專利名稱：電磁波測(cè)試土體介電常數(shù)的測(cè)試方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用電磁波反射的檢測(cè)裝置，尤其是涉及一種電磁波測(cè)試土體 介電常數(shù)的測(cè)試方法和裝置。
技術(shù)背景工程上可以利用電磁波方法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試土體含水量。美國(guó)現(xiàn)場(chǎng)含水量測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTM6780是利用TDR (電磁波時(shí)域反射方法)測(cè)試土體含水量，先需要先 測(cè)定土體的介電常數(shù)，然后通過(guò)室內(nèi)標(biāo)定方程得到土體的含水量。傳統(tǒng)的TDR 方法測(cè)試土體的介電常數(shù)是用行程時(shí)間法，是根據(jù)電磁波在不同介電常數(shù)的土 體中傳播速度不同，先得到電磁波在測(cè)試土體的傳播時(shí)間。而傳播時(shí)間是根據(jù) 電磁波在傳感器中的第一個(gè)反射點(diǎn)和末端反射點(diǎn)來(lái)確定。對(duì)于高電導(dǎo)率土體， 電磁波會(huì)在土體中傳播時(shí)有很大的能量損耗，引起電磁波的消散，這種情況下 很難準(zhǔn)確確定末端反射點(diǎn)。所以傳統(tǒng)的TDR方法難以測(cè)試高電導(dǎo)率土體的介電 常數(shù)，從而得到它的含水量。而在實(shí)際工程中，高電導(dǎo)率的化學(xué)加固土的含水 量又是一個(gè)很重要的物理參數(shù)，所以本發(fā)明介紹了一種新的測(cè)試高電導(dǎo)率土體 介電常數(shù)的測(cè)試裝置和方法，為測(cè)試其含水量打下基礎(chǔ)。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種電磁波測(cè)試土體介電常數(shù)的測(cè)試裝置和方法， 尤其是高電導(dǎo)率土體介電常數(shù)的測(cè)試。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下-一、 一種電磁波測(cè)試土體介電常數(shù)的測(cè)試方法，該方法的步驟如下1) 將所要測(cè)試的土體按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法在擊實(shí)桶中擊實(shí)，使土體 高度與擊實(shí)桶平齊，在中心打入不銹鋼探針；2) 在擊實(shí)桶上端放上不銹鋼環(huán)，同軸測(cè)頭上的不銹鋼塊下端的中心裝有第一 根螺桿，不銹鋼塊下端的同一圓周上等分安裝有第二、三、四根螺桿，露出在 不銹鋼塊下端的四根螺桿等長(zhǎng)，然后將四根測(cè)試桿接到四根螺桿上，然后將接 上測(cè)試桿的同軸測(cè)頭放在不銹鋼環(huán)上，不銹鋼探針與第一根測(cè)試桿相接觸，第 二、三、四根測(cè)試桿與不銹鋼環(huán)相接觸；3) 接上同軸電纜和TDR測(cè)試儀器，打開(kāi)PC，利用TDR儀器自帶的PMTDR軟件采集波形，土體介電常數(shù)7^=^^， ^為與儀器有關(guān)的標(biāo)定常數(shù)，在本方法中k取1，式中P3為土體表面反射系數(shù)，可以通過(guò)下面的式子求得A=Pl/ (1) /^^^ (2) A、 ，、:~ 2、 (3)，其中p!f為TDR測(cè)試波形上同軸測(cè)頭和同軸電纜交界面的反射系數(shù)，P2f為測(cè)試波形上測(cè)試桿和同軸測(cè)頭交界面的 反射系數(shù)，P3f為測(cè)試波形上土體表面的反射系數(shù)，它們的取值方法如下，利用Svitzky和Golay 1964年所述的對(duì)波形求一次導(dǎo)數(shù)的方法，對(duì)TDR測(cè)試波形求 導(dǎo)，得到一個(gè)橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為反射系數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)的波形，在波形上 得到同軸測(cè)頭、測(cè)試桿、土體三個(gè)交界面的反射結(jié)束時(shí)時(shí)間t,、 t2和t3，然后找 到對(duì)應(yīng)TDR測(cè)試波形上縱坐標(biāo)的值，即為pw、 p2f、 P3f的取值；通過(guò)式(1)求得Pi，將Pi代入式(2)求得p2,再將p!、 P2代入式(3)求得p3。 