CN109828097B - 一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置及方法，其中测量装置包括外保护壳、上端盖、套环、弹性膜片、测压光栅、测温光栅、进水管、排气管、单向进水阀、单向排气阀和高进气值陶土头；外保护壳内部位于弹性膜片和高进气值陶土板之间形成中空腔，中空腔内装有无气水；测压光栅通过两个对称设置的光栅固定柱固定于弹性膜片上，测温光栅外套设有保护毛细管，毛细管粘贴在上端盖上；高进气值陶土头与套环下部固定连接，形成可与外保护壳分离的拆卸结构。本发明装置能够对一定区域和深度范围土壤含水量进行远距离连续测量，且装配简便、便于组网，同时该装置的测量方法简单可行，且容易被一般工程人员所掌握。

Description

一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置及方法

技术领域

本发明涉及到一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置及方法，属于土壤性质测定工具技术领域。

背景技术

土壤含水量对土体强度、变形和渗透等特性有着重要的影响，而且土壤含水量具有很强的时空变异性，是土壤性质研究中的主要指标之一。目前，应用较为广泛的土壤含水量测量方法包括：烘干法、中子法、频域反射法(FDR)、时域反射法(TDR)、红外感测法、遥感影像法、张力计法等。其中，烘干法是最直接且最精确的方法，但耗时较长，对土壤有一定的破坏性，且不适合长期定点连续监测；中子法克服了烘干法的一些缺点，可满足对一定区域和深度的土体含水量进行连续测量的要求，但中子存在潜在的辐射；TDR和FDR测量精度较高，无放射性且适于长期定点观测，但TDR测量的含水量是整个探针长度的平均土壤含水量，所以在一定的土壤区域内，不同的埋置方式会导致测量结果的差异；FDR在使用过程中对导管的安装要求较高，土壤和导管外壁不能存在间隙，因为间隙会影响测量结果的准确性。并且TDR和FDR含水量测量技术抗电磁干扰性弱，不适合在受磁场影响区域工作。红外感测法、遥感影像法可实现对某个地区土体表面含水状况作大概的估计，但难以对深部土体的含水量进行精确测量。传统的张力计法由于操作相对简单而使用较多，但只能测定某一深度处的平均含水量，无法实现不同深度处含水量的测量。因此，研发一种易于安装到土体深部，并且可远距离连续测量土壤含水量的方法显得至关重要，对于工程建设具有重要意义。

