专利名称：冻土介电常数测量夹具及测量方法
技术领域：
本发明涉及冻土介电常数的测量，尤其涉及一种冻土介电常数测量夹具及测量方法。
背景技术：
目前是采用网络分析仪进行冻土介电常数的测量。常规方法是将被测样放置于网络分析 仪的探头下方，探头5包括圆盘51和圆盘51上的吊杆52 (见图9和图10)，手持被测样或 将被测样放入某容器，与探头的圆盘挤压，使被测样与圆盘紧密接触后，操作网络分析仪软 件进行测量。但这种传统的测量方法不适合测量冻土的介电常数。原因有以下几点
1. 由于冻土和探头的温度不同，二者接触后会改变被测区域土壤的温度状态，而其温度 状态对测量结果有很大影响，因此无法进行准确的测量；
2. 土壤冻结后，很坚硬，其外表面无法和探头紧密接触，无法实施测量；
3. 被测量的土壤的密度无法确切的知道，而被测量土壤的密度是影响土壤介电常数的最 重要的参数，对测量数据的分析至关重要；
4. 测量介电常数要求被测样均匀且各向同性，而手工操作被测土样时必然会破坏土样均 匀的结构，造成测量误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种测量准确度高、可以确定被测土壤密度的冻土介电 常数测量夹具及测量方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案
一种冻土介电常数测量夹具，包括取土器、压土器和挡土部件，取土器为圆柱形，其具 有贯通的圆柱形的内腔，取土器的上端面前后两侧对称地设有两块侧挡板，每块侧挡板的顶 部设有半圆形的挡板，两块挡板对称设置，两块挡板之间有空隙，取土器的左右两侧具有开 口，取土器的中部设有外螺纹，外螺纹上方的取土器上沿竖直方向设有测量刻度；压土器为 圆柱形，其具有内腔，其中部设有与取土器上的外螺纹相配合的内螺纹，压土器的底部设有 向上凸起的圆柱形的压土块，压土器的上端面上沿圆周均匀设有刻度；压土器旋装在取土器
4的外部，压土块伸入取土器的内腔中且与取土器的内腔相配合，取土器两侧的开口处各装有 一个挡土部件。
本发明的的冻土介电常数测量夹具，其中所述挡土部件包括挡土挡板和设置在挡土挡板 上的挡块，挡块上开有横截面为半圆形的第一凹槽和第二凹槽，第二凹槽位于第一凹槽的下 部且第二凹槽的深度大于第一凹槽的深度，挡块与取土器两侧的开口处的圆盘的两侧相配 合，第一凹槽与探头的圆盘相配合，第二凹槽的高度与圆盘的下端面和取土器的内腔处的上 端面之间的间隙的高度相等。
本发明的的冻土介电常数测量夹具，其中所述取土器的下部设为圆台形，圆台的直径从 上到下逐渐减小，圆台的母线与取土器底面的夹角a为90。 120° 。
本发明的的冻土介电常数测量夹具，其中还包括顶盖，顶盖包括圆柱形的盖体和握柄， 盖体设置在握柄的底部，盖体与握柄一体制成，盖体与取土器的上端面处的内腔相配合，握 柄的直径小于取土器上的两块挡板之间的空隙。
使用权利要求本发明的冻土介电常数测量夹具测量冻土介电常数的方法，包括以下步
骤
(1) 首先对网络分析仪和同轴探头进行校准，将探头伸入恒温箱内；
(2) 用取土器取土将取土器压入配置好的均匀土样中，待取土器中被土充满后，将 取土器从土样中取出，将取土器中土样的上下端面削平；
(3) 将压土器拧到取土器下部，并拧动压土器使取土器中土样压縮；
(4) 将取土器和压土器挂到探头上，在取土器两侧的开口处的探头的圆盘的两侧各安装 一个挡土部件，以使拧动压土器时取土器中的土样不被挤出来；
(5) 拧动压土器，使土样与探头紧密接触，记录取土器和压土器的相对位置，即与压土 帽的上端面相对应的取土器上的测量刻度和与取土器上的测量刻度相对的压土器上的刻度；
(6) 将挡土部件取下，用保鲜膜将探头和夹具密封；
(7) 调节恒温箱的温度，使探头与取土器中的土样同时冻结到一个温度水平，待温度稳 定后测量其介电常数，测量过程完成。
