[发明专利]采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测试冻土未冻水含量的系统及方法。

背景技术

冻土未冻水含量是冻土特征参量之一，此参数对于冻土区或季节冻土区众多地下工程设计与计算等方面具有重要的作用。同时，未冻水含量是冻土物理力学性质如强度、模量、阻尼、泊松比等变化的主导影响因子和热工计算的必需指标。因此，准觉测量未冻水含量具有重要的现实意义和理论意义。

在现有冻土未冻水含量测量术中：时域反射法通过测定土层介电常数，并根据特定环境下(土质、容重和温度等)的介电常数标定曲线，来确定土体含水量。由于土的介电常数受土质、容重和温度等物理因素的影响，标定曲线并不通用。因此对于冻土的未冻水含量的测量，不同的温度要建立不同的标定曲线，这使得对任意温度下冻土未冻水含量的测量难以实现。

差示扫描量热法将测得补给热量值进行一系列计算得到未冻水含量值。该方法预先要给出与被测土样一致的热场分布，即量热基线。而对于随机土样来说，确定量热基线是很难实现的。目前应用该方法对冻土未冻水含量的测量也只是基于已知量热基线的基础上进行的。

冻结温度法测量未冻水含量虽然仪器设备简单，但其只适用于扰动乳土和砂性土，并且需要事前测得土的塑限含水量和液限含水量，致使测量误差累计，影响测量精度。

可见，上述冻土未冻水含量的测量方法只适用于特定的温度、热场或特定种类的冻土，使得对冻土未冻水含量的测量工作收到很大限制。同时，以往的测量技术只是借助于相关设备对土体的某些物力特性或化学特性进行测量，再通过其他设备或方法将测量信息换算为冻土未冻水含量，测量过程受认为因素影响较大，使得测量精度和效率不高。

脉冲核磁共振法测定氢核在磁场中的自由感应衰减，根据信号强度与液态水的比例关系计算出未冻水含量。该方法由于其测试精度较高、测试速度快等优点以被众多研究机构采用。但是，该测量方法也存在一些弊端：测量过程过于繁琐，操作人员需要有较高的电磁学理论基础，不易于操作；对多温度，多种压力工况下，需要制备多个试件，使其暴漏在常温下，影响了测量精度。

发明内容

本发明为了解决目前冻土未冻水含量测试时测量过程繁琐、操作人员需要有较高的电磁学理论基础、不易于操作；对于多温度，多种压力工况下，需要制备多个试件，使其暴露在常温下影响测量精度的问题，提供了一种采用脉冲核磁共振测试冻土未冻水含量的系统及方法。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：系统方案：系统包括频率合成器、前置放大器、脉冲产生器和操控与显示平台，所述系统还包括射频探头、永久磁体N极、磁体S极、屏蔽框、制冷管线和恒温控制箱，射频探头、永久磁体N极和磁体S极均设在屏蔽框内，射频探头由土壤测试管、陶瓷管和脉冲感应线圈构成，恒温控制箱由氮气罐、压力控制阀、压缩机、温度控制阀、温度传感器和压力传感器构成，土壤测试管装在陶瓷管内，温度传感器的一端设在土壤测试管内，温度传感器的温度信号输出端连接温度控制阀的温度信号输入端，温度控制阀驱动压缩机运转，操控与显示平台的温度控制信号输出端连接温度控制阀的温度控制信号输入端；

压力传感器的一端设在陶瓷管内，压力传感器的压力信号输出端连接压力控制阀的压力信号输入端，操控与显示平台的压力控制信号输出端连接压力控制阀的压力控制信号输入端，陶瓷管的顶部设有氮气输入口和氮气输出口，氮气输入口和氮气输出口均与氮气罐的输出端连通，压力控制阀设在氮气罐的输出端上；

脉冲产生器的射频脉冲信号输出端连接前置放大器的射频脉冲信号输入端，前置放大器的同步脉冲信号输出端连接操控与显示平台的示波器的同步脉冲信号输入端；

陶瓷管的外部设有脉冲感应线圈，脉冲感应线圈设在永久磁体N极和磁体S极之间，脉冲感应线圈的一端连接前置放大器的磁化强度自由衰减信号输入端，前置放大器将磁化强度自由衰减信号放大400倍后传送至频率合成器的放大信号输入端，频率合成器的放大信号输出端连接操控与显示平台的ARM11单片机芯片；

方法方案：方法包括以下步骤：

步骤一、操控与显示平台输出压力控制信号到压力控制阀的压力控制信号输入端，压力控制阀控制氮气罐内氮气的输出量，操控与显示平台输出温度控制信号到温度控制阀的温度控制信号输入端，温度控制阀驱动压缩机的转速，输入试件拟达到温度和压力环境；

步骤二、温度传感器和压力传感器实时监测试件温度和陶瓷管内压力并将数据发送至温度控制阀和压力控制阀；