光纤布拉格光栅(FBG)作为一种新兴的传感元器件，其特点为：在受到拉伸或者压缩后，FBG中心波长将发生漂移，且波长的漂移量与光纤的拉、压应变呈线性关系。FBG具有体积小，复用性好，抗电磁干扰性好，易于分布式测量等优点，因此在测量传感领域有着广泛的应用，因此也有人利用其特性进行水含量的测量，例如专利CN201520346667公开了一种基于光纤布拉格光栅的土层含水量测量结构，其充分利用吸水材料的吸水膨胀和失水收缩特性，即根据吸水材料吸水或失水量获取土壤水含量，但是其存在如下的缺点：1.吸水材料膨胀或收缩的形状无法控制，如吸水材料吸水膨胀，有可能是顶部膨胀成拱形，也有可能是平面，同样其失水，也可能出现中部凹陷，两侧凸起的形状，这样导致弹性膜片受力不均，进而导致光纤光强损耗甚至出现啁啾现象，使得测量结果难以保证正确性。2.测量误差较大：吸水材料为固体材料，通过进水口吸水，其初始形变发生在进水口附近，而后水分逐渐扩散至整个吸水材料，这使得吸水材料吸涨时，临近吸水口附近的材料膨胀，即会将整个吸水材料顶起，使得吸水材料与盖板变之间出现间隙，然后水分向其余部位扩散时，吸水口附近的膨胀部位再逐渐收缩，与盖板之间的间隙逐渐减小，这就使得光栅在此受压的过程中受到的压力变化较大。3.材料容易变性，导致测量误差甚至无法测量：吸水可膨胀的材料为高分子材料，其接触空气和不断吸水失水的过程中，很容易由于材料被氧化等原因而导致其膨胀特征降低乃至消失，这导致随时间推移其测量误差逐渐加大，乃至需要更换吸水材料保持其测量性能。4.由于吸水材料为固体，且更换时要保持一个对光栅的预压力，而吸水膨胀的材料也具有一定的弹性，这导致每更换一次吸水材料，就需要重新标定一次测量曲线，作为工业产品非常不实用，无法大批量的生产，因为每个装置均需要做一次测量曲线，工程量太大。5.测量范围有限，吸水膨胀的吸水材料随吸水量的增加，其膨胀率是逐渐减小的，即其膨胀率随得水量及失水量的增加逐渐减小，即其检测的灵敏度逐渐减小，在超过一定范围后，其膨胀率变换量非常小，即出现很明显的平台其，这使得其只适合测量一定范围含水量的土壤，超过此范围则误差会明显加大。同样的，专利201810255193公开的一种测量土体含水率的准分布式系统、传感装置和方法利用亲水橡胶形变测量土壤含水量的装置，由于亲水橡胶的吸水或失水形变的方向、形状等无法控制等特性，也存在上述的缺点。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置及方法，该装置能够对一定区域和深度范围土壤含水量进行远距离连续测量，为各类土体的工程性质研究和应用提供含水量的分布特征及其变化的有效信息。另外，该传感装置具有线性度高、对岩土材料适应性强、可实现温度和含水量的同时测量、装配简便、便于组网等优点。该测量方法简单可行，且容易被一般工程人员所掌握。

为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置,包括外保护壳1，所述外保护壳1内安装有弹性模片6，弹性模片6下方安装有高进气值陶土头14，弹性模片6与高进气值陶土头14之间形成有用于填充无气水的下密封腔，下密封腔连通有进水管10和排气管12；进水管10上安装有单向进水阀11，排气管12上安装有单向排气阀13；弹性模片6连接有测压光栅3，外保护壳1内还安装有测温光栅5。

进一步的改进，所述测压光栅3通过两个对称设置的光栅固定柱固定于弹性膜片6上。

进一步的改进，所述外保护壳1顶部安装有上端盖2；弹性模片6与上端盖2之间形成上密封腔，测压光栅3和测温光栅5均处于上密封腔内。

进一步的改进，所述测温光栅外套设有毛细管4，毛细管4固定于上端盖2；所述高进气值陶土头14固定连接有套环15，套环15与外保护壳1螺纹连接。

进一步的改进，所述进水管10一端连接单向进水阀11，另一端穿过外保护壳1直插至陶土头14底部。

进一步的改进，所述外保护壳1底部带有螺纹槽，套环15上部带有螺纹丝口。

进一步的改进，所述外保护壳1和弹性膜片6之间设有“O”型密封圈9，“O”型密封圈9安放在外保护壳1内壁面开设的矩形槽内。

进一步的改进，所述测压光栅3与测温光栅5串接于同一光纤上，光纤通过光纤引入口与外界光缆连接。

进一步的改进，所述弹性膜片6在粘贴测压光栅3时，先打磨平整，然后再施加设定的压力，使光栅粘贴其上时能够产生相应的预拉伸。

一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量方法置，包含以下步骤：

步骤一：拆卸测量装置的高进气值陶土头14和套环15的组合体，并对组合体进行饱和；

步骤二：连接组合体和外保护壳1，并往外保护壳1的下密封腔中注无气水，直至注满，同时排气管12不再有气泡冒出，此时表明下密封腔和高进气值陶土头14中的空气已经排尽；

步骤三：将测量装置埋置于土体中，然后采用原位土回填；

步骤四：将各个植入待测土体中的测量装置通过串联连接至外部光纤光栅解调设备，形成土体含水量连续测量系统；

步骤五：当高进气值陶土头14与土体的水分交换达到平衡时，即经过温度补偿后，光纤光栅的中心波长不再变化时，读取经温度补偿的光纤光栅中心波长，根据预先标定的土体含水量与光纤光栅的中心波长的关系，计算出待测土体的含水量。

