CN105445439A - 一种适用于天然盐渍土形成机理的室外自动监测*** - Google Patents

Abstract

本发明属于土木工程仪器技术领域，涉及一种适用于室外对天然盐渍土形成机理进行自动监测的***。该***主要由室外信息控制***﹑太阳能能源***﹑室内信息控制***和计算机数据处理***四部分组成。所述的室外信息控制***由室外无线传输天线﹑室外无线控制模块﹑电源连接板和数据采集处理装置组成；所述的太阳能能源控制***由太阳能接收板﹑光能转化模块﹑电源连接板和蓄电池组成；所述的室内信息控制***由室内无线传输天线﹑室内无线控制模块﹑电源连接板和信息处理装置组成；本发明能够通过自动监测﹑现场存储﹑远距离传输﹑室内接收等过程对盐渍土形成过程中各因素实时记录，从而实现对盐渍土的形成过程进行全自动监测。

Description

一种适用于天然盐渍土形成机理的室外自动监测***

技术领域

本发明属于土木工程仪器技术领域，涉及一种适用于室外对天然盐渍土形成机理进行自动监测的***；特别地涉及一种主要用于分析室外的天然盐渍土在形成过程中，水分-盐分-温度等因素在天然盐渍土形成过程中的变化规律以及之间的耦合关系，从而揭示天然盐渍土的形成机理。

背景技术

随着国家对西部大开发的加大投入，基础工程领域迎来了前所未有的发展机遇，由于西部地区特有的季节性及昼夜温差变化较大加之地下水位较高等自然环境，导致水分﹑盐分在高温条件下大量逐步上移累积于土体顶部，在水分大量蒸发后剩余大量盐分从而形成盐渍土。由于盐渍土特有的冻胀性﹑溶陷性及腐蚀性等工程性质，使大量工程出现不同程度的破坏，如大量公路出现翻浆﹑塌陷等破坏性急强；盐渍土是制约当地基础工程建设的发展瓶颈，所以深入分析盐渍土的形成机理，研究盐渍土的工程特性很有必要性。