本发明冻土介电常数测量夹具及测量方法相对于现有技术的优点为-(1)将探头伸入恒温箱，在土样未冻结时利用测量夹具取土，然后将测量夹具与探头 配合好，使土样与探头接触良好，然后调节恒温箱温度使土样和探头共同冻结至某温度，再 实施测量，本测量方法在土样与探头未冻结时使它们紧密接触，且由于土样和探头的温度相同，因此测量准确度高；
(2) 测量夹具的取土器和压土器上都设有刻度，测量过程中，记录下二者的相对位置, 即可以准确地计算出土样的密度，其能够精确地控制被测土样的容重(干密度)，利于后续 对测量数据的分析，保证多次测量的数据具有可比性；
(3) 采用测量夹具进行测量，避免了手工操作，能够保证被测土样符合均匀各向同性的 要求，减小了测量误差。
图1为本发明冻土介电常数测量夹具的取土器的主视图2为图1的左视图3为图1的俯视图4为压土器的剖视图5为图4的俯视图6为挡土部件的主视图7为图6的仰视图8为顶盖的主视图9为本发明冻土介电常数测量夹具使用状态的主视图(省略挡土部件)； 图10为本发明冻土介电常数测量夹具使用状态的主视半剖视图。
具体实施例方式
如图l、图2和图3所示，取土器l为圆柱形，其具有贯通的圆柱形的内腔ll,取土器 1的上端面前后两侧对称地设有两块侧挡板12,每块侧挡板12的顶部设有半圆形的挡板13， 两块挡板13对称设置，两块挡板13之间有空隙，该空隙大于探头5的吊杆52的直径，取 土器1的左右两侧具有开口 14。取土器1、侧挡板12和挡板13 —体制成。取土器1的中部 设有外螺纹15，外螺纹15上方的取土器上沿竖直方向设有测量刻度16。取土器1的下部设 为圆台形，圆台的直径从上到下逐渐减小，圆台的母线与取土器l底面的夹角a为105° ， a 也可以为90° 120° 。取土器1用于盛装土样。将取土器1的下部设为圆台形，可以使取 土器l更容易插入土样中。
如图4、图5所示，压土器2为圆柱形，其具有内腔21，其中部设有与取土器l上的外 螺纹15相配合的内螺纹22,压土器2的底部设有向上凸起的圆柱形的压土块23,压土器2的上端面上沿圆周均匀设有刻度24。压土器2的作用是压縮取土器1内的土样。
如图8所示，顶盖3包括圆柱形的盖体31和握柄32，盖体31设置在握柄32的底部， 盖体31与握柄32 —体制成。盖体31与取土器1的上端面处的内腔11相配合，握柄32的 直径小于取土器1上的两块挡板13之间的空隙。顶盖3的作用是当取土器1盛满土后，用 盖体31盖在取土器1的上端，按住握柄32，拧动取土器1下端的压土器2，使土样压缩。 顶盖3的结构与网络分析仪的探头5的结构相同。
如图6和图7所示，挡土部件4包括挡土挡板41和设置在挡土挡板41上的挡块42，挡 土挡板41和挡块42 —体制成，挡块42上开有横截面为半圆形的第一凹槽43和第二凹槽44， 第二凹槽44位于第一凹槽43的下部且第二凹槽44的深度大于第一凹槽43的深度。结合图 9和图10所示，挡块42与取土器1两侧的开口 14处的探头5的圆盘51的两侧相配合，第 一凹槽43与探头5的圆盘51相配合，第二凹槽44的高度与圆盘51的下端面和取土器1的 内腔11处的上端面之间的间隙的高度相等。
如图9、图10所示，压土器2旋装在取土器1的外部，压土块23伸入取土器1的内腔 11中，探头5下部的圆盘51位于取土器1的两块挡板13的下部以使取土器1挂在探头5上， 取土器1两侧的开口 14处各装有一个挡土部件4，挡块42与开口 14处的圆盘51的两侧相 配合。
如图9和图10所示，本发明利用测量夹具对冻土介电常数进行测量的方法，包括以下 步骤
(1) 首先对网络分析仪和同轴探头进行校准，将探头伸入恒温箱内；
(2) 用取土器l取土将取土器l垂直压入配置好的均匀土样中，待取土器l中被土 充满后，稍微旋转取土器l，将取土器l从土样中取出，这时取土器l中充满了土样，用土 样刀或顶盖3将取土器1中土样的上下端面削平；