二、 一種電磁波測(cè)試土體介電常數(shù)的測(cè)試裝置傳感器通過(guò)BNC接頭經(jīng)同軸電纜與電磁波發(fā)射器相連接，電磁波發(fā)射器與 PC機(jī)連接；所述的傳感器包括同軸測(cè)頭和同軸測(cè)試桶，其中1) 同軸測(cè)頭包括不銹鋼塊、四根測(cè)試桿和四根螺桿，在不銹鋼塊中心開(kāi)有 上端小、下端大的階梯孔，小孔中裝有BNC接頭，不銹鋼塊下端的大孔中填充 樹(shù)脂塊并在中心裝有第一根螺桿，不銹鋼塊下端的同一圓周上等分安裝有第二、 三、四根螺桿，露出在不銹鋼塊下端的四根螺桿等長(zhǎng)，每一根螺桿下均分別裝 有等長(zhǎng)的測(cè)試桿；2) 同軸測(cè)試桶包括不銹鋼探針、中空的擊實(shí)桶、不銹鋼環(huán)和絕緣底座，裝 滿測(cè)試土體的擊實(shí)桶中心插入不銹鋼探針，不銹鋼探針與不銹鋼塊下端中心的 第一根測(cè)試桿同軸，擊實(shí)桶放在絕緣底座定位，擊實(shí)桶上端蓋上不銹鋼環(huán)。本發(fā)明具有的有益效果是能夠避免由于傳統(tǒng)電磁波方法中材料的高電導(dǎo)率所引起的電磁波消散的情 況，可以測(cè)試高電導(dǎo)率土體的介電常數(shù)，且不受土體鹽堿度的影響。本發(fā)明能 夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)化學(xué)加固土、高有機(jī)質(zhì)土、高含水量高塑性粘土等高電導(dǎo)率土體的介 電常數(shù)測(cè)試，是一種安全、快速、準(zhǔn)確的土體介電常數(shù)測(cè)試方法，也為測(cè)試高電導(dǎo)率土體含水量打下基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明的測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是同軸測(cè)頭和測(cè)試桿的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是同軸測(cè)試桶的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4是探針定位模具的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是對(duì)典型TDR測(cè)試波形波形縱坐標(biāo)的一次求導(dǎo)后的圖。 圖6是典型TDR測(cè)試波形波形。 圖7是測(cè)試裝置t值的標(biāo)定曲線。圖中1、 PC機(jī)，2、電磁波發(fā)射器，3、同軸電纜，4、 BNC接頭，5、傳 感器，6、同軸測(cè)頭，7、測(cè)試桿，8、同軸測(cè)試桶，9、不銹鋼塊，10、樹(shù)脂塊， 11、螺桿，12、彈簧，13、不銹鋼探針，14、擊實(shí)桶，15、不銹鋼環(huán)，16、絕 緣底座，17、 土表面，18、探針定位模具具體實(shí)施方式
如圖l、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明傳感器5通過(guò)BNC接頭4經(jīng)同軸電 纜3與電磁波發(fā)射器2相連接，電磁波發(fā)射器2與PC機(jī)1連接；所述的傳感器 5包括同軸測(cè)頭6和同軸測(cè)試桶8，其中1) 同軸測(cè)頭6:包括不銹鋼塊9、四根測(cè)試桿7和四根螺桿11，在不銹鋼塊 9中心開(kāi)有上端小、下端大的階梯孔，小孔中裝有BNC接頭4，不銹鋼塊9下 端的大孔中填充樹(shù)脂塊10并在中心裝有第一根螺桿11，不銹鋼塊9下端的同一 圓周上等分安裝有第二、三、四根螺桿ll，露出在不銹鋼塊8下端的四根螺桿 ll等長(zhǎng)，每一根螺桿11下均分別裝有等長(zhǎng)的測(cè)試桿7;2) 同軸測(cè)試桶8:包括不銹鋼探針13、中空的擊實(shí)桶14、不銹鋼環(huán)15和絕 緣底座16，裝滿測(cè)試土體的擊實(shí)桶14中心插入不銹鋼探針13，不銹鋼探針13 與不銹鋼塊8下端中心的第一根測(cè)試桿7同軸，擊實(shí)桶14放在絕緣底座16定 位，擊實(shí)桶14上端蓋上不銹鋼環(huán)15。所述的同軸測(cè)頭6中不銹鋼塊9直徑為140 180mm，高度為50mm 80mm， 樹(shù)脂塊10為聚甲醛樹(shù)酯材料，等長(zhǎng)的四根螺桿11長(zhǎng)度為30 40mm，第二、三、 四根螺桿均勻分布在半徑r為60 70mm的圓周上，第二、三、四根螺桿中任意 一根螺桿通過(guò)彈簧與不銹鋼塊9彈性連接，可以在豎直方向上下移動(dòng)；等長(zhǎng)的 測(cè)試桿7長(zhǎng)度L為200 300mm。