目前，国内外对盐渍土的工程特性及机理分析研究相对较少，通常的做法是现场采样试样，室内进行洗盐后，加入不同的含盐量分析该土样的工程特性参数的变化规律。由于室内与自然环境中有较大的差距，室内测得的工程参数与自然环境中的误差较大。针对实际中存在的问题，国内外一些文献披露：①青岛滩海工程咨询研究院的贾永刚﹑付腾飞﹑单海龙申请号为201110136943.3的“一种土壤水盐运移过程的原位实时自动监测***及方法”专利，构思是通过远程﹑原位﹑实时﹑自动地测量一定范围内的电阻率值，根据电阻率值的实时变动判断水盐的运移，从而实现水盐运移的原位自动监测；该装置有一定的局限性：如温度因素对水盐的运移有很大影响，不能实时监测温度的影响，难以分析水分-盐分-温度的耦合关系，对于高寒地区进行水盐监测不宜适用；②中国海洋大学贾永刚教授的硕士生付鹏飞的硕士论文“滨海盐渍土水盐运移过程实时自动监测研究”提出运用所开发的水盐运移实时自动监测***，通过对监测***的优化设计，使其更加适用于滨海盐渍土水盐运移过程的监测；博士研究生夏欣的博士论文“基于电阻率测量的海床蚀积过程原位监测技术研究”，提出设计一个基于电阻率测量的海床蚀积过程原位监测***，用于实现风暴极端海况下及一般海况下的海床蚀积过程原位监测，为海床蚀积机理研究及其他相关研究提供实时监测数据；该装置主要是通过电阻率对滨海地区盐渍土的水盐监测，难以应用于高严寒地区盐渍土的监测；③吉林大学的卞建民教授的硕士研究生李潇翰的硕士论文“基于试验及模型的冻融过程中水盐运移规律研究”，提出采用高密度电阻率成像法与ARCGIS中的地统计模块，对盐碱地剖面盐分含量进行监测及插值计算，设计并进行了室内冻融循环试验，分析了冻融条件下的水盐运移规律；④兰州大学武生智教授的硕士研究生贾森林的硕士论文“土壤一维水盐运移的双向耦合数值模拟”，提出基于水分运动方程和溶质运移方程，同时考虑参数的变化，得到了考虑盐分浓度对土壤参数的修正模型，并应用修正后的模型对一维水盐运移问题进行了数值模拟；⑤长安大学包卫星﹑杨晓华﹑谢永利等2006年在岩土工程学报上发表的“典型天然盐渍土多次冻融循环盐胀试验研究”及在工程地质学报上发表的“天然盐渍土冻融循环时水盐迁移规律及强度变化试验研究”文中提出选取典型的天然盐渍土，在自制的开放性***中进行室内模拟试验，进行多次冻融循环后，从土的类别角度研究了天然盐渍土的盐胀规律，同时也对不同土类天然盐渍土的水盐迁移规律及强度变化进行了探讨；⑥长安大学张莎莎﹑谢永利﹑杨晓华等2010年在岩土力学上发表的“典型天然粗粒盐渍土盐胀微观机制分析”中为研究多次冻融循环后天然盐渍土的盐胀特性及盐胀机制，对料场的天然盐渍土进行了室内基本工程性质试验和大尺寸多次冻融循环盐胀模型试验，并对多次冻融循环后的天然盐渍土进行水分迁移及扫描电镜分析；⑦新疆农业大学张远芳等，申请号为201310648394.7的“一种适用于天然盐渍土的冻融循环检测装置”的专利，设计了一种对天然盐渍土在自然环境下的冻融循环现象进行模拟并进行全自动数字监测的装置，在室内模拟天然盐渍土的形成过程，研究天然盐渍土在多次冻融循环过程中的变化规律；张远芳老师的一些相关论文也对罗布泊地区的天然盐渍土进行了室内基本工程特性试验研究和冻胀溶陷性试验研究，并分析了不同影响因素对力学参数的室内三轴试验研究，揭示了不同影响因素对力学参数的影响规律。

综合分析目前国内外关于盐渍土的研究成果，无论是研究手段还是研究方法都比较落后；虽然研究方法已由室内添加不同含盐量分析盐渍土的工程特性逐步转变为利用大型室内模拟试验***进行盐渍土的模拟试验研究，同时室外的实时检测也逐步开始，主要是对水盐的运移规律进行了分析，对盐渍土的形成机理研究较少，特别是对于高严寒地区天然盐渍土的室外监测***研究更是甚少，对室内模拟试验与室外实时监测两者的结合分析研究更是尚属少见；针对当前的西北地区的发展需要，对天然盐渍土的室外进行自动监测***的研制很有必要，同时也是对室内天然盐渍土模拟试验研究成果的正确与否的有力验证。能够进一步推动盐渍土地区的工程建设。

发明内容

有鉴于当前的发展现状，本发明的目的在于提供一种适用于室外天然盐渍土形成过程中水分-盐分-温度等因素测量的实时监测***，研究天然盐渍土的形成机理，从而便于为室内天然盐渍土模拟试验的研究提供有力验证，更有效地为工程建设提供技术支持，彰显科学技术的进步。

本发明的思路是通过室外实时监测﹑现场存储﹑远距离传输﹑室内接收等过程自动地对盐渍土形成过程中各因素实时的数据进行记录，从而实现对盐渍土的形成过程进行全自动监测；具体过程是在所研究的区域进行多次分层水平方向埋设水分传感器﹑盐分传感器﹑温度传感器，所有传感器的导线分别与数据采集处理装置连接，数据采集处理装置分别连接于室外无线控制模块和电源连接板，室外无线控制模块也分别与室外无线天线和电源连接板连接，对所采集的数据或接受的信号进行处理，通过无线信号与室内信息控制***进行信息传输；室内信息控制***与计算机数据处理***连接，便于对所采取的数据进行分析处理；室外信息控制***与太阳能能源***连接，便于为室外仪器的工作提供电能；从而实现对天然盐渍土的形成机理进行全自动监测，分析盐渍土形成过程中各因素的变化规律及相互之间的耦合关系。