(3) 用顶盖3挡住取土器1上端，将压土器2拧到取土器1下部，并拧动压土器2使盛 土筒1中土样压縮；
(4) 移开顶盖3，将取土器1和压土器2挂到探头5上，在取土器l两侧的开口 14处 的探头5的圆盘51的两侧各安装一个挡土部件4，以使拧动压土器2时取土器1中的土样不 被挤出来；
(5) 拧动压土器2，使土样与探头5紧密接触，记录取土器1和压土器2的相对位置，
7即与压土器2的上端面相对应的取土器1上的测量刻度和与取土器1上的测量刻度相对的压土器2上的刻度，以计算探头5测量的土样的高度和体积，从而计算探头测量的土样的密度(容重)。
如图1所示，取土器1上有5个测量刻度16，每个刻度间隔为2mm，如图5所示，压土器2的上端面有10个刻度24,压土器2的螺距为2mm，即每拧动压土器2—圈，压土块23往上移动2mra。将压土器2套在取土器1上时，初始位置为取土器1上的0刻度对应压土器2上的0刻度，这时取土器l的下端面恰好与压土块23的上表面平齐，这时被测土样的高度=取土器1的高度-位于取土器1内的探头5的高度。拧动压土器2后，若压土器2的上端面超过取土器1上的测量刻度3,且压土器2上端面上的刻度3与取土器1上的刻度相对，则压土块23向上移动的距离就为2*3+0. 2*3=6. 6mm，则土样的高度=取土器1的高度-位于取土器l内的探头5的高度-6.6。
实际中，取土器1上也可以设置更多个刻度，如10个刻度，每个刻度间隔lmm，压土器2上端面也可以设置20个刻度，压土器的螺距为2咖或l咖，如此设置的准确度更高。
(6) 将挡土部件4取下，用保鲜膜将探头5和夹具密封；
(7) 调节恒温箱的温度，使探头5与取土器1中的土样同时冻结到一个温度水平，待温度稳定后测量其介电常数，测量过程完成。
后续处理步骤为
(1) 测量完毕后，待土样恢复至O'C以上，将压土器拧松，使土样和探头分离，将盛土筒从探头上取下；
(2) 将取土器中的土样取出，测量其重量含水量，然后根据土样的体积，可以得出土样的密度(容重)；
(3) 将测量夹具洗净擦干，准备测量下一个土样。
本发明冻土介电常数测量夹具及测量方法相对于现有测量方法具有以下优点
1. 能够精确地控制被测土样的容重(干密度)，保证多次测量的数据具有可比性；
2. 能够使探头和被测冻土紧密良好地接触，测量准确度高；
3. 能够保证在设定的控制温度下测量冻土的介电常数；
4. 能够保证被测样品符合均匀各向同性的要求。
利用本发明测量方法进行冻土介电常数的测量，使测量中各个参数得到了良好地控制，实现了传统方法不能进行的冻土的介电常数测量，并减小了测量过程中相关参数的不确定性。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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权利要求
1、一种冻土介电常数测量夹具，其特征在于包括取土器、压土器和挡土部件，取土器为圆柱形，其具有贯通的圆柱形的内腔，取土器的上端面前后两侧对称地设有两块侧挡板，每块侧挡板的顶部设有半圆形的挡板，两块挡板对称设置，两块挡板之间有空隙，取土器的左右两侧具有开口，取土器的中部设有外螺纹，外螺纹上方的取土器上沿竖直方向设有测量刻度；压土器为圆柱形，其具有内腔，其中部设有与取土器上的外螺纹相配合的内螺纹，压土器的底部设有向上凸起的圆柱形的压土块，压土器的上端面上沿圆周均匀设有刻度；压土器旋装在取土器的外部，压土块伸入取土器的内腔中且与取土器的内腔相配合，取土器两侧的开口处各装有一个挡土部件。
