[發明專利]用于確定土壤性質的探針

在審

• 申請號: 201710047376.1
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN107966169A
• 公開（公告）日: 2018-04-27
• 發明（設計）人: 德夫雷茲·穆罕默德·卡拉巴卡克;彼得·盧伊珍;巴斯蒂安·莫爾勃洛克;埃里克·梅耶爾
• 申請（專利權）人: 輝固科技有限公司
• 主分類號: G01D5/353
• 分類號: G01D5/353;G01L1/24;G01L5/00;G01B11/26;G01K11/32
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識產權代理有限責任公司11204
• 代理人: 王達佐,王艷春

技術領域

本發明涉及用于確定土壤性質的探針、方法和系統。

背景技術

錐體觸探試驗(CPT)是用于確定土壤和地下水特性的巖土勘測方法，其中，將貫入儀探針推入至土壤中以進行測量。由探針測量的常規參數是錐體尖部阻力、套筒摩擦和孔隙水壓力。通常，在探針中使用多個電應變儀。也可以是其他的電傳感器。由于探針設計為插入至地面中，所以探針中的傳感器的大小需要被限制。有利地，傳感器的小型化可導致貫入儀的總尺寸的減小。然而，實現期望的大小減小通常以傳感器的靈敏度為代價，并且這種折衷通常是不期望的。另外，不僅僅是靈敏度和大小為所關注的特征。例如，電傳感器可能需要許多需要被引導至探針的導線。另外，電傳感器還對濕度變化和溫度變化靈敏。

發明內容

本發明的目的是提供可用于錐體觸探試驗的改進的探針。

因此，根據一個方面，提供了一種布置成用于土壤的表面下穿透以測量土壤的性質的探針，該探針包括探針主體和至少一個光纖傳感器。至少一個光纖傳感器布置成用于測量錐體阻力、套筒摩擦力、孔隙水壓力或傾斜度中的至少一個。

光纖感測具有幾個優點，這些優點可在大規模數據采集的許多操作中提供益處。光纖感測允許形成無源(無電力)傳感器，從而消除向感測點提供電力的需要。光纖感測允許傳感器信號的多路復用，這允許在單個纖維上形成傳感器鏈，而不需要昂貴和沉重的電纜。通過記錄使用單個通用共同讀出平臺并基本上共享光電系統和計算平臺的各個光纖傳感器，光纖感測提供轉換不同物理效應的能力，以形成低成本、大規模的感測系統。歸功于可利用低成本通信纖維實現長距離低損耗、無干擾、高帶寬信號傳輸的事實，光纖感測能夠提供遠程測量能力。光纖感測與惡劣環境兼容，特別是通過使用鍍膜玻璃纖維，其可例如承受300℃和/或對外部物質具有高耐化學性。在光纖傳感器中，光纖用作感測元件。光纖可被點亮(例如通過激光)，并且由于外部原因(取決于傳感器的類型)引起的纖維中的變化導致由傳感器發送或從傳感器接收的光信號的可測量的變化。

可選地，至少一個光纖傳感器包括光纖布拉格光柵FBG。FBG包括具有芯的纖維，該芯在一定距離內包括折射率的周期性變化。周期性變化形成波長特定的介質鏡，在介質鏡中，某一波長附近和包括某一波長的具體(窄)范圍內的光被反射。反射的波長由芯的折射率的周期性確定。FBG所基于的原理為：光纖的應變的差異導致變化的幾何周期性發生改變。這導致反射波長的變化，這種變化可被檢測(例如，通過光譜分析或使用干涉儀)。FBG應用于許多應用中，用于測量大范圍的參數和特性，包括靜態參數和動態參數。

可選地，至少一個光纖傳感器包括至少一個第一光纖部分，至少一個第一光纖部分包括至少一個光纖布拉格光柵FBG，用于測量探針的外部表面上的力。外部表面可例如是尖部或套筒。

可選地，至少一個光纖傳感器包括光纖布拉格光柵對，光纖布拉格光柵對包括該對的第一FBG和該對的第二FBG。該對可布置成使得在第一FBG和第二FBG中對溫度變化的響應是相似的，例如具有相同的符號，以及可選地具有相同的大小。該對可布置成使得在第一FBG和第二FBG中對溫度變化的響應是相同的。該對可布置成使得在第一FBG和第二FBG中對力的響應是不同的。該對可布置成使得在第一FBG和第二FBG中對力的響應是具有相反的符號，并且例如，相等或至少成比例的大小。因而，可容易地將由于溫度變化引起的響應與由于力引起的響應區分開來，例如通過加上或減去該對的第一FBG和第二FBG的信號(或與它們成比例的信號)。對溫度變化的響應可例如是由于探針的熱伸長/收縮。

可選地，至少一個光纖傳感器包括光纖布拉格光柵對，光纖布拉格光柵對布置成使得所述力同時引起該對的第一FBG的伸長和該對的第二FBG的縮短。該FBG對可布置成使得力同時引起該對的第一FBG的張力的增加和該對的第二FBG的張力的減小。因而，待確定的力在該對的第一FBG和該對的第二FBG中同時引起相反效應。因而，由于溫度變化的響應可容易地與由于力的響應區分開。另外，由于力由兩個FBG同時測量，因此可提高精度。

可選地，該對的第一FBG和對的第二FBG串聯包括在單個光纖部分中?？蛇x地，第一FBG和第二FBG都在探針主體的軸向方向上延伸。

可選地，探針包括用于將力從探針的外部表面轉移至該對的第一FBG和該對的第二FBG上的套筒。

可選地，套筒在該對的第一FBG與該對的第二FBG之間連接至單個光纖部分。因而，套筒可容易地同時致動該對的第一FBG和該對的第二FBG。