CN103472127B - 非饱和土土水特性快速定量检测传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明的非饱和土土水特性快速定量检测传感器，是在完全密封防水的外壳的一端设置耦合线圈，另一端设置包含电源输入端和检测信号输出端的接线盒；外壳内设置AC/DC转换电路及其后的CV，由ACVG加IA组成的模块连接由acv/dcv加VA组成的模块；acv/dcv连接检测信号输出端；该传感器在耦合线圈中接通100MHz的交流电流产生一个高稳定度、微特级的交流磁场，然后激活非饱和土中土水带电粒子使之极化，从而形成微电子电流，并由检测电路检出。可用于室内和野外现场实时观测。具有快速、灵敏、误差小、体积小等优点。

Description

非饱和土土水特性快速定量检测传感器及其应用

技术领域

本发明涉及非饱和土土水特性的检测技术，具体为一种非饱和土土水特性快速定量检测传感器及其应用。

技术背景

在大型工程建设过程中遇到的土大多数处于非饱和状态，非饱和土是固-液-气三相复合介质，其工程性质十分复杂。近年来，非饱和土力学理论在边坡稳定性评价以及降雨型滑坡预测等方面得到了广泛应用，而土-水特征曲线在非饱和土力学中有重要作用，（1）把土-水特征曲线与水平土柱渗透试验资料相结合，可以算出非饱和土的渗透系数；（2）土-水特征曲线的数学模型是非饱和土的本构关系之一；（3）用土-水特征曲线可估算出土的强度、变形和渗水系数。因此，土-水特征曲线（SWCC）作为非饱和土理论研究的基本测试内容引起了众多学者的关注。有学者研制和使用了可以测量高吸力值的吸力传感器。虽然这些传感器原理相似，但当传感器本身不同时，所采用的测试方法也有所不同，需要依据实际的试验条件来设计。目前分析非饱和土的吸力的方法主要有直接法和间接法两种，常用的直接法归纳起来有湿度计、张力计、压力板仪等，间接法有热传导传感器、滤纸法等。对于含水量观测，常用的方法包括原位测试—即通过原位取样直接测定、体积含水率探头测定以及其他间接测量方法，如中子水份仪、γ射线测定等。

上述方法，在工程使用上都存在不尽如人意的地方。如直接测量技术中的湿度计法，缺点是：率定、测量的设备都较复杂，对环境要求高，无法用于现场量测；无法测低于100kPa的吸力值；热电偶在酸性环境中易腐蚀，每次率定或使用后，一定要按厂家的说明测定清洗；用不干净或不合格的湿度计测出的结果很难分析。同样张力计法也有缺点，比如：（1）使用要求高：量测***中一旦出现空气就会使封闭***的孔隙水压力量测出错，所以确保张力计管中始终无空气至关重要。使用前，必须确保陶瓷头无堵塞、无裂缝，然后尽可能地除去张力计中的空气，并将张力计的陶瓷头和塑料管用去除空气的水饱和。地面记录到的压力表读数必须根据张力计管中的水柱高度进行位头修正。（2）使用局限性：a.张力计的陶瓷头必须与土接触良好，以确保土中水与张力计管中水连续，但这一点（尤其是在野外时）不易确定。b.陶瓷头较脆弱，易开裂，一旦开裂便不能再用。c.测量范围会受“气蚀”现象的限制：当孔隙水压力接近负一个大气压时，水会气化，使量测***中进气而无法正确读数。可见，用张力计量测到的负孔隙水压力的绝对值不会超过一个标准大气压。d.量测范围还会受陶瓷头的进气值的限制：要保证陶瓷头的进气值必须大于待测的基质吸力，否则空气将穿过陶瓷板进入量测***。而压力板仪，缺点是：a.采用轴平移技术进行长期试验时，很难保证水压力量测***中始终没有气泡：由于土样和高进气值陶瓷板的透水系数都较低，平衡时间往往会较长。在此期间孔隙空气可能会通过高进气值陶瓷板中的水而扩散，并以气泡状态出现在陶瓷板下，使所测的基质吸力偏低。b.陶瓷板的进气值与板的最大孔径成反比，而渗透系数却随板孔径的变大而变大。陶瓷板的进气值和渗透系数之间有此强彼弱的矛盾。