为实现上述目的，本发明提供了一种室外天然盐渍土形成机理的室外自动监测***，所述的室外天然盐渍土监测***主要包括：室外信息控制***﹑太阳能能源***﹑室内信息控制***和计算机数据处理***四部分组成。

所述的室外信息控制***主要通过把盐分传感器﹑水分传感器﹑温度传感器在野外进行埋设，在选定的监测区域内垂直分六层进行布置，在每层的水平面内平行放置盐分传感器﹑水分传感器﹑温度传感器各一个，所有的六层布置方法相同；所有传感器的数据线与数据采集处理装置连接，数据采集处理装置与室外无线控制模块连接，室外控制无线控制模块与室外无线传输天线连接，数据采集处理装置和室外无线控制模块分别与电源连接板连接，电源连接板与太阳能能源***连接。

所述的太阳能能源***主要由太阳能接收板﹑光能转化模块﹑电源连接板﹑电能控制模块和蓄电池组成，太阳能接收板与光能转化模块连接，光能转化模块分别与电能控制模块，电能控制模块分别连接于蓄电池和电源连接板连接接口。

所述的室内信息控制***主要由室内无线控制模块﹑电源连接板和信息处理装置组成；室内无线控制模块分别与室内无线传输天线和信息处理装置连接，信息处理装置和室内无线控制模块分别连接于电源连接板，通过电源连接板与电源连接；信息处理装置连接着计算机数据处理***，便于把数据导入计算机内进行分析。

根据本发明所述的室外信息控制***的工作原理是：通过室外的无线传输天线接收无线信号，然后传入无线控制模块；根据所设定的采集时间及频率等命令实现对盐分传感器﹑水分传感器﹑温度传感器的启动，开始进行数据采集，采集过程中所获得的数据传入数据采集处理装置，暂时储存于缓存区域；等待室内的传输命令，如接到数据传输命令，再把所采集的数据通过无线信号传入室内信息控制***；室外所有的相关设备通过电源连接板与太阳能能源***连接，使相关设备正常工作。

根据本发明所述的太阳能能源***的工作原理是：太阳能能源***通过太阳能接收板接收太阳能，然后传入光能转化模块实现太阳能与电能的转化，转化后的太阳能连接于电能控制模块；电能控制模块实现对电能的控制分配，当相关设备需要消耗电能时，电能控制模块直接通过电源连接板把电能输出，当设备不需要电能时，电能转化为化学能，储存于蓄电池中，当蓄电池电能蓄满时，自动切断太阳能的转化。

根据本发明所述的室内信息控制***的工作原理是：室内的信息控制***通过Zigbee无线信号与室外的无线控制模块保持信息的传输。当信息传出时，计算机数据处理***把命令传入室内无线控制模块，室内无线控制模块通过连接的室内无线传输天线把命令通过无线电信号传出，室外的控制***按接收到的信号进行工作；当信号传入时，如采集数据进行传入时，室外的采集数据通过无线传输天线进入无线控制模块，处理后传入数据处理装置，进一步处理后导入计算机数据***，进一步对数据进行整理分析。

上述的盐分传感器﹑水分传感器﹑温度传感器均为市售产品，符合国家的基本技术要求，配有USB2.0接口，便于与计算机连接；所述的室外无线控制模块和室内的无线控制模块内均含有客户端服务程序。

