用于土中含水率遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的探頭的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及土壤含水率測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于土中含水率遠(yuǎn)程實(shí) 時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的探頭。
【背景技術(shù)】
[0002] 土樣中含水量分布規(guī)律的測(cè)試對(duì)研宄試樣水分的迀移與入滲規(guī)律至關(guān)重要，對(duì)研 宄土的水-力學(xué)耦合性能也有著極為重要的價(jià)值。近年來(lái)，隨著高速鐵路建設(shè)、鐵路重載 化等交通基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，遇到許多關(guān)于水害的問題。例如，在中國(guó)鄭州-西安高速鐵路 的修建中，出現(xiàn)黃土路堤降雨后發(fā)生濕陷，造成線路下沉；在中國(guó)哈爾濱-大慶高速鐵路建 設(shè)中，出現(xiàn)了路基的凍脹融沉病害；此外，重載鐵路路基的翻漿冒泥病害制約著重載化的發(fā) 展。因此，測(cè)試土中水分迀移規(guī)律對(duì)掌握土工結(jié)構(gòu)變形機(jī)理有著極為重要的價(jià)值。
[0003] 傳統(tǒng)的土中含水率測(cè)試方法主要是通過(guò)采用烘干法測(cè)試土樣含水率。然而，這種 方法測(cè)試范圍有限，無(wú)法測(cè)試路基中土樣的含水率分布變化，存在無(wú)法實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀測(cè)的弊 病。相對(duì)于烘干法這種破壞性測(cè)試含水量的方法，研宄者提出TDR等間接測(cè)試方法。此類間 接測(cè)試方法主要是利用土樣的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率與土樣含水率之間的關(guān)系，間接獲得土樣 的含水率。存在著普遍依靠專門測(cè)試儀器，無(wú)法實(shí)現(xiàn)與位移、應(yīng)力傳感器的數(shù)據(jù)聯(lián)合采集。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004] 本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于土中含水率遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的探頭，以精 確、可直接插入土壤并實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)土中含水率分布的測(cè)定。
[0005] 為了解決上述問題，本實(shí)用新型提供的用于土中含水率遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的探頭 技術(shù)方案如下：
[0006] 一種用于土中含水率遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的探頭，其包括：包括基座和四根硬質(zhì)探 針，以便于所述探針插入土樣中，且每根所述探針分別與一信號(hào)線的一端連接；四根所述探 針相互平行且均勻地固定于所述基座中，以及，四根所述探針的頂部延伸出所述基座。
[0007] 優(yōu)選地，在上述探頭中，所述探針截面呈圓形，相鄰兩根所述探針之間的距離為 I. 5cm〇
[0008] 優(yōu)選地，在上述探頭中，所述探針的頂部側(cè)面包裹有絕緣體，以減少所述探針頂部 電場(chǎng)分布不均勾對(duì)測(cè)試的干擾。
[0009] 優(yōu)選地，在上述探頭中，所述探針為鍍銥鉭的鈦棒，所述信號(hào)線通過(guò)設(shè)于所述探針 上的凹形槽與所述探針卡接。
[0010] 優(yōu)選地，在上述探頭中，所述基座呈管狀，所述探針通過(guò)在所述基座中澆筑樹脂而 固定在所述基座中。
[0011] 優(yōu)選地，在上述探頭中，所述基座為PVC管。
[0012] 分析可知，本實(shí)用新型利用范德堡理論（VDP理論），可以實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣含水量的實(shí) 時(shí)、動(dòng)態(tài)測(cè)量，由于采用了較為穩(wěn)固的探頭形制和有一定硬度的探針，可直接插入土樣中， 實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量含水量，大大提高土樣含水量的測(cè)試精度。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為應(yīng)用本實(shí)用新型的土中含水率測(cè)量系統(tǒng)的原理框圖；
[0014] 圖2為圖1中所用的本實(shí)用新型提供的探頭的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3為圖2所示的探頭的截面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0017] 如圖1、圖2所示，該測(cè)量系統(tǒng)包括本實(shí)用新型提供的探頭10、用于水分迀移測(cè)試 且主要起到電路切換作用的控制儀11，電壓測(cè)試儀12、計(jì)算機(jī)13、交流電流源14。為了直 觀描述探頭10的應(yīng)用，圖1還示出了土樣100。應(yīng)用時(shí)探頭10的探針1插入土樣100中。 探頭10的數(shù)量可以增減，也即，電壓測(cè)試儀12、計(jì)算機(jī)13等可以實(shí)時(shí)處理多個(gè)探頭10所檢 測(cè)到的土樣100的數(shù)據(jù)。