对于间接测量技术中的热传导传感器法，其缺点是：a.热传导传感器陶瓷头制作和使用均有特殊要求。b.热扩散使探头沿径向有温度梯度而产生温度应力，长期使用易产生裂缝；因土的渗透系数随含水量减小而减小，测高吸力时传感器的平衡时间较长；不能连续、实时测量：一次测取数据完毕，需等探头中部的温升恢复回零后才能进行下一次测量操作，否则各次热扩散的基础条件不一样。而滤纸法，其缺点是：a.使用时必须注意区分非接触滤纸法和接触滤纸法的不同，前者适宜测>100kPa的高吸力值，后者较宜用于测量低吸力。另外测出的很可能是总吸力，而不是基质吸力。还有滤纸必须是无尘定量分析Ⅱ型滤纸（符合ASTME832标准），要求很高。b.在量测平衡含水量时需要精度为0.0001克的高精天平及烘箱等仪器，故必须在实验室内用取自野外的原状或扰动土样进行。c.使用局限性明显，难以自动化，目前都是人工操作，尤其在数据获取阶段对人工技术要求很高，结果受操作人员以及实验室条件的影响很大，准确程度难以保证；平衡时间较长，平衡时间一般需7~10天；若初始为湿滤纸，则一般需21~25天。d.滤纸材料的储水特性对高吸力范围可能会影响。对于接触滤纸法，难以保证滤纸与土样的良好接触。

除了以上方法以外，也有学者采用时域反射技术（TDR），该技术方法中土的介电常数不仅随土体的含水量变化，还受土体密度、温度、含盐量、矿物成分等的影响，其中以土的粒径大小和堆积密度对率定曲线的影响最大。另外，电容式吸力仪适合测量200kPa以下吸力，但需要考虑溶于水中的电解质对传感器输出值的影响。

随着大型工程的基础建设和边坡滑坡防治处理等需要越来越受到人们的重视，希望能尽快研究一种简便、易行的检测装置,该装置应能够快速、准确地掌握非饱和土的土水特性，以满足室内和野外工程使用。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种非饱和土土水特性快速定量检测传感器。

本发明的非饱和土土水特性快速定量检测传感器，包括用于检测土样含水量的耦合线圈、ACVG、IA、acv/dcv、VA、AC/DC、CV；

每组耦合线圈为两个嵌套在一起的形成互耦作用的线圈L1和线圈L2的组合而成，且其中线圈L1是产生主磁场的激磁线圈，线圈L2为提取微电子流变化的反馈线圈；

ACVG加IA组成的模块中的IA连接线圈L1，构成使待测物受激产生微电子流的频率为100MHz、强度为1～10微特斯拉、稳定度为±0.5微特斯拉的交流磁场电路；

acv/dcv加VA组成的模块中的VA连接线圈L2，构成检测待测物受激产生的微电子流变化的检测电路；

完全密封防水的外壳的一端设置耦合线圈，另一端设置包含电源输入端和检测信号输出端的接线盒；外壳内设置AC/DC转换电路及其后的CV，由ACVG加IA组成的模块连接由acv/dcv加VA组成的模块；acv/dcv连接检测信号输出端；

其中，AC/DC：~220V-50Hz交流转直流电源电路；

CV：恒压12V电路；

ACVG：高频电压信号发生器电路；

IA：高频电流恒流电路；

VA：微电子流电压放大电路；

acv/dcv：高频信号电压转直流信号电压电路。

在室内使用的室内型传感器为方形或圆形，耦合线圈是空心的，在野外使用的野外型传感器为圆形，耦合线圈是全封闭的。

为了进行干土湿土的对比，在室内使用的室内型传感器设置两个完全一样的耦合线圈。一个用于检测送检的干土样本自带固有含水残量，另一个用于检测送检的土样含水变化量。

为了用电方便，传感器电源输入端设置~220V-50Hz接口和+12V接口；~220V-50Hz接口连接外壳内的AC/DC转换电路及其后的恒压12V电路CV。

本发明的传感器，其线圈为绕在空芯骨架上的螺旋管线圈，其成形后外径12mm、内径5mm、长度10mm、电感量为0.5nH～100μH，空芯骨架的材料为不导电的非金属管，选自石英玻璃管、陶瓷管和聚四氟乙烯塑料管。

