[發(fā)明專利]一種基于FBG的凍土含冰量分布式原位測量方法及裝置

在審

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• 申請日: 2019-01-09
• 公開（公告）號: CN109682853A
• 公開（公告）日: 2019-04-26
• 發(fā)明（設計）人: 吳冰;李旭;朱鴻鵠;王盟;曹鼎峰;王家琛;施斌
• 申請（專利權）人: 南京大學;北京交通大學
• 主分類號: G01N25/20
• 分類號: G01N25/20;G01K11/32
• 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

本發(fā)明公開了一種基于FBG的凍土含冰量分布式原位測量方法及裝置，包括：加熱電源、內置電阻絲和FBG的管狀傳感器、FBG解調儀和分析處理監(jiān)測數(shù)據(jù)的計算機。將制作完成的管狀傳感器通過直埋或鉆孔埋設入待測凍土中；連接加熱電源對管狀傳感器內置的電阻絲進行短期加熱，熱量通過導熱性能良好的管狀傳感器擴散到周圍凍土中；管狀傳感器內置的FBG感測溫度變化，并通過FBG解調儀采集并記錄FBG的波長讀數(shù)；將波長數(shù)據(jù)處理轉化為溫度變化，得到升溫過程中的溫度特征值；最后通過率定試驗建立的凍土含冰量i與溫度特征值ΔT_t間的線性關系,得到凍土含冰量。本發(fā)明可以實現(xiàn)分布式、連續(xù)性測量凍土含冰量。

技術領域

本發(fā)明公開了一種光纖布拉格光柵(FBG)的分布式原位測量凍土含冰量的方法及裝置，涉及凍土含冰量測量技術領域。

背景技術

凍土是一種溫度低于0℃且含有冰的土，是由土顆粒、冰、未凍水、氣體組成的多相復雜體系。凍土對溫度十分敏感且物理性質不穩(wěn)定，其特性除了與土壤質地、容重和含水量有關外，還受含冰量的控制。不同于未凍土，凍土中的冰，使得凍土的性質既特殊又復雜。因此，測量凍土含冰量對于理論研究和工程實踐都具有重要的意義。

目前，凍土含冰量測量方法有膨脹法、介電譜法、熱脈沖法和核磁共振法(NMR)。

膨脹法基本原理是：將待測土壤樣本放置在一個圓柱容器中潤濕至飽和，在容器的一端插入一根管狀的張力計并延至該容器的另一端。當土壤凍結時，由于土壤是飽和的，形成的冰的體積就會膨脹，為了保證土壤結構不被破壞，膨脹的體積會迫使部分液態(tài)水從土壤孔隙中流出并透過張力計進入預先標定好的毛細管中。通過測量毛細管中的液態(tài)水，再依據(jù)水凍結成冰的膨脹系數(shù)，冰的體積便可以計算出來。

介電譜法的基本原理是：通過測定凍土的介電常數(shù)來間接反映含冰量，通常通過確定兩個頻率下的介電譜并結合介電混合模型來推算飽和土壤的含冰量。

熱脈沖法基本原理是：當凍土溫度不變時，未凍水含量不再變化。借助熱脈沖測定出凍土的熱導率，便可計算出凍土含冰量。僅僅適用于溫度較低的環(huán)境下，當溫度接近凍結點時，測定結果不具可靠性。

核磁共振法(NMR)的測量原理是：一些原子的原子核就像一些小型的磁棒，在外加強磁場的作用下，這些原子核會定向排列。如果再加上無線電頻波的作用，這些原子將吸收足夠的能量從而在外加磁場內以另一個穩(wěn)定的方向重新排列。將預先準備好的凍土土樣放置于一個脈沖分析儀中，并對土樣發(fā)射度的無線電脈沖。在無線電脈沖的作用下，圍繞在土樣周圍的接收線圈將產(chǎn)生能夠反映吸收能量原子數(shù)的電壓，其大小與土樣中固態(tài)冰的氧原子量成正比。分析儀通過檢測上述電壓便能測定出凍土樣本中的含冰量。

上述四種方法均能夠測量凍土含冰量，也都有各自的局限性：膨脹法僅僅局限在實驗室環(huán)境下，容易破壞凍土原有結構且無法測定非飽和土壤的凍土含冰量；熱脈沖法在溫度較低的環(huán)境下可以測定出含冰量，但當溫度接近凍結點時，測定的數(shù)據(jù)不夠準確；介電譜法的使用受到土壤類型的制約；NMR法具有較高的測量精度，但分析儀體積龐大、價格昂貴，且安裝與使用十分復雜，其應用范圍僅僅局限于實驗室環(huán)境，無法廣泛使用。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的是提供一種基于FBG的分布式原位測量凍土含冰量的方法及裝置，基于溫度響應原理，運用FBG管狀傳感器，對內加熱的管體進行溫度感測，通過管體的升溫曲線來確定溫度特征值，從而測量凍土含冰量。解決了含冰量測量不準確、凍土原狀結構易被破壞、難以對凍土含冰量進行原位測量等缺點。

為解決上述問題，本發(fā)明采用以下技術方案：一種基于FBG的凍土含冰量分布式原位測量方法，包括如下步驟：

步驟一、將制作、封裝完備的管狀傳感器植入待測凍土的相應位置，所述管狀傳感器包括管體、光纖、加熱電阻絲和FBG傳感器；

步驟二、所述管狀傳感器管體在電流作用下開始升溫；待擴散熱流密度恒定后停止升溫，管體開始降溫；