[0018] 再如圖2、圖3所示，每個(gè)探頭10包括基座2和四根硬質(zhì)探針1，分別為探針a、探 針b、探針c、探針d。具有一定剛度、硬質(zhì)的探針1可以方便插入土樣100中。探針a、探針 b、探針c、探針d的末端分別與一信號(hào)線的一端連接，四根信號(hào)線為一四芯屏蔽電纜4中的 四根銅絲。就排列位置而言，探針a、探針b、探針c、探針d相互平行且均勻地固定于基座2 中，并且，探針a、探針b、探針c、探針d的頂部延伸出基座2,以能夠插入土樣100。例如，探 針a、探針b、探針c、探針d伸出土樣100的長(zhǎng)度為2cm，那么測(cè)試土樣100的厚度為2cm。 當(dāng)然，也可以根據(jù)測(cè)試要求改探針1的伸出的頂部長(zhǎng)度，以調(diào)整、適應(yīng)測(cè)試土樣厚度。
[0019] 計(jì)算機(jī)13用于土樣100檢測(cè)數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析及顯示。電壓測(cè)試儀12優(yōu)選為動(dòng) 態(tài)電壓測(cè)試儀，其信號(hào)輸入口通過(guò)控制儀11與探頭10連接，以測(cè)試不同探針1之間的電壓 信號(hào)；而其信號(hào)輸出口與計(jì)算機(jī)13連接，用于將測(cè)試結(jié)果傳輸至計(jì)算機(jī)13。動(dòng)態(tài)電壓測(cè)試 儀用于測(cè)試兩個(gè)探針之間產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢(shì)，動(dòng)態(tài)電壓測(cè)試儀具有測(cè)試精度高，高效計(jì)算 機(jī)互訪，多通道掃描測(cè)試等優(yōu)點(diǎn)。控制儀11連接于交流電流源14、測(cè)試儀12和探頭10之 間，以使交流電流源14能夠連接至探頭10的兩個(gè)探針1之間，同時(shí)使電壓測(cè)試儀13能夠連 接至探頭10的另外兩個(gè)探針1之間。交流電流源14優(yōu)選為交流恒流源，與探頭10連接， 用于向探頭10的各探針1之間提供測(cè)量電流。電流的頻率與大小可以調(diào)節(jié)，但在實(shí)驗(yàn)中電 流大小可以保持恒定，采用交流電流避免探針1出現(xiàn)極化現(xiàn)象。
[0020] 如圖3所示，探針1截面呈圓形，截面直徑基本為3mm，相鄰兩根探針1之間的距離 為1.5cm。探針1均采用鍍銥鉭的鈦棒，有效防止了測(cè)試過(guò)程中的極化現(xiàn)象。進(jìn)一步地，探 針1的頂部側(cè)面包裹有封裝樹脂3,以減少探針1頂部電場(chǎng)分布不均勻?qū)y(cè)試的干擾。更進(jìn) 一步地，電纜4中的銅絲通過(guò)設(shè)于探針1上的凹形槽與探針1卡接，借此，二者之間的連接 十分穩(wěn)定。
[0021] 如圖2,基座2呈管狀，探針1通過(guò)在基座2中澆筑樹脂而固定在基座2中?；?2為pvc管。由于探針1無(wú)法與銅絲焊接，為保證銅絲與探針1之間的無(wú)間隙、牢固連接，銅 絲通過(guò)凹形槽（未示出）與探針1卡接，輔以樹脂30封裝工藝加固。探針1通過(guò)熱溶樹脂 30澆筑固定在pvc管的基座2內(nèi)，價(jià)格低廉，制作方便簡(jiǎn)單，固定牢固。
[0022] 連接探針1和控制儀11的電纜4為單支多股純銅絲漆包線，為增加電纜強(qiáng)度，電 纜4中添加絲棉，外側(cè)為硅膠皮防護(hù)，總厚度0. 3mm，保證電纜4的高強(qiáng)度、超導(dǎo)電性和高柔 軟性，細(xì)度也降低導(dǎo)線對(duì)實(shí)驗(yàn)受力特性的影響。
[0023] 本實(shí)用新型基于范德堡理論（van der Pauw method)測(cè)試土樣100的電導(dǎo)率，在 土樣100上插入探針a、探針b、探針c、探針d，根據(jù)VDP理論，兩探針之間施加恒流交變電 流，則在其余兩個(gè)電極上產(chǎn)生交變的電壓。具體操作的詳細(xì)步驟如下：
[0024] 將探針a、探針b、探針c、探針d分別插入不同含水量且相同壓實(shí)度的土樣中，操 作控制儀11使得相鄰的兩個(gè)探針a、d與交流電流源14連接，并提供恒定交流電流I ad，操 作控制儀11，并通過(guò)電壓測(cè)試儀12測(cè)得探針b、c之間的電壓Ub。，由此可以計(jì)算出測(cè)試電阻
[0025] 然后，操作控制儀11，通過(guò)交流電流源14在探針a、b上施加恒定交流電流Iab，并 通過(guò)電壓測(cè)試儀12測(cè)得探針c、d之間的電壓Um1，由此可以計(jì)算出測(cè)試電阻
將 上述采集的Rad，bc^R R ab，Jl通過(guò)計(jì)算機(jī)13進(jìn)行采集，計(jì)算機(jī)13根據(jù)公式：
[0026] exp (_ π Rab，cdd/ P ) +exp (_ π Rad，bcd/ P ) = 1。
[0027] 在計(jì)算機(jī)13內(nèi)編寫二分法編制程序計(jì)算出對(duì)應(yīng)土層的電阻率P。