2、 根据权利要求1所述的冻土介电常数测量夹具，其特征在于所述挡土部件包括挡 土挡板和设置在挡土挡板上的挡块，挡块上开有横截面为半圆形的第一凹槽和第二凹槽，第 二凹槽位于第一凹槽的下部且第二凹槽的深度大于第一凹槽的深度，挡块与取土器两侧的开 口处的圆盘的两侧相配合，第一凹槽与探头的圆盘相配合，第二凹槽的高度与圆盘的下端面 和取土器的内腔处的上端面之间的间隙的高度相等。
3、 根据权利要求2所述的冻土介电常数测量夹具，其特征在于所述取土器上的测量 刻度的间隔距离与压土器的螺距相等。
4、 根据权利要求3所述的冻土介电常数测量夹具，其特征在于所述取土器的下部设为圆台形，圆台的直径从上到下逐渐减小，圆台的母线与取土器底面的夹角a为9(T 120
5、 根据权利要求4所述的冻土介电常数测量夹具，其特征在于还包括顶盖，顶盖包括圆柱形的盖体和握柄，盖体设置在握柄的底部，盖体与握柄一体制成，盖体与取土器的上 端面处的内腔相配合，握柄的直径小于取土器上的两块挡板之间的空隙。
6、 使用权利要求1-4任一项所述冻土介电常数测量夹具测量冻土介电常数的方法，其特征在于包括以下步骤(1) 首先对网络分析仪和同轴探头进行校准，将探头伸入恒温箱内；(2) 用取土器取土将取土器压入配置好的均匀土样中，待取土器中被土充满后，将 取土器从土样中取出，将取土器中土样的上下端面削平；(3) 将压土器拧到取土器下部，并拧动压土器使取土器中土样压縮；(4) 将取土器和压土器挂到探头上，在取土器两侧的开口处的探头的圆盘的两侧各安装 一个挡土部件，以使拧动压土器时取土器中的土样不被挤出来；(5) 拧动压土器，使土样与探头紧密接触，记录取土器和压土器的相对位置，即与压土 帽的上端面相对应的取土器上的测量刻度和与取土器上的测量刻度相对的压土器上的刻度；(6) 将挡土部件取下，用保鲜膜将探头和夹具密封；(7) 调节恒温箱的温度，使探头与取土器中的土样同时冻结到一个温度水平，待温度稳 定后测量其介电常数，测量过程完成。
7、使用权利要求5所述冻土介电常数测量夹具测量冻土介电常数的方法，其特征在于 包括以F步骤(1) 首先对网络分析仪和同轴探头进行校准，将探头伸入恒温箱内；(2) 用取土器取土将取土器压入配置好的均匀土样中，待取土器中被土充满后，将 取土器从土样中取出，用顶盖将取土器中土样的上下端面削平；(3) 用顶盖挡住取土器上端，将压土器拧到取土器下部，并拧动压土器使取土器中土样压缩；(4) 移开顶盖，将取土器和压土器挂到探头上，在取土器两侧的开口处的探头的圆盘的 两侧各安装一个挡土部件，以使拧动压土器时取土器中的土样不被挤出来；(5) 拧动压土器，使土样与探头紧密接触，记录取土器和压土器的相对位置，即与压土 帽的上端面相对应的取土器上的测量刻度和与取土器上的测量刻度相对的压土器上的刻度；(6) 将挡土部件取下，用保鲜膜将探头和夹具密封；(7) 调节恒温箱的温度，使探头与取土器中的土样同时冻结到一个温度水平，待温度稳 定后测量其介电常数，测量过程完成。
全文摘要
一种冻土介电常数测量夹具，包括取土器、压土器和挡土部件，取土器为圆柱形，其具有内腔，取土器的两侧具有开口，取土器的中部设有外螺纹，取土器上设有测量刻度；压土器为圆柱形，其具有内腔，其中部设有内螺纹，压土器的底部设有压土块，压土器的上端面上设有刻度；压土器旋装在取土器的外部，取土器两侧的开口处各装有一个挡土部件。本发明冻土介电常数测量夹具及测量方法将探头伸入恒温箱测量，土样与探头未冻结时使它们紧密接触，测量准确度高，取土器和压土器上都设有刻度，能够精确地控制被测土样的容重，保证多次测量的数据具有可比性；采用测量夹具进行测量，避免了手工操作，能够保证被测土样符合均匀各向同性的要求，减小了测量误差。
文档编号G01R27/26GK101666831SQ20091009244
公开日2010年3月10日 申请日期2009年9月8日 优先权日2009年9月8日
发明者张立新, 赵少杰 申请人:北京师范大学