本发明的另一个目的是提供非饱和土土水特性快速定量检测传感器的应用方法。

该方法分为室内检测和野外检测，

室内检测主要步骤包括：

1）制备被试样本；

2）使用的室内型传感器，实验装置的工作电源电压为12VDC，使被试样本中的电荷偶极子极化激励磁场频率初值设定为100MHz；

3）将两个同样的被试样品分别装入两个线圈中；

4）对其中一个耦合线圈的被试样品注入纯净水，另一个耦合线圈中的样本不加纯净水；

5）记录含水量变化值，直到被试样品的含水量饱和达到平衡为止，即记录的电压值不变为止；

6）根据土的类型测定的电压值，从预先绘制的电压值～含水率关系的率定参考标准获得该土的含水率；

野外检测主要步骤包括：

1）在土坡钻孔；

2）把野外型传感器埋入孔中，耦合线圈面朝下，紧贴土层，然后用土将孔填满压实；

3）模拟人工降雨，给埋设传感器的土坡浇水；

4）记录含水量变化值，直到被试样品的含水量饱和达到平衡为止，即记录的电压值不变为止；

5）根据土的类型测定的电压值，从预先绘制的电压值～含水率关系的率定参考标准获得该土的含水率。

室内检测步骤1）首先是将过2mm筛的粉土装入耦合线圈中，再击实致密成型。其几何尺寸为直径5mm、高10mm的圆柱体。具体实施过程中，也可以将步骤1）和步骤３）合并，将被试样品以粉状直接装入耦合线圈中，击实，并保证一定的土柱高度，这样可以更加省事，且可以避免预制好的被测试样由于尺寸变化而放不进去耦合线圈中的情况。

在室内检测步骤5）每一分钟记录一次含水量变化值。

在野外检测步骤1），钻孔尺寸为直径至少等于野外型传感器外径、深度至少等于野外型传感器长度。

在野外检测步骤4）每一分钟记录一次含水量变化值。

根据非饱和土中不同矿物质在交流电磁场作用下产生微电子流效应的原理，将非饱和土置于交流电磁场中，检测微电子流的变化量，由此得到非饱和土中土水含量以及土的属性。

发明设计的非饱和土土水特性快速定量检测方法是，把非饱和土过筛装入这个耦合线圈里，经击实形成圆柱体；在耦合线圈中接通100MHz的交流电流产生一个高稳定度、微特级的交流磁场，然后激活非饱和土中土水带电粒子使之极化，从而形成微电子电流。经实验发现微电子电流强度大小与非饱和土性质和含水量有关，通过高灵敏度检测传感器将微电子电流转化成直流电压信号。最后根据输出的电压变化量得出被测样品中土水含量。

ACVG加IA组成的模块中的IA连接线圈L1，构成的交流磁场电路，用于产生频率为100MHz、强度为1～10微特斯拉、稳定度为±0.5微特斯拉的高频率、高稳定度、微特级的交流磁场，激活非饱和土中土水带电粒子使之极化形成微电子电流。

acv/dcv加VA组成的模块中的VA连接线圈L2，构成检测待测物受激产生的微电子流变化的检测电路，用于将微电子电流转化成直流电压信号，并检测出来。

将重点检测的粉土、黏土制成圆柱体依次作为样品，得到一定含水率的非饱和土在该交流磁场作用下传感器输出的模拟电压值，即某种非饱和土的率定参考标准；

将待测样品的电压值与标准样品电压比较，根据对应的模拟电压增量得到其含量；

各种非饱和土的土水含量与传感器输出电压增量的影响是成一定比例关系的，得到了一种非饱和土的土水含量的电压增量，即可辨别出该电压增量所对应的该非饱和土的土水含量。

本发明的非饱和土土水特性快速定量检测传感器，具有能将土水等物质携带的电子转换成微电子电流的物理量，然后根据电的物理量强度大小，来反映非饱和土待测样品土水特性变化规律及快速检定土水含量。可用于室内和野外现场实时观测。

