[發明專利]一種基于光纖光柵的土壤基質吸力監測裝置及方法

有效

• 申請號: 202110248531.2
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN112964857B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 李杰;朱鴻鵠;王家琛;程剛;劉喜鳳;劉天翔;劉威
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24;G01B11/16
• 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土壤基質吸力監測裝置，其特征在于：包括陶土棒、應變傳感器、光纖光柵解調儀、計算機；陶土棒與應變傳感器可拆卸連接，應變傳感器與光纖光柵解調儀連接，光纖光柵解調儀與計算機連接；所述的陶土棒包括陶土頭、亞克力管、橡膠螺紋帽，陶土頭和橡膠螺紋帽通過亞克力管連接；所述的應變傳感器包括保護殼、保溫材料、活塞、彈性鋼片、光纖光柵FBG-1和FBG-2還有鎧裝光纖 ；應變傳感器的保護殼內填充有保溫材料，彈性鋼片在應變傳感器內腔中，彈性鋼片兩端分別固定于活塞和保護殼內壁上，FBG-1黏貼于彈性鋼片上；FBG-2與FBG-1平行放置于彈性鋼片上，并且無需黏貼于彈性鋼片上；在保護殼出口處，FBG-1和FBG-2與鎧裝光纖相連，并在相連處設置防折套，防折套與保護殼之間未緊密結合，保持保護殼內與大氣連通；鎧裝光纖通過跳線與光纖光柵解調儀相連，活塞設置于與陶土棒相連的那端；所述活塞與保護殼內部接觸良好，并在接觸面涂抹凡士林以減小摩阻力，從而保證活塞隨著土壤基質吸力的變化發生位移。

2.根據權利要求1所述的一種 基于光纖光柵的土壤基質吸力監測裝置，其特征在于：所述FBG-2監測環境溫度，包括兩個作用，一是對彈性鋼片在不同環境溫度下發生的熱脹冷縮變形進行溫度補償，二是對因溫度變化引起的FBG-1波長變化進行溫度補償，從而得到FBG-1的真實應變值。

3.根據權利要求1所述的一種 基于光纖光柵的土壤基質吸力監測裝置，其特征在于：所述保護殼內部填充的保溫材料為聚苯乙烯泡沫或者酚醛泡沫。

4.根據權利要求1所述的一種 基于光纖光柵的土壤基質吸力監測裝置，其特征在于：所述光纖光柵解調儀與單個或多個組合裝置相連，同時監測土壤中多個部位的基質吸力，所述的組合裝置為陶土棒與應變傳感器組成。

5.根據權利要求1所述的一種 基于光纖光柵的土壤基質吸力監測裝置，其特征在于：所述陶土棒與應變傳感器之間的連接方式為螺紋連接。

6.使用權利要求1～5任一所述裝置 的一種基于光纖光柵的土壤基質吸力監測方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟一：將陶土棒加入適量的水，并使其直立，讓水浸潤陶土頭，當見到水從陶土頭表面滴出，則表明陶土頭已達到飽和狀態，此時蓋上橡膠螺紋帽，使陶土棒內部為密閉狀態，之后將陶土棒埋置土壤一定深度處；

步驟二：靜置一段時間，待陶土棒與土壤達到水勢平衡，隨后啟光纖光柵解調儀進行監測；

步驟三：隨著土壤基質吸力的變化，應變傳感器里的活塞發生位移變化，從而引起彈性鋼片和黏貼于彈性鋼片的FBG-1產生應變；

步驟四：由光纖光柵解調儀接收FBG的波長信號，通過計算機分析處理數據，包括把波長信號轉化成應變和溫度值， FBG-2對彈性鋼片和FBG-1進行溫度補償處理，從而得到FBG-1的真實應變值；

步驟五：最后通過電子土壤張力計標定實驗，建立土壤基質吸力與FBG-1應變值之間的函數關系，得到FBG-1的真實應變值所對應的土壤基質吸力，實現監測土壤基質吸力的目的。

7.根據權利要求6所述的一種基于光纖光柵的土壤基質吸力監測方法，其特征在于：步驟一中的陶土棒沿著垂直于土壤表面方向埋置，并且與周圍土壤充分接觸，監測的最大深度取決于亞克力管的長度。

8.根據權利要求6所述的一種基于光纖光柵的土壤基質吸力監測方法，其特征在于：步驟三中活塞的位移量、彈性鋼片和FBG-1的應變值均隨著土壤基質吸力的變化而變化。

9.根據權利要求6所述的一種基于光纖光柵的土壤基質吸力監測方法，其特征在于：步驟五中的電子土壤張力計標定實驗是在恒溫條件下進行的，將電子土壤張力計和本發明裝置的陶土頭放置于已烘干土壤的同一層，記錄FBG-2測得的溫度T為該標定實驗溫度，當電子土壤張力計的基質吸力和FBG-1的應變值達到穩定時將其記錄；隨后加水使土壤處于飽和狀態，同樣記錄穩定時的基質吸力和FBG-1應變值；之后在釋水作用和蒸發作用下，連續記錄若干組穩定時的基質吸力和FBG-1應變值（n=1、2、3…），繪制出土壤基質吸力與FBG-1應變值關系曲線，建立的函數關系為，其中k、b為常數。