[發明專利]一種基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置及方法

在審

• 申請號: 201811541677.0
• 申請日: 2018-12-17
• 公開（公告）號: CN109406398A
• 公開（公告）日: 2019-03-01
• 發明（設計）人: 朱鴻鵠;周谷宇;朱寶;施斌;張誠成
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N19/10
• 分類號: G01N19/10
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 馮慧

1.一種基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置，其特征在于，包括支撐單元、控制單元以及測試與分析單元，其中：

所述支撐單元，包括支架、支撐桿和橫梁；所述支撐桿固定于支架上，所述橫梁固定于支撐桿上；

所述控制單元，包括電機、激光測距儀、電磁吸盤和導向管；所述步進電機設置于支撐桿上，所述激光測距儀、電磁吸盤和導向管依次設置于橫梁上，導向管垂直于橫梁，且和下方的FBG探針位置相對應；

所述測試與分析單元，包括測試球、FBG探針和光纖解調分析一體儀；所述測試球吸附于電磁吸盤上，鑲嵌于導向管內，所述FBG探針埋設于待測土體區，出露端通過傳輸光纖連接至光纖解調分析一體儀。

2.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置，其特征在于，所述支撐桿為螺紋桿，配合步進電機用來控制橫梁的自動升降。

3.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置，其特征在于，所述橫梁上設置一開孔，開孔內固定導向管，且導向管的尺寸與所述測試球的大小相配適，以將測試球跌落至待測土體區表面。

4.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置，其特征在于，所述FBG探針由FBG傳感器和彈性方桿構成，其中彈性方桿上表面設有一道凹槽，FBG傳感器封裝于彈性方桿的凹槽內。

5.根據權利要求1所述的基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置，其特征在于，所述光纖解調分析一體儀包含控制面板和顯示屏，其中控制面板控制步進電機的升降及電磁吸盤的開關，顯示屏顯示FBG探針監測得到的測試區土體應變時程曲線，以及反算出的測試區土體含水率。

6.使用權利要求1～5任一所述的基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置的方法，其特征在于，包括步驟如下：

1)清場就位：清整場地，儀器就位，將測試球對準待測土體區；

2)探針埋設：在待測土體的不同深度處埋設FBG探針，每層一根，確保FBG傳感器位于測試球跌落的正下方；

3)調節落高：通過光纖解調分析一體儀上的控制面板調節橫梁升降，并通過激光測距儀讀取測試球的落高；

4)參數輸入：通過控制面板手動輸入測試球落高和FBG探針埋深；

5)放球測試：通過光纖解調分析一體儀上的控制面板關閉電磁吸盤，釋放測試球跌落至待測土體區表面，通過FBG探針獲取由待測土體震動引起的峰值應變，基于內置算法，計算并顯示待測土體的含水率，從而實現土體含水率的快速測定。

7.根據權利要求6所述的使用基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置的方法，其特征在于，所述步驟2)中FBG探針有若干個，埋設于不同深度處，所有FBG探針采用并聯或串聯的方式相互連接，通過傳輸光纖連接至光纖解調分析一體儀，形成準分布式的土體含水率監測網絡。

8.根據權利要求6所述的使用基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置的方法，其特征在于，所述步驟3)中必須保證激光測距儀與測試球距離待測土體表面的高度一致，此時激光測距儀的讀數即反映測試球的落高。

9.根據權利要求6所述的使用基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置的方法，其特征在于，所述步驟5)中的待測土體的含水率計算公式為通過室內標定試驗獲得，其中w為待測土體的含水率，h、d、ε_p分別為測試時的測試球落高、FBG探針埋深及待測土體的峰值應變，h₀、d₀、ε_p0、w₀分別為標準狀態下的測試球落高、FBG探針埋深、土體試樣的峰值應變及含水率，A、B、C分別為待定系數，通過控制變量法由經驗方程ε_p＝A(w-w₀)+B(h-h₀)+C(d-d₀)+ε_p0擬合得出。

10.根據權利要求9所述的使用基于光纖光柵的落球式土體含水率快速測定裝置的方法，其特征在于，所述室內標定試驗步驟如下：首先在待測土體區取出一部分土體，配置成不同含水率的土體試樣，放置于敞口箱體；然后在箱內土樣的不同深度處插入FBG探針，并確保FBG傳感器位于測試球跌落的正下方；然后調節橫梁升降，并通過激光測距儀讀取測試球的落高；最后關閉電磁吸盤，釋放測試球，通過FBG探針獲取各個工況下、由土體震動引起的土體峰值應變，得出待測土體區的含水率計算公式，并自動保存于光纖解調分析一體儀。