探头无法准确测试土体含水率和密度标定的技术问题。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种非侵入式时域反射探头标定方法，利用不同体积比的乙醇和去离子水混合溶液计算非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度；基于测试目标介质权重系数，采用不同浓度的NaCl溶液标定非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数；制备已知不同含水率和密度的压实土样，基于非侵入式时域反射探头的波导长度和波导几何尺
寸参数，标定压实土样介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数。
[0008]具体的，步骤S1具体为：
[0009]S101、将乙醇和去离子水混合配置成至少4组不同浓度的混合溶液，随后采用侵入式时域反射探头和非侵入式时域反射探头分别测试不同浓度混合溶液的时域反射波形图，最后根据侵入式时域反射探头测试的时域反射波形图计算混合溶液的介电常数，并从非侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图中获取电磁波沿波导的传播时间Δt
e
；
[0010]S102、根据介电混合模型，对非侵入式时域反射探头测试的有效介电常数、侵入式时域反射探头测试的混合溶液介电常数和电路板基材介质的介电常数进行回归分析，计算得到非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度。
[0011]进一步的，步骤S102中，非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数m和波导长度L
e
分别为：
[0012][0013][0014]其中，K
m
为电路板基材介质的介电常数，a、b为介电混合模型回归分析计算式的拟合参数。
[0015]具体的，步骤S2具体为：
[0016]S201、考虑合理的电导率梯度并配置大于等于4组不同浓度的NaCl溶液，随后采用侵入式时域反射探头和非侵入式时域反射探头分别在恒温下测试NaCl溶液的时域反射波形图，根据侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图计算NaCl溶液的电导率，并从非侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图获取电磁脉冲的初始电压V
e0
和经历多次反射后的稳定电压V
e∞
；
[0017]S202、根据电导率混合模型，对非侵入式时域反射探头测试的有效电导率、侵入式时域反射探头测试的电导率和电路板基材介质的电导率进行回归分析，计算得到非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数C
e
。
[0018]进一步的，步骤S201中，侵入式时域反射探头测试的NaCl溶液电导率EC
s
为：
[0019][0020]其中，C为侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数，V0为侵入式时域反射探头测试电磁脉冲的初始电压，V
∞
为侵入式时域反射探头测试电磁脉冲经历多次反射后的稳定电压。
[0021]进一步的，步骤S202中，非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数C
e
为：
[0022][0023]其中，EC
s
为侵入式时域反射探头测试的NaCl溶液电导率。
[0024]具体的，步骤S3具体为：
[0025]S301、将烘干过筛的土体配置为涵盖测试含水率范围的压实土样，压实土样的数
量大于等于4组，随后结合非侵入式时域反射探头的波导长度和几何尺寸参数，在恒温条件下采用非侵入式时域反射探头测试压实土样的时域反射波形图，并利用介电和电导率混合模型分别计算压实土样的介电常数K
s
和电导率EC
s
；
[0026]S302、利用计算式对经介电和电导率混合模型计算获得的土体介电常数K
s
和电导率EC
s
与含水率和密度进行回归分析，得到标定参数a1、b1、c1、d1。
[0027]进一步的，步骤S301中，压实土样的介电常数K
s
和电导率EC
s
分别为：
[0028][0029][0030]其中，K
e
为非侵入式时域反射探头测试的有效介电常数，m为非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数，K
m
为电路板基材介质的介电常数，V
e0
为非侵入时域反射探头测试电磁脉冲的初始电压，V
e∞
为非侵入时域反射探头测试电磁脉冲经历多次反射后的稳定电压，C
e
为非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数。
[0031]进一步的，步骤S302中，压实土样的体积含水率θ和土体密度ρ
c
计算如下：
[0032][0033][0034]第二方面，本专利技术实施例提供了一种非侵入式时域反射探头标定本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种非侵入式时域反射探头标定方法，其特征在于，利用不同体积比的乙醇和去离子水混合溶液计算非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度；基于测试目标介质权重系数，采用不同浓度的NaCl溶液标定非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数；制备已知不同含水率和密度的压实土样，基于非侵入式时域反射探头的波导长度和波导几何尺寸参数，标定压实土样介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数。2.根据权利要求1所述的非侵入式时域反射探头标定方法，其特征在于，步骤S1具体为：S101、将乙醇和去离子水混合配置成至少4组不同浓度的混合溶液，随后采用侵入式时域反射探头和非侵入式时域反射探头分别测试不同浓度混合溶液的时域反射波形图，最后根据侵入式时域反射探头测试的时域反射波形图计算混合溶液的介电常数，并从非侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图中获取电磁波沿波导的传播时间Δt
e
；S102、根据介电混合模型，对非侵入式时域反射探头测试的有效介电常数、侵入式时域反射探头测试的混合溶液介电常数和电路板基材介质的介电常数进行回归分析，计算得到非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度。3.根据权利要求2所述的非侵入式时域反射探头标定方法，其特征在于，步骤S102中，非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数m和波导长度L
e
分别为：分别为：其中，K
m
为电路板基材介质的介电常数，a、b为介电混合模型回归分析计算式的拟合参数。4.根据权利要求1所述的非侵入式时域反射探头标定方法，其特征在于，步骤S2具体为：S201、考虑合理的电导率梯度并配置大于等于4组不同浓度的NaCl溶液，随后采用侵入式时域反射探头和非侵入式时域反射探头分别在恒温下测试NaCl溶液的时域反射波形图，根据侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图计算NaCl溶液的电导率，并从非侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图获取电磁脉冲的初始电压V
e0
和经历多次反射后的稳定电压V
e∞
；S202、根据电导率混合模型，对非侵入式时域反射探头测试的有效电导率、侵入式时域反射探头测试的电导率和电路板基材介质的电导率进行回归分析，计算得到非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数C
e
。5.根据权利要求4所述的非侵入式时域反射探头标定方法，其特征在于，步骤S201中，侵入式时域反射探头测试的NaCl溶液电导率EC
s
为：其中，C为侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数，V0为侵入式时域反射探头测试电磁脉冲...

【专利技术属性】
技术研发人员：穆青翼，郑建国，孟龙龙，曹杰，周超，刘芬良，
申请(专利权)人：机械工业勘察设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：