一种适用于天然盐渍土形成机理的室外自动监测***，其特征包括的操作步骤如下：

（1）根据试验的研究区域确定试验位置，对上述确定的试验点进行取土，钻取一直径为60cm的圆柱试验区域，深度取至浅层的地下水位深度或1.6m的最小值；

（2）选取相同土质的土体进行洗盐，按设计的要求控制回填土的密度，每个30cm埋设一层传感器，传感器的埋设方向为之间的角度为120°，最上层离顶面的高度为10cm,根据具体情况确定埋设传感器的层数；

（3）将埋设好的传感器分别与数据采集处理装置连接，检测所有的传感器能否正常测量；

（4）通过室内的软件程序设置数据采集的相关参数，并启动室外实时自动监测；

（5）将监测到的数据通过室外的无线传输模块，将信号传入室内的信息控制***，综合分析后导入计算机数据处理***；

（6）接收到的数据信息后，计算机上的程序软件将实时动态地绘制出动态的变化曲线，综合分析对比之间的耦合关系。

相比于现有的技术，本发明通过室外测试具有如下效果：

（1）采用本发明的室外天然盐渍土监测***能够对盐渍土的室外形成机理进行全程监测，更加准确地对天然盐渍土的形成过程进行研究；

（2）采用本发明的室外天然盐渍土监测***能够对室内天然盐渍土的模拟试验***进行对比分析，验证室内试验参数的可靠性，为工程建设提供可靠建议。

附图说明

图1为天然盐渍土室外自动监测***连接示意图。

图2为室外信息控制***示意图。

图3为太阳能能源***示意图。

图4为室内信息控制***示意图。

图5为太阳能能源***原理示意图。

图6为室外自动监测***原理框图。

图7为室内试验过程控制程序流程图。

图8为室外控制装置程序流程图。

其中：1室外信息控制***，2太阳能能源***，3室内信息控制***，4计算机数据处理***，5盐分传感器，6水分传感器，7温度传感器，8室外无线传输天线，9太阳能接收板，10室内无线传输天线，11室外无线控制模块，12数据采集处理装置，13电源连接板，14光能转化模块，15，电源连接板，16电能控制模块，17蓄电池，18室内无线控制模块，19电源连接板，20信息处理装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，本发明提供的室外天然盐渍土自动监测***主要由：室外信息控制***（1）﹑太阳能能源***（2）﹑室内信息控制***（3）和计算机数据处理***（4）组成；所述的室外信息控制***（1）由室外无线传输天线（8）﹑室外无线控制模块（11）﹑电源连接板（13）和数据采集处理装置（12）组成；所述的太阳能能源控制***（2）由太阳能接收板（9）﹑光能转化模块（14）﹑电源连接板（15）和蓄电池（17）组成；所述的室内信息控制***（3）由室内无线传输天线（10）﹑室内无线控制模块（18）﹑电源连接板（19）和信息处理装置（20）组成。

如图2所示，本发明提供的室外信息控制***（1）主要通过把盐分传感器（5）﹑水分传感器（6）﹑温度传感器（7）在相关区域进行埋设，在选定的监测区域内垂直分六层进行布置，在每层的水平面内平行放置盐分传感器（5）﹑水分传感器（6）﹑温度传感器（7）各一个，所有的六层布置方法相同；所有传感器的数据线与数据采集处理装置（12）连接，数据采集处理装置（12）与室外无线控制模块（11）连接，室外控制无线控制模块（11）与室外无线传输天线（8）连接，数据采集处理装置（12）和室外无线控制模块（11）分别与电源连接板（13）连接，电源连接板（13）与太阳能能源***（2）连接。

如图3所示，本发明提供的太阳能能源***（2）主要由太阳能接收板（9）﹑光能转化模块（14）﹑电源连接板（15）﹑电能控制模块（16）和蓄电池（17）组成，太阳能接收板（9）与光能转化模块（14）连接，光能转化模块（14）分别与电能控制模块（16），电能控制模块（16）分别连接于蓄电池（17）和电源连接板（15）连接接口。