[0028] 最后，根據(jù)預(yù)先標(biāo)定的土層電導(dǎo)率與含水率的對(duì)應(yīng)關(guān)系確定各含水率土樣的含水 率，從而獲得土樣含水量分布變化曲線，確定對(duì)應(yīng)各點(diǎn)位的含水率。
[0029] 本實(shí)用新型利用范德堡原理實(shí)現(xiàn)對(duì)土樣含水量的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)測(cè)量，由于采用較為 穩(wěn)固的探頭和有一定硬度的探針，可直接插入土樣中，實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量含水量，大大提高了土 樣含水量的測(cè)試精度，具有實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)、無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了現(xiàn)有含水量測(cè)定方法中存在 的破壞試樣、測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)及影響土樣力學(xué)性質(zhì)等問題，探頭體積較小，可以高密度分布在土 壤中。探針頂部用絕緣樹脂封裝，可以減少磁場(chǎng)端部效應(yīng)，探針頂部電場(chǎng)分布對(duì)溶質(zhì)運(yùn)動(dòng)擾 動(dòng)和影響范圍較小，使測(cè)量更加精確?？赏ㄟ^(guò)遠(yuǎn)程感應(yīng)裝置可以將控制儀與測(cè)試探頭無(wú)線 連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。此外本實(shí)用新型還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，并且具有實(shí)時(shí)、穩(wěn)定性好、無(wú) 損、測(cè)試范圍精細(xì)和操作方便等優(yōu)點(diǎn)。
[0030] 由技術(shù)常識(shí)可知，本實(shí)用新型可以通過(guò)其它的不脫離其精神實(shí)質(zhì)或必要特征的實(shí) 施方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，上述公開的實(shí)施方案，就各方面而言，都只是舉例說(shuō)明，并不是僅有 的。所有在本實(shí)用新型范圍內(nèi)或在等同于本實(shí)用新型的范圍內(nèi)的改變均被本實(shí)用新型包 含。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種用于土中含水率遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的探頭，其特征在于，包括： 包括基座和四根硬質(zhì)探針，以便于所述探針插入土樣中，且每根所述探針分別與一信 號(hào)線的一端連接；四根所述探針相互平行且均勻地固定于所述基座中，以及，四根所述探針 的頂部延伸出所述基座。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述探針截面呈圓形，相鄰兩根所述探針 之間的距離為I. 5cm。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述探針的頂部側(cè)面包裹有絕緣體，以減 少所述探針頂部電場(chǎng)分布不均勻?qū)y(cè)試的干擾。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述探針為鍍銥鉭的鈦棒，所述信號(hào)線通 過(guò)設(shè)于所述探針上的凹形槽與所述探針卡接。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的探頭，其特征在于，所述基座呈管狀，所述探針通過(guò)在所述基 座中澆筑樹脂而固定在所述基座中。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的探頭，其特征在于，所述基座為pvc管。
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種用于土中含水率遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的探頭，所述探頭包括基座和四根硬質(zhì)探針，以便于所述探針插入土樣中，且每根所述探針分別與一信號(hào)線的一端連接；四根所述探針相互平行且均勻地固定于所述基座中，以及，四根所述探針的頂部延伸出所述基座；計(jì)算機(jī)，用于數(shù)據(jù)計(jì)算、分析及顯示；電壓測(cè)試儀，信號(hào)輸入口與所述探頭連接，以測(cè)試不同所述探針之間的電壓信號(hào)；信號(hào)輸出口與所述計(jì)算機(jī)連接，用于將測(cè)試結(jié)果傳輸至所述計(jì)算機(jī)；交流電流源，與所述探頭連接，用于向所述探頭提供測(cè)量電流。本實(shí)用新型的探針可直接插入土樣中，實(shí)時(shí)實(shí)地測(cè)量含水量，大大提高土樣含水量的測(cè)試精度。
【IPC分類】G01N27/04
【公開號(hào)】CN204649670
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520262778
【發(fā)明人】尹君輝, 田力達(dá), 馮懷平, 任康偉, 楊宇, 田曉霏, 張 浩
【申請(qǐng)人】石家莊鐵道大學(xué)
【公開日】2015年9月16日
【申請(qǐng)日】2015年4月28日