“O”型密封圈安放在外保护壳内壁面开设的矩形槽内，用于提高密封性以及消除外保护壳的形变对弹性膜片的影响。

上端盖、外保护壳和套环均采用镍钼合金材料，以防止传感器放入土中时扰动影响到输出信号。上端盖与外保护壳采用环氧胶粘接方式连接，以提高装置的防水性能。弹性膜片采用拉伸强度高的金属薄膜材料，以增大装置的量程。弹性膜片与外保护壳采用环氧胶粘接方式连接，以避免中空腔中无气水外渗。高进气值陶土头与套环下部采用环氧胶粘接方式连接，以保证装置的密封性。

本发明的技术原理是：

1.通过实验标定得到测压光栅的中心波长与土壤含水量关系。实验标定系统包括恒温箱、表面皿和称重装置，表面皿和称重装置置于恒温箱中。具体是将传感装置埋置在一定质量的土样中，密封静置一段时间使高进气值陶土头与土样的水分达到平衡，即测压光栅的中心波长不发生变化；开封后，将土样和传感器放置在恒温箱中的称重装置上，使土样烘干失水，按一定时间间隔测量在失水过程中光纤光栅的中心波长，同时根据称重装置的读数得到试样土水分的蒸发量，进而计算试样土的含水量，得到土体含水量与光纤光栅的中心波长的关系。土体含水量与光纤光栅中心波长λ的关系为：

λ＝a₁w+b₁w≥w_c(1)

λ＝a₂w+b₂w≤w_c(2)

式中，w表示土体含水量，w_c转折点对应的含水量，λ表示中心波长,a₁，a₂，b₁，b₂为拟合参数；

2.测量时，高进气陶土头与土壤直接接触，外保护壳内部中空腔中的纯自由水通过多孔陶土头与土壤水建立水力联系。由于管腔中自由水的势值总是高于土壤水的势值，因而管腔中水很快流向土壤，并在管腔中形成负压，该负压会拉动弹性膜片变形，进而引起测压光栅波长产生漂移。当仪器内外的势值达到平衡，波长漂移量达到稳定，此时可根据预标定曲线获得土壤含水量；

3.测量过程中，当土壤介质的温度变化时，测温光栅可直接获取环境温度值，将温度值代入测压光栅的波长公式中可剔除温度效应引起的波长变化量。

本发明的有益效果是：

1.由于光纤光栅传感器具有防水性能好、寿命长和抗磁干扰性好等优点，因此本发明装置适用于长期监测,并且也可应用于受磁场影响区域。

2.本发明具有单向的进水阀和排气阀，因此无需拆卸结构，即可方便实现中空腔在测量中的注水和排气，以提高测量效率。

3.本发明外保护壳和弹性膜片之间设有“O”型密封圈，可提高装置的密封性以及消除外保护壳的形变对弹性膜片的影响。在实际测试中往往传感器受到外界应力的干扰，隔绝应力能提高测试的准确度，同时使该装置应用范围更加广泛。

4.本发明通过注水冲刷陶土头中的气泡，可排尽装置内部气体，以提高测量精度。

5.本发明设置了温度补偿光纤光栅，可避免土体周围环境温差波动对测量结果的影响。

6.本发明装置体积较小，便于安装，可组网实现远距离连续测量。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的结构原理示意图；

图2为本发明高进气值陶土头和套环的组合体结构示意图；

图中，1为外保护壳，2上端盖，3为测压光栅，4为毛细管，5为测温光栅，6为弹性模片，7为光纤引入口，8为外界光缆，9为“O”型密封圈，10为进水管，11为单向进水阀，12为排气管，13为单向排气阀,14高进气值陶土头，15为套环。