如图4所示，本发明提供的室内信息控制***（3）主要由室内无线控制模块（18）﹑电源连接板（19）和信息处理装置（20）组成；室内无线控制模块（18）分别与室内无线传输天线（10）和信息处理装置（20）连接，信息处理装置（20）和室内无线控制模块（18）分别连接于电源连接板（19），通过电源连接板（19）与电源连接；信息处理装置（20）连接着计算机数据处理***（4），便于把数据导入计算机内进行分析。

如图5所示，太阳能能源***的工作原理是通过太阳能接收板（9）接收太阳能，然后传入光能转化模块（14）实现太阳能与电能的转化，转化后的太阳能连接于电能控制模块（16）；电能控制模块（16）实现对电能的控制分配，当相关设备需要消耗电能时，电能控制模块（16）直接通过电源连接板（15）把电能输出，当设备不需要电能时，电能转化为化学能，储存于蓄电池（17）中，当蓄电池（17）电能蓄满时，自动切断太阳能的转化。

如图6所示，盐渍土室外自动监测***原理为在研究区域埋设的盐分传感器﹑水分传感器和温度传感器分别连接于数据采集装置，数据采集装置与太阳能能源***连接，便于提供电能；数据采集装置与计算机***连接，便于相互之间信息的传输。

如图7所示，室内数据控制软件程序的工作流程主要是打开该程序后，首先进行相关参数的设置和模块的初始化，该程序主要分为数据采集模块和数据传输模块两大部分；在数据采集模块里，当进行数据采集时，发送数据采集命令，信息传输到室外的无线控制模块，室外的传感器将按照设定的程序进行相关数据的采集，当采集完毕后，反馈回分析，直到采集结束为止；在数据传输模块里，当进行数据传输命令后，无线远程控制模块就将数据通过无线信号传输到室内的信息控制***，进行综合分析后，转入计算机数据处理***，动态地呈现出数据的变化曲线。

如图8所示，室外数据信息控制***程序的工作流程是首先初始化后，检查接收区域内的信号判别是数据采集还是数据传输命令，如确定是数据采集的执行命令后，按照室内信息控制***设定的参数，通过传感器对研究区域的数据进行测量，然后储存于缓存区域；当确定是数据传输的命令后，检查缓存区域的数据，确定传输的对象后，将数据通过无线信号传入室内信息控制***。

一种适用于天然盐渍土形成机理的室外自动监测***，其特征包括的操作步骤如下：

（1）根据试验的研究区域确定试验位置，对上述确定的试验点进行取土，钻取一直径为60cm的圆柱试验区域，深度取至浅层的地下水位深度或1.6m的最小值；

（2）选取相同土质的土体进行洗盐，按设计的要求控制回填土的密度，每个30cm埋设一层传感器，传感器的埋设方向为之间的角度为120°，最上层离顶面的高度为10cm,根据具体情况确定埋设传感器的层数；

（3）将埋设好的传感器分别与数据采集处理装置连接，检测所有的传感器能否正常测量；

（4）通过室内的软件程序设置数据采集的相关参数，并启动室外实时自动监测；

（5）将监测到的数据通过室外的无线传输模块，将信号传入室内的信息控制***，综合分析后导入计算机数据处理***；

（6）接收到的数据信息后，计算机上的程序软件将实时动态地绘制出动态的变化曲线，综合分析对比之间的耦合关系。

本发明的特点如下：

（1）室外信息控制***主要通过把盐分传感器﹑水分传感器﹑温度传感器在相关区域进行埋设，在选定的监测区域内垂直分六层进行布置，所有传感器的数据线与数据采集处理装置连接；