本发明的优点为：1）、不需样品前处理，直接进样检测，检测耗时短；2）、传感器的输出为直流电压信号，灵敏度高、误差小、线性度和重复性好，实验证明检测重现性：±1.5%，相对误差：±1.5%。3）、可与监控设备直接联机，易于实现高速在线实时监测与控制；4）、抗干扰能力强、可在恶劣环境下正常工作；5）、本传感器体积小、安装调试方便、操作简单、性价比高。

附图说明

图1是本发明的非饱和土土水特性快速定量检测传感器结构示意图；其中a为室内型传感器的外形结构；b为a内部结构；c为野外型传感器的外形结构；d为c内部结构；标记表示为：1-室内型耦合线圈，2-室外型耦合线圈，3-电源输入和检测信号输出接线盒，4-外壳；5-由ACVG加IA组成的模块，6-由acv/dcv加VA组成的模块；

图2是本发明传感器电气原理总图；

图3黄河粉土（0.6g）4^#、5^#样本中含水率随时间变化的关系；

图4黄河粉土（0.3g）A^#、B^#样本中含水率随时间变化的关系；

图5为传感器对不同非饱和土土水检测反映的线性度及重复率；

图6为北海粉质粘土野外实验结果。

具体实施方式

实施例1

室内型传感器

见图1a和图1b。在完全密封防水的外壳4的一端设置两个完全一样的耦合线圈1，另一端设置包含电源输入端和检测信号输出端的接线盒3；外壳内设置AC/DC转换电路及其后的CV（见图2），由ACVG加IA组成的模块5连接由acv/dcv加VA组成的模块6；acv/dcv连接检测信号输出端。ACVG加IA组成的模块中的IA连接线圈L1，acv/dcv加VA组成的模块中的VA连接线圈L2。耦合线圈1为两个嵌套在一起的形成互耦作用的线圈L1和线圈L2的组合而成，且其中线圈L1是产生主磁场的激磁线圈，线圈L2为提取微电子流变化的反馈线圈。

见图2。

AC/DC:~220V-50Hz交流转直流电源电路；

CV:高稳定度，低温波系数，恒压12v电路；

ACVG:高频电压信号发生器电路；

IA:高频电流恒流电路；

VA:电压放大电路；

acv/dcv:高频信号电压转直流信号电压电路。

传感器为方形，耦合线圈1是空心的。

传感器电源输入端设置~220V-50Hz接口和+12V接口；~220V-50Hz接口连接外壳4内的AC/DC转换电路及其后的恒压12v电路CV。

线圈L1和线圈L2嵌套在一起，为绕在空芯骨架上的螺旋管线圈，其外径12mm、内径5mm、长度10mm、电感量为0.5nH～100μH，空芯骨架的材料为聚四氟乙烯塑料管。

实施例2

室外型传感器

见图1c和图1d。传感器为圆形，在完全密封防水的外壳4的一端设置耦合线圈2，耦合线圈是全封闭的。绕制线圈的空芯骨架的材料为陶瓷管。

其余与实施例1相同。

应用实施例1

室内检测

本例是针对黄河粉土和桂林红粘土土水特性的检测，主要步骤如下：

1实验材料

试验用土为取自黄河三角洲的粉土和取自桂林市雁山红粘土，取重塑土样过2mm筛，测得黄河三角洲的粉土的比重为2.71；液限为22.6，塑限为14.6。桂林市雁山红粘土的比重为2.72；液限为47.4，塑限为26.7。

2被试样本制备

被试样本制备步骤：将过2mm筛的粉土装入耦合线圈中，用金属棒击实致密成型。其几何尺寸为直径5mm、高20mm；以及直径5mm、高12m两种。

3实验方法

3.1实验条件

为了考查本方法的可行性，被试样本的重量和吸水总量为已知。其规格有两种，如前所述。实验装置的工作电源电压为12VDC，使被试样本中的电荷偶极子极化激励磁场频率初值设定为100MHz。

3.2实验步骤

1）将0.30g黄河粉土样品(直径5mm、高12m的圆柱体)注入0.15ml纯净水，每一分钟记录一次含水量变化值，直到被试样品的含水量饱和达到平衡为止。

2）将0.30g黄河粉土样品(直径5mm、高12m的圆柱体)注入0.10ml纯净水，每一分钟记录一次含水量变化值，直到被试样品的含水量达到平衡为止。然后再加0.02ml纯净水，继续观测含水量变化值，每一分钟记录一次数据，直到被试样品的含水量达到平衡为止。