所述的同軸測(cè)試桶8中擊實(shí)桶13高度h為110~120mm，內(nèi)直徑D為100-110mm;不銹鋼探針13直徑d為8 10mm;不銹鋼環(huán)15高度c為30~40mm， 絕緣底座16為聚甲醛樹(shù)酯材料，通過(guò)絕緣底座16上的支架將擊實(shí)桶14固定； 如圖1所示，傳感器分別經(jīng)同軸電纜通過(guò)BNC接頭與電磁波發(fā)射器相連接， 電磁波發(fā)射器與PC機(jī)連接；所述的傳感器包括同軸測(cè)頭、同軸測(cè)試桶；其中同 軸測(cè)頭包括不銹鋼塊、四根測(cè)試桿和四根螺桿，在不銹鋼塊中心開(kāi)有上端小、下端大的階梯孔，小孔中裝有BNC接頭，不銹鋼塊下端的大孔中填充樹(shù)脂塊并在中心裝有第一根螺桿，不銹鋼塊下端的同一圓周上等分安裝有第二、三、四 根螺桿，露出在不銹鋼塊下端的四根螺桿等長(zhǎng)，每一根螺桿下均分別裝有等長(zhǎng)的測(cè)試桿；同軸測(cè)試桶包括不銹鋼探針、中空的擊實(shí)桶、不銹鋼環(huán)和絕緣底座，裝滿測(cè)試土體的擊實(shí)桶中心插入不銹鋼探針，不銹鋼探針與不銹鋼塊下端 中心的第一根測(cè)試桿同軸，擊實(shí)桶放在絕緣底座定位，擊實(shí)桶上端蓋上不銹鋼 環(huán)。所述的電磁波發(fā)射器為美國(guó)Campbell Scientific公司的產(chǎn)品TDRIOO。 所述的同軸電纜為型號(hào)RG58A/U的同軸電纜，其長(zhǎng)度為1 2米。 數(shù)據(jù)采集及處理采用Campbell公司開(kāi)發(fā)的PMTDR軟件。測(cè)試時(shí)先固定好擊實(shí)桶，將所要測(cè)試的土體按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法擊 實(shí)到擊實(shí)桶，并用刮刀整平擊實(shí)桶的土體，使土體高度與擊實(shí)桶平齊；然后放 上探針定位模具18 (如圖4(a)、 (b)所示)，使模具下表面緊貼土面17，然后用 小錘打入不銹鋼探針13;取下模具，放上不銹鋼環(huán)15;保證不銹鋼環(huán)15在擊 實(shí)桶14上面且與其緊密接觸，將連接好四根測(cè)試桿7的同軸測(cè)頭6放在不銹鋼 環(huán)15上面，保證第一測(cè)試桿在不銹鋼探針上端并緊密接觸，第二、三、四測(cè)試 桿與不銹鋼環(huán)緊密接觸；接上同軸電纜和TDR測(cè)試儀器，打開(kāi)PC，利PCTDR 軟件釆集波形，測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)的連接如圖l所示，典型的測(cè)試波形如圖6所示， 對(duì)測(cè)試波形按照Svitzky和Golay (1964)所述的對(duì)波形求一次導(dǎo)數(shù)的方法，得 到一個(gè)橫軸為時(shí)間，縱軸為反射系數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)的波形如圖5所示。分析圖5 中的波形，找到波形在20~30ns中的三個(gè)明顯波峰，其中第一個(gè)波峰出現(xiàn)在24ns 附近，且波峰凸起的方向向上；第二個(gè)波峰出現(xiàn)在25ns附近，且波峰凸起的方向向上；第三個(gè)波峰出現(xiàn)在27ns附近，且波峰凸起的方向向下。三個(gè)波峰的結(jié) 束點(diǎn)(如圖5所示)即為TDR脈沖在第一次反射、第二次反射和第三次反射結(jié) 束時(shí)時(shí)間h、 12和13，然后找到對(duì)應(yīng)TDR測(cè)試波形上橫坐標(biāo)為^、 12和13的點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)的值，即為PK、P2f、P3f的取值。P3可以通過(guò)下面的式子求得<formula>formula see original document page 8</formula> (3)。 土體介電常數(shù)可以通過(guò)下式求得 <formula>formula see original document page 8</formula>^^1z&， k為與儀器有關(guān)的標(biāo)定常數(shù)，k可以近似取l，也可以采用標(biāo)定方法得到，標(biāo)定方法如下，利用介電常數(shù)己知的溶液(去離子水為79.90,無(wú) 水乙醇17.70， 丁醇為25.20)，按照本文所述的測(cè)試方法測(cè)試其TDR波形，并求得各自溶液的表面反射系數(shù)p3，然后利用函數(shù)(y=h)對(duì)<formula>formula see original document page 8</formula>進(jìn)行線 性擬和，得到斜率t如圖7所示。則A:為儀器的標(biāo)定常數(shù)。
權(quán)利要求