（2）太阳能能源***主要由太阳能接收板﹑光能转化模块﹑电源连接板﹑电能控制模块和蓄电池组成，为室外的传感器及信号设备的传输提供能源；

（3）室内信息控制***主要由室内无线控制模块﹑电源连接板和信息处理装置组成，信息处理装置连接着计算机数据处理***，便于把数据导入计算机内进行分析。

本发明的创新点：

（1）通过在研究区域埋设传感器，对影响因素进行实时监测，采集数据信息后通过无线信号实现远距离传输，能够大大节省人力物力，数据具有较强的真实性；

（2）充分利用太阳能转化为电能为室外的设备提供能源，能够满足所有设备的正常运行，具有环保﹑高效等优点；

（3）室内信息控制***能够进行远距离控制，提高工作效率，便于室内立即进行数据分析处理。

Claims (5)

1.一种适用于天然盐渍土形成机理的室外自动监测***包括：室外信息控制***（1）﹑太阳能能源***（2）﹑室内信息控制***（3）和计算机数据处理***（4）组成；所述的室外信息控制***（1）由室外无线传输天线（8）﹑室外无线控制模块（11）﹑电源连接板（13）和数据采集处理装置（12）组成；所述的太阳能能源控制***（2）由太阳能接收板（9）﹑光能转化模块（14）﹑电源连接板（15）和蓄电池（17）组成；所述的室内信息控制***（3）由室内无线传输天线（10）﹑室内无线控制模块（18）﹑电源连接板（19）和信息处理装置（20）组成。

2.如权利要求1所述的室外信息控制***（1）主要通过把盐分传感器（5）﹑水分传感器（6）﹑温度传感器（7）在相关区域进行埋设，在选定的监测区域内垂直分六层进行布置，在每层的水平面内平行放置盐分传感器（5）﹑水分传感器（6）﹑温度传感器（7）各一个，所有的六层布置方法相同；所有传感器的数据线与数据采集处理装置（12）连接，数据采集处理装置（12）与室外无线控制模块（11）连接，室外控制无线控制模块（11）与室外无线传输天线（8）连接，数据采集处理装置（12）和室外无线控制模块（11）分别与电源连接板（13）连接，电源连接板（13）与太阳能能源***（2）连接。

3.如权利要求1所述的太阳能能源***（2）主要由太阳能接收板（9）﹑光能转化模块（14）﹑电源连接板（15）﹑电能控制模块（16）和蓄电池（17）组成，太阳能接收板（9）与光能转化模块（14）连接，光能转化模块（14）分别与电能控制模块（16），电能控制模块（16）分别连接于蓄电池（17）和电源连接板（15）连接接口。

4.如权利要求1所述的室内信息控制***（3）主要由室内无线控制模块（18）﹑电源连接板（19）和信息处理装置（20）组成；室内无线控制模块（18）分别与室内无线传输天线（10）和信息处理装置（20）连接，信息处理装置（20）和室内无线控制模块（18）分别连接于电源连接板（19），通过电源连接板（19）与电源连接；信息处理装置（20）连接着计算机数据处理***（4），便于把数据导入计算机内进行分析。

5.一种适用于天然盐渍土形成机理的室外自动监测***，其特征包括的操作步骤如下：

（1）根据试验的研究区域确定试验位置，对上述确定的试验点进行取土，钻取一直径为60cm的圆柱试验区域，深度取至浅层的地下水位深度或1.6m的最小值；

（2）选取相同土质的土体进行洗盐，按设计的要求控制回填土的密度，每个30cm埋设一层传感器，传感器的埋设方向为之间的角度为120°，最上层离顶面的高度为10cm,根据具体情况确定埋设传感器的层数；

（3）将埋设好的传感器分别与数据采集处理装置连接，检测所有的传感器能否正常测量；

（4）通过室内的软件程序设置数据采集的相关参数，并启动室外实时自动监测；

（5）将监测到的数据通过室外的无线传输模块，将信号传入室内的信息控制***，综合分析后导入计算机数据处理***；

（6）接收到的数据信息后，计算机上的程序软件将实时动态地绘制出动态的变化曲线，综合分析对比之间的耦合关系。