3）将0.30g桂林红粘土样品(直径5mm、高12m)注入0.15ml纯净水，每一分钟记录一次含水量变化值，直到被试样品的含水量饱和达到平衡为止。

4）将0.30g桂林红粘土样品(直径5mm、高12m)注入0.10ml纯净水，每一分钟记录一次含水量变化值，直到被试样品的含水量达到平衡为止。然后再加0.10ml纯净水，继续观测含水量变化值，每一分钟记录一次数据，直到被试样品的含水量达到平衡为止。

5）将致密的0.60g黄河粉土样品(直径5mm、高22mm)注入0.30ml纯净水，每一分钟记录一次含水量变化值，直到被试样品的含水量饱和达到平衡为止。

6)将非致密的0.60g黄河粉土样品(直径5mm、高22mm)注入0.30ml纯净水，每一分钟记录一次含水量变化值，直到被试样品的含水量饱和达到平衡为止。

4、实验结果

4.1黄河粉土样品吸水量比较

黄河粉土（0.6g）4^#、5^#，经加压密实后,注入0.30ml纯净水,然后每5分钟采集一次数据的土-水特征曲线，如图3所示。样本4^#、5^#在t₀时刻注入0.30ml纯净水后，传感器反映出土中水分快速往上增加，到t₁₅时刻已进入饱和状态。因为样本上方有剩余水出现，经过数分钟后保持不变，这说明土中水含量已饱和。

黄河粉土（0.3g）A^#，经稍微密实后,注入0.15ml纯净水的土-水特征曲线，如图4所示。从图4可知，当在t₀时刻注入0.15ml纯净水，传感器反映出土中水分快速往上增加，到t₄时刻已进入饱和状态。因为样本上方有剩余水，经过数分钟后保持不变，这说明土中含水量已饱和。

黄河粉土（0.3g）B^#，经稍微密实后,分别分两个阶段注入0.10ml和0.02ml纯净水的土-水特征曲线，如图4所示。在t₀时刻注入0.10ml纯净水后，传感器反映出土中水分快速往上增加，到t₄时刻似乎已趋于饱和。为证实正确与否，在t₂₅时刻再注入0.02ml纯净水。传感器反映出土中含水量还在继续往上升，但在t₃₄时刻开始微幅下降直到平衡，样本上方有剩余水，这说明土中含水量已饱和。

从图3和图4可知，土中含水量达到饱和以后，再给样本注水，传感器敏感值已不再随水的增加而变化。

4.2传感器性能比较

综上所述，图4中曲线A^#是被试样本重量为0.3g、体积为的黄河粉土施以0.15ml纯净水后，随着时间的推移，每一分钟记录一次吸水量变化的结果。曲线B#是被试样本重量为0.3g、体积为的黄河粉土，在不同时刻施以不同毫升数的纯净水后，随着时间的推移，每一分钟记录一次吸水量变化的结果。其中，时刻t₀到时刻t₂₅施以0.1ml纯净水的变化曲线，从t₂₅-到t₃₅是再施0.02ml纯净水后的变化曲线。

由A^#曲线的t₃到t₂₅时刻含水量有明显上下波动，B^#曲线的t₃到t₁₅时刻含水量也有明显上下波动。这说明，土体含水量达到饱和之前是不稳定的，这也反映出吸力的不同。从另一角度看，这两条曲线也反映出当土体中含水量饱和之后，它们是重合的。这表明传感器敏感到的含水量重复性很好。从它们的线性度曲线（图5）也能看出，其线性度很好，误差很小。

应用实施例2

野外检测

本例针对北海粉质粘土土水特性检测，主要步骤如下：

1、埋设点选择在垂直高度为2米、坡度约35度的人工土坡，为粉质粘土；

2、钻孔，孔径0.050米、深度0.30米，孔口与坡面垂直，且离地平面垂直高度0.5米；

3、埋设传感器，带耦合线圈一端朝下，将取出的土回填到孔中并夯实，之后在孔口下方0.1米处开一条宽0.1米、深0.05米的槽；

4、给传感器上电，预热2分钟；

5、模拟人工降雨，给土坡浇水，观察土中含水量变化；

6、记录数据，每隔1分钟记录一次传感器的输出电压值，直到传感器的输出电压值不变为止，停止浇水，实验结束。

由图6可以看出，传感器的输出电压值与土中含水量成很好的的线性度关系，在含水量10～60%范围内线性度很好，误差很小。

Claims (8)