1. 一種電磁波測(cè)試土體介電常數(shù)的測(cè)試方法，其特征在于該方法的步驟如下1)將所要測(cè)試的土體按照土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)方法在擊實(shí)桶中擊實(shí)，使土體高度與擊實(shí)桶平齊，在中心打入不銹鋼探針；2)在擊實(shí)桶上端放上不銹鋼環(huán)，同軸測(cè)頭上的不銹鋼塊下端的中心裝有第一根螺桿，不銹鋼塊下端的同一圓周上等分安裝有第二、三、四根螺桿，露出在不銹鋼塊下端的四根螺桿等長(zhǎng)，然后將四根測(cè)試桿接到四根螺桿上，然后將接上測(cè)試桿的同軸測(cè)頭放在不銹鋼環(huán)上，不銹鋼探針與第一根測(cè)試桿相接觸，第二、三、四根測(cè)試桿與不銹鋼環(huán)相接觸；3)接上同軸電纜和TDR測(cè)試儀器，打開(kāi)PC，利用TDR儀器自帶的PMTDR軟件采集波形，土體介電常數(shù)<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msqrt> <msubsup><mi>K</mi><mi>soil</mi><mo>*</mo> </msubsup></msqrt><mo>=</mo><mi>k</mi><mfrac> <mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msub> <mi>&rho;</mi> <mn>3</mn></msub> </mrow> <mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub> <mi>&rho;</mi> <mn>3</mn></msub> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100613912C00011.gif" wi="29" he="10" top= "124" left = "87" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->k為與儀器有關(guān)的標(biāo)定常數(shù)，在本方法中k取1，式中ρ3為土體表面反射系數(shù)，可以通過(guò)下面的式子求得ρ1＝ρ1f(1)<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mtext>&rho;</mtext> <mrow><mn>2</mn><mi>f</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>&rho;</mi> <mrow><mn>1</mn><mi>f</mi> </mrow></msub> </mrow> <mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>-</mo><msup> <msub><mi>&rho;</mi><mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn></msup><mo>)</mo> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2008100613912C00012.gif" wi="24" he="9" top= "153" left = "33" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->(2)<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>&rho;</mi> <mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac> <mrow><msub> <mtext>&rho;</mtext> <mrow><mn>3</mn><mi>f</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><msub> <mi>&rho;</mi> <mrow><mn>2</mn><mi>f</mi> </mrow></msub> </mrow> <mrow><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msubsup><mi>&rho;</mi><mn>1</mn><mn>2</mn> </msubsup> <mo>)</mo></mrow><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msup><msub> <mi>&rho;</mi> <mn>2</mn></msub><mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo></mrow> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0003" file="S2008100613912C00013.gif" wi="35" he="9" top= "153" left = "70" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->(3)，其中ρ1f為TDR測(cè)試波形上同軸測(cè)頭和同軸電纜交界面的反射系數(shù)，ρ2f為測(cè)試波形上測(cè)試桿和同軸測(cè)頭交界面的反射系數(shù)，ρ3f為測(cè)試波形上土體表面的反射系數(shù)，它們的取值方法如下，利用Svitzky和Golay 