具体实施方式

如图1所示，一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置，包括外保护壳1、上端盖2、测压光栅3、测温光栅5、弹性模6、高进气值陶土头14和套环15。作为优选方式，上端盖、外保护壳和套环均可采用镍钼合金材料；上端盖2固定于外保护壳1的顶部，作为优选方式，两者可以采用环氧胶粘接；测温光栅3封装在毛细管4内，毛细管4固定于上端盖2上；测压光栅3通过两个对称设置的光栅固定柱固定于弹性膜片6上；外保护壳1的上部设置有弹性膜片6，作为优选方式，弹性膜片可以选择金属薄膜材料；外保护壳1和弹性膜片6之间设有“O”型密封圈9，“O”型密封圈9安放在外保护壳1内壁面开设的矩形槽内；测压光栅3与测温光栅5串接于同一光纤上，光纤通过光纤引入口7与外界光缆8连接；进水管10一端连接单向进水阀11，另一端穿过外保护壳1直插至陶土头14底部；排气管12一端插接在外保护壳1的排气管孔中，另一端设置有单向排气阀13；高进气值陶土头14与套环15下部采用固定连接，作为优选方式，两者采用环氧胶粘接；套环15上部与外保护壳1采用螺纹连接。

上述外保护壳1底部带有螺纹槽，套环15上部带有螺纹丝口，两者拧在一起用来起连接作用，两者连接后的缝隙可采用环氧胶填充。

相比传统饱和高进气值陶土头14的方法，将高进气值陶土头14连同结构一起饱和，本发明的高进气值陶土头14和套环15形成的组合体可与外保护壳1分离，这样可确保高进气值陶土头能更加充分饱和。

上述外保护壳1内部位于弹性膜片6和高进气值陶土板14之间形成中空腔，中空腔内装有无气水，无气水通过外界供水源经单向进水阀和进水管进入中空腔。

上述单向进水阀由供水源至进水管方向导通，反向截止；单向排气阀由中空腔至排气管方向导通，反向截止。这样确保了测量过程中空腔始终被无气水充满。

上述弹性膜片与光栅固定柱一次成型，便于加工封装。

上述弹性膜片在粘贴测压光栅时，先打磨平整，然后再施加一定的压力，使光栅粘贴其上时能够产生相应的预拉伸，这样可增加测压光栅的灵敏度。

本发明需事先通过实验标定得到测压光栅的中心波长与土壤含水量关系。实验标定系统包括恒温箱、表面皿和称重装置，表面皿和称重装置置于恒温箱中，称重装置可以是天平。具体是将传感装置埋置在一定质量的土样中，密封静置一段时间使高进气值陶土头与土样的水分达到平衡，即测压光栅的中心波长不发生变化；开封后，将土样和传感器放置在恒温箱中的称重装置上，使土样烘干失水，按一定时间间隔测量在失水过程中光纤光栅的中心波长，同时根据天平的读数得到试样土水分的蒸发量，进而计算试样土的含水量，得到土体含水量与光纤光栅的中心波长的关系。特殊地，土体含水量与光纤光栅中心波长的关系为：

λ＝a1w+b1w≥w_c(1)

λ＝a2w+b2w≤w_c(2)

式中，w表示土体含水量，wc转折点对应的含水量，λ表示中心波长,a1，a2，b1，b2为拟合参数；

一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置及方法，包括以下步骤：

步骤一：饱和高进气值陶土头，具体地，拆卸高进气值陶土头和套环组合体，并将其置于封闭的真空饱和缸中，使真空饱和缸中的无气水浸没组合体，抽真空2至3小时；

步骤二：饱和完毕后，连接组合体和外保护壳，并往外保护壳中空腔中注无气水，直至排气管中有气泡冒出，表明中空腔中无气水已经注满，继续注水冲涮陶土头，直至排气管不再冒气泡，表明陶土头和中空腔中空气已经排尽。

