[发明专利]一种基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量方法及装置，包括：加热电源、内置电阻丝和FBG的管状传感器、FBG解调仪和分析处理监测数据的计算机。将制作完成的管状传感器通过直埋或钻孔埋设入待测冻土中；连接加热电源对管状传感器内置的电阻丝进行短期加热，热量通过导热性能良好的管状传感器扩散到周围冻土中；管状传感器内置的FBG感测温度变化，并通过FBG解调仪采集并记录FBG的波长读数；将波长数据处理转化为温度变化，得到升温过程中的温度特征值；最后通过率定试验建立的冻土含冰量i与温度特征值ΔT_t间的线性关系,得到冻土含冰量。本发明可以实现分布式、连续性测量冻土含冰量。

技术领域

本发明公开了一种光纤布拉格光栅(FBG)的分布式原位测量冻土含冰量的方法及装置，涉及冻土含冰量测量技术领域。

背景技术

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土，是由土颗粒、冰、未冻水、气体组成的多相复杂体系。冻土对温度十分敏感且物理性质不稳定，其特性除了与土壤质地、容重和含水量有关外，还受含冰量的控制。不同于未冻土，冻土中的冰，使得冻土的性质既特殊又复杂。因此，测量冻土含冰量对于理论研究和工程实践都具有重要的意义。

目前，冻土含冰量测量方法有膨胀法、介电谱法、热脉冲法和核磁共振法(NMR)。

膨胀法基本原理是：将待测土壤样本放置在一个圆柱容器中润湿至饱和，在容器的一端插入一根管状的张力计并延至该容器的另一端。当土壤冻结时，由于土壤是饱和的，形成的冰的体积就会膨胀，为了保证土壤结构不被破坏，膨胀的体积会迫使部分液态水从土壤孔隙中流出并透过张力计进入预先标定好的毛细管中。通过测量毛细管中的液态水，再依据水冻结成冰的膨胀系数，冰的体积便可以计算出来。

介电谱法的基本原理是：通过测定冻土的介电常数来间接反映含冰量，通常通过确定两个频率下的介电谱并结合介电混合模型来推算饱和土壤的含冰量。

热脉冲法基本原理是：当冻土温度不变时，未冻水含量不再变化。借助热脉冲测定出冻土的热导率，便可计算出冻土含冰量。仅仅适用于温度较低的环境下，当温度接近冻结点时，测定结果不具可靠性。

核磁共振法(NMR)的测量原理是：一些原子的原子核就像一些小型的磁棒，在外加强磁场的作用下，这些原子核会定向排列。如果再加上无线电频波的作用，这些原子将吸收足够的能量从而在外加磁场内以另一个稳定的方向重新排列。将预先准备好的冻土土样放置于一个脉冲分析仪中，并对土样发射度的无线电脉冲。在无线电脉冲的作用下，围绕在土样周围的接收线圈将产生能够反映吸收能量原子数的电压，其大小与土样中固态冰的氧原子量成正比。分析仪通过检测上述电压便能测定出冻土样本中的含冰量。

上述四种方法均能够测量冻土含冰量，也都有各自的局限性：膨胀法仅仅局限在实验室环境下，容易破坏冻土原有结构且无法测定非饱和土壤的冻土含冰量；热脉冲法在温度较低的环境下可以测定出含冰量，但当温度接近冻结点时，测定的数据不够准确；介电谱法的使用受到土壤类型的制约；NMR法具有较高的测量精度，但分析仪体积庞大、价格昂贵，且安装与使用十分复杂，其应用范围仅仅局限于实验室环境，无法广泛使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于FBG的分布式原位测量冻土含冰量的方法及装置，基于温度响应原理，运用FBG管状传感器，对内加热的管体进行温度感测，通过管体的升温曲线来确定温度特征值，从而测量冻土含冰量。解决了含冰量测量不准确、冻土原状结构易被破坏、难以对冻土含冰量进行原位测量等缺点。

为解决上述问题，本发明采用以下技术方案：一种基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量方法，包括如下步骤：

步骤一、将制作、封装完备的管状传感器植入待测冻土的相应位置，所述管状传感器包括管体、光纤、加热电阻丝和FBG传感器；

步骤二、所述管状传感器管体在电流作用下开始升温；待扩散热流密度恒定后停止升温，管体开始降温；