1.非饱和土土水特性快速定量检测传感器，其特征在于：包括用于检测土样含水量的耦合线圈、ACVG、IA、acv/dcv、VA、AC/DC、CV；

每组耦合线圈由两个嵌套在一起的形成互耦作用的线圈L1和线圈L2组合而成，且其中线圈L1是产生主磁场的激磁线圈，线圈L2为提取微电子流变化的反馈线圈；

ACVG加IA组成的模块中的IA连接线圈L1，构成使待测物受激励产生微电子流的交流磁场电路；其频率为100MHz、强度为1～10微特斯拉；

acv/dcv加VA组成的模块中的VA连接线圈L2，构成检测待测物受激励产生的微电子流变化的检测电路；

完全密封防水的外壳的一端设置所述耦合线圈，另一端设置包含电源输入端和检测信号输出端的接线盒；外壳内设置AC/DC转换电路及其后的CV、由ACVG加IA组成的模块和acv/dcv加VA组成的模块；由ACVG加IA组成的模块连接由acv/dcv加VA组成的模块；acv/dcv连接检测信号输出端；电源输入端设置～220V-50Hz接口和+12V接口；～220V-50Hz接口连接外壳内的AC/DC转换电路及其后的CV；

其中，AC/DC：～220V-50Hz交流转直流电源电路；

CV：恒压12v电路；

ACVG：高频电压信号发生器电路；

IA：高频电流恒流电路；

VA：微电子流电压放大电路；

acv/dcv：高频信号电压转直流信号电压电路。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：在室内使用的室内型传感器为方形或圆形，耦合线圈是空心的，在野外使用的野外型传感器为圆形，耦合线圈是全封闭的。

3.根据权利要求2的传感器，其特征在于：在室内使用的室内型传感器设置两个完全一样的耦合线圈。

4.权利要求2的传感器在非饱和土土水特性快速定量检测中的应用方法，其特征在于：分为室内检测和野外检测，

室内检测主要步骤包括：

1）制备被试样本；

2）使用的室内型传感器，实验装置的工作电源电压为12VDC，使被试样本中的电荷偶极子极化激励磁场频率初值设定为100MHz；

3）将两个同样的被试样品分别装入两个耦合线圈中；

4）对其中一个耦合线圈的被试样品注入纯净水，另一个耦合线圈中的样本不加纯净水；

5）记录含水量变化值，直到被试样品的含水量饱和达到平衡为止，即记录的电压值不变为止；

6）根据土的类型测定电压值，从预先绘制的电压值～含水率关系的率定参考标准获得该土的含水率；

野外检测主要步骤包括：

1）在土坡钻孔；

2）把野外型传感器埋入孔中，耦合线圈一端朝下，紧贴土层，然后用土将孔填满压实；

3）模拟人工降雨，给埋设传感器的土坡浇水；

4）记录含水量变化值，直到被试样品的含水量饱和达到平衡为止，即记录的电压值不变为止；

5）根据土的类型测定电压值，从预先绘制的电压值～含水率关系的率定参考标准获得该土的含水率。

5.根据权利要求4的方法，其特征在于：室内检测步骤1）是将过2mm筛的粉土装入容器中，击实致密成型为几何尺寸为直径5mm、高10mm～22mm的圆柱体；或者将步骤1）和步骤３）合并，将被试样品以粉状直接装入耦合线圈中，击实。

6.根据权利要求5的方法，其特征在于：在室内检测步骤5）每一分钟记录一次含水量变化值。

7.根据权利要求5的方法，其特征在于：在野外检测步骤1），钻孔尺寸为直径至少等于野外型传感器外径、深度至少等于野外型传感器长度。

8.根据权利要求5的方法，其特征在于：在野外检测步骤4）每一分钟记录一次含水量变化值。