基于光纤光栅的高量程高精度张力计及其使用和饱和方法与流程

本发明涉及一种光纤光栅传感仪器，尤其涉及一种基于光纤光栅的高量程高精度张力计及其饱和方法。

背景技术：

自然界中浅层土体均处于非饱和状态，非饱和土中由于孔隙气的存在，使土体中存在吸力，而吸力是影响非饱和土体性质的一个核心因素，因此，吸力测量成为非饱和土力学研究的一个核心问题。在现有的测量技术中，吸力量测的方法有很多，包括直接法，比如张力计法和轴平移技术；间接法，如滤纸法。在这些方法中，轴平移技术一般适用于室内试验，滤纸法受外界环境影响大，且对测试人员的操作水平要求高，而张力计测量吸力是一种比较广泛且成熟的技术，但也存在两个技术问题，一方面，张力计普遍采用的应变传感原理包括振弦式，压电式、电阻式等，这些应变传感原理均存在不同程度的缺陷，比如，振弦式采用频率作为传输信号，其精度低，响应速度慢，长期稳定性差；电阻式和压电式采用电为传感信号，其易受电磁干扰，长距离传输信号弱，特别不适用于在一些强电磁干扰的恶劣环境以及需远距离检测的场合。

另一方面，普通张力计很难连续长时间工作，原因在于张力计本身的结构特点：压力传感器和陶土头之间是一个储水腔，如果储水腔中存在空气，张力计将会在一个远远小于最大量程的吸力作用下产生气穴作用，导致张力计不能继续正常工作。因此，在使用前，需要使张力计充分饱和，也就是高进气值陶土头和储水腔需达到共同饱和。目前张力计的饱和普遍采用两阶段饱和法：初始抽真空和预压循环稳定。初始抽真空的目的在于将腔体和高进气值陶土头中的空气除去，预压循环稳定则可迫使气压汽化核溶解到水中，而不会附着在测量系统的内壁上形成汽化的来源。但是，大部