步骤三：利用钻孔或开挖沟槽，将传感装置埋置于土体中，钻孔和沟槽采用原位土回填；

步骤四：将各个植入待测土体中的传感装置通过串联连接至外部光纤光栅解调设备，形成土体含水量连续测量系统；

步骤五：当陶土头与土体的水分交换达到平衡时，测压光栅中心波长不在变化，同时读取测温光栅中心波长，利用测压光栅中心波长减去测温光栅中心波长得到新的光纤光栅波长，并根据预先标定的土体含水量与光纤光栅波长的关系，计算出待测土体的含水量。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置,包括外保护壳(1)，其特征在于，所述外保护壳(1)内安装有弹性模片(6)，弹性模片(6)下方安装有高进气值陶土头(14)，弹性模片(6)与高进气值陶土头(14)之间形成有用于填充无气水的下密封腔，下密封腔连通有进水管(10)和排气管(12)；进水管(10)上安装有单向进水阀(11)，排气管(12)上安装有单向排气阀(13)；弹性模片(6)连接有测压光栅(3)，外保护壳(1)内还安装有测温光栅(5)。

2.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置,其特征在于，所述测压光栅(3)通过两个对称设置的光栅固定柱固定于弹性膜片(6)上。

3.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置,其特征在于，所述外保护壳(1)顶部安装有上端盖(2)；弹性模片(6)与上端盖(2)之间形成上密封腔，测压光栅(3)和测温光栅(5)均处于上密封腔内。

4.如权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置,其特征在于，所述测温光栅外套设有毛细管(4)，毛细管(4)固定于上端盖(2)；所述高进气值陶土头(14)固定连接有套环(15)，套环(15)与外保护壳(1)螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置，其特征在于，所述进水管(10)一端连接单向进水阀(11)，另一端穿过外保护壳(1)直插至陶土头(14)底部。

6.根据权利要求4所述的基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置，其特征在于，所述外保护壳(1)底部带有螺纹槽，套环(15)上部带有螺纹丝口。

7.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置，其特征在于，所述外保护壳(1)和弹性膜片(6)之间设有“O”型密封圈(9)，“O”型密封圈(9)安放在外保护壳(1)内壁面开设的矩形槽内。

8.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置，其特征在于，所述测压光栅(3)与测温光栅(5)串接于同一光纤上，光纤通过光纤引入口与外界光缆连接。

9.根据权利要求1所述的基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量装置，其特征在于，所述弹性膜片(6)在粘贴测压光栅(3)时，先打磨平整，然后再施加设定的压力，使光栅粘贴其上时能够产生相应的预拉伸。

10.一种基于光纤布拉格光栅的土壤含水量测量方法，其特征在于：包含以下步骤：

步骤一：拆卸测量装置的高进气值陶土头(14)和套环(15)的组合体，并对组合体进行饱和；

步骤二：连接组合体和外保护壳(1)，并往外保护壳(1)的下密封腔中注无气水，直至注满，同时排气管(12)不再有气泡冒出，此时表明下密封腔和高进气值陶土头(14)中的空气已经排尽；

步骤三：将测量装置埋置于土体中，然后采用原位土回填；

步骤四：将各个植入待测土体中的测量装置通过串联连接至外部光纤光栅解调设备，形成土体含水量连续测量系统；

步骤五：当高进气值陶土头(14)与土体的水分交换达到平衡时，即经过温度补偿后，光纤光栅的中心波长不再变化时，读取经温度补偿的光纤光栅中心波长，根据预先标定的土体含水量与光纤光栅的中心波长的关系，计算出待测土体的含水量；

所述外保护壳(1)内安装有弹性模片(6)，弹性模片(6)下方安装有高进气值陶土头(14)，弹性模片(6)与高进气值陶土头(14)之间形成有用于填充无气水的下密封腔，下密封腔连通有进水管(10)和排气管(12)；进水管(10)上安装有单向进水阀(11)，排气管(12)上安装有单向排气阀(13)；弹性模片(6)连接有测压光栅(3)，外保护壳(1)内还安装有测温光栅(5)；测温光栅外套设有毛细管(4)，毛细管(4)固定于上端盖(2)；所述高进气值陶土头(14)固定连接有套环(15)，套环(15)与外保护壳(1)螺纹连接。

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