[发明专利]一种基于光纤光栅的土体基质吸力准分布式原位测量方法及装置

权利要求书

1.一种基于光纤光栅脉冲加热的土体基质吸力准分布式原位测量方法，包括如下步骤：

步骤一、将制作完备的基质吸力传感器在水中充分饱和后植入待测土体中，所述基质吸力传感器包括陶土棒棒体、光纤、加热电阻丝和光纤光栅；

步骤二、将传感器静置于土中24h，使土体与陶土棒达到水势平衡；

步骤三、所述基质吸力传感器在加热电阻丝电流作用下开始升温；待扩散热流密度恒定后停止升温，棒体开始降温；

步骤四、光纤光栅解调仪采集并记录加热时间区间[t₁,t₂]内光纤光栅的波长读数，所述的t₁为热脉冲开始时间，t₂为棒体开始降温的时间；

步骤五、通过光纤出厂时的波长与温度转化关系公式，运用计算软件将波长数据转化为棒体温度信息；计算棒体的温度变化值，根据陶土棒的温度变化值与水饱和度的经验关系：l＝k₁ΔT_t+b₁，式中l为陶土棒的水饱和度，ΔT_t为基质吸力传感器所测的温度变化值，k₁、b₁为常数，通过若干组陶土棒的水饱和度和温度变化值的率定试验确定；所述基质吸力传感器温度变化值为光纤光栅脉冲加热时间区间[t₁,t₂]内所测得的热脉冲加热后的温度值与初始温度的差值；上述陶土棒的温度变化值与水饱和度关系结合陶土棒的土水特征曲线得到土体基质吸力。

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅脉冲加热的土体基质吸力准分布式原位测量方法，其特征在于，步骤一中是将基质吸力传感器直接插入或预埋入待测土体中进行监测；对于同一根陶土棒，通过控制水含量配置出陶土棒的不同含水状态，结合滤纸吸力测试法标定出不同饱和度下陶土棒的基质吸力16～20组，绘制出陶土棒的土水特征曲线。

3.根据权利要求1所述的基于光纤光栅脉冲加热的土体基质吸力准分布式原位测量方法，其特征在于，步骤二所述基质吸力传感器加热功率恒定，是一种电流方波，保证传感器迅速加热；步骤四中所述的时间间隔为5～10秒。

4.根据权利要求1所述的基于光纤光栅脉冲加热的土体基质吸力准分布式原位测量方法，其特征在于，步骤三中所述时间区间[t₁,t₂]定义为热脉冲时间区间。

5.根据权利要求1所述的基于光纤光栅脉冲加热的土体基质吸力准分布式原位测量方法，其特征在于，运用光纤光栅脉冲加热法测得传感器陶土棒中的含水率，通过标定建立的陶土棒基质吸力与含水率的关系，在水势平衡的条件下，得到所测土体的基质吸力；陶土材料的土水特征曲线，根据陶土材料不同含水状态结合滤纸吸力测试法确定。

6.一种用于权利要求1～5任一所述的基于光纤光栅脉冲加热的土体基质吸力准分布式原位测量方法中的装置，其特征在于，包括加热电源、基质吸力传感器、光纤光栅解调仪和分析处理监测数据装置；所述基质吸力传感器主体由陶土棒、陶土棒内设的高热敏绝缘管两部分构成，其中高热敏绝缘管中内置电阻丝和光纤光栅，二者使用热膨胀系数与陶土棒相近的有机材料加固，加热电阻丝和光纤穿过高热敏绝缘管，电阻丝通过通电导线和加热电源连接，光纤上刻有若干光纤光栅，光纤光栅通过光纤引线与光纤光栅解调仪连接，用于采集并记录加热趋于稳定后的波长读数；所述分析处理监测数据装置连接光纤光栅解调仪，并通过波长与温度的换算关系，将波长数据转化为高热敏绝缘管管体温度信息并计算内部的温度变化值。

7.根据权利要求6所述用于基于光纤光栅脉冲加热的土体基质吸力准分布式原位测量方法中的装置，其特征在于，所述的基质吸力传感器内部的高导热管管体材料采用高热敏绝缘非金属材料，导热系数为1.13～1.20W/(m·K)。