1964年所述的對(duì)波形求一次導(dǎo)數(shù)的方法，對(duì)TDR測(cè)試波形求導(dǎo)，得到一個(gè)橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為反射系數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)的波形，在波形上得到同軸測(cè)頭、測(cè)試桿、土體三個(gè)交界面的反射結(jié)束時(shí)時(shí)間t1、t2和t3，然后找到對(duì)應(yīng)TDR測(cè)試波形上縱坐標(biāo)的值，即為ρ1f、ρ2f、ρ3f的取值；通過(guò)式(1)求得ρ1，將ρ1代入式(2)求得ρ2，再將ρ1、ρ2代入式(3)求得ρ3。
2、 用于權(quán)利要求1所述的一種電磁波測(cè)試土體介電常數(shù)的測(cè)試方法的裝置， 其特征在于傳感器(5)通過(guò)BNC接頭(4)經(jīng)同軸電纜(3)與電磁波發(fā)射器(2)相連 接，電磁波發(fā)射器(2)與PC機(jī)(l)連接；所述的傳感器(5)包括同軸測(cè)頭(6)和同軸 測(cè)試桶(8);其中1) 同軸測(cè)頭(6):包括不銹鋼塊(9)、四根測(cè)試桿(7)和四根螺桿(11)，在不銹 鋼塊(9)中心開(kāi)有上端小、下端大的階梯孔，小孔中裝有BNC接頭(4)，不銹鋼塊 (9)下端的大孔中填充樹(shù)脂±央(10)并在中心裝有第一根螺桿(11)，不銹鋼塊(9)下端 的同一圓周上等分安裝有第二、三、四根螺桿(ll),露出在不銹鋼塊(8)下端的四 根螺桿(ll)等長(zhǎng)，每一根螺桿(11)下均分別裝有等長(zhǎng)的測(cè)試桿(7);2) 同軸測(cè)試桶(8):包括不銹鋼探針(13)、中空的擊實(shí)桶(14)、不銹鋼環(huán)(15) 和絕緣底座(16)，裝滿測(cè)試土體的擊實(shí)桶(14)中心插入不銹鋼探針(13),不銹鋼 探針(13)與不銹鋼塊(8)下端中心的第一根測(cè)試桿(7)同軸，擊實(shí)桶(14)放在絕緣底 座(16)定位，擊實(shí)桶(14)上端蓋上不銹鋼環(huán)(15)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電磁波測(cè)試土體介電常數(shù)的測(cè)試方法的裝置， 其特征在于所述的同軸測(cè)頭(6)中不銹鋼塊(9)直徑為140 180mm，高度為 50mm 80mm，樹(shù)脂塊(10)為聚甲醛樹(shù)酯材料，等長(zhǎng)的四根螺桿(ll)長(zhǎng)度為30 40mm，第二、三、四根螺桿均勻分布在半徑r為60~70mm的圓周上，第二、 三、四根螺桿中任意一根螺桿通過(guò)彈簧與不銹鋼塊(9)彈性連接，可以在豎直方 向上下移動(dòng)；等長(zhǎng)的測(cè)試桿(7)長(zhǎng)度L為200 300mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電磁波測(cè)試土體介電常數(shù)的測(cè)試方法的裝置， 其特征在于所述的同軸測(cè)試桶(8)中擊實(shí)桶(13)高度h為110 120mm，內(nèi)直徑 D為100 110mm;不銹鋼探針(13)直徑d為8 10mm;不銹鋼環(huán)(15)高度c為 30 40mm，絕緣底座(16)為聚甲醛樹(shù)酯材料，通過(guò)絕緣底座(16)上的支架將擊實(shí) 桶(14)固定。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高電導(dǎo)率土體介電常數(shù)測(cè)試的裝置和方法。傳感器通過(guò)同軸電纜和電磁波反射器相連接，電磁波發(fā)射器與PC機(jī)相連接。能夠避免由于傳統(tǒng)電磁波方法中材料的高電導(dǎo)率所引起的電磁波消散的情況，可以測(cè)試高電導(dǎo)率土體的介電常數(shù)，且不受土體鹽堿度的影響。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)化學(xué)加固土、高有機(jī)質(zhì)土、高含水量高塑性粘土等高電導(dǎo)率土體的介電常數(shù)測(cè)試，是一種安全、快速、準(zhǔn)確的土體介電常數(shù)測(cè)試方法，也為測(cè)試高電導(dǎo)率土體含水量打下基礎(chǔ)。
文檔編號(hào)G01R27/26GK101266271SQ20081006139
公開(kāi)日2008年9月17日 申請(qǐng)日期2008年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日
發(fā)明者偉 許, 偉 陳, 陳云敏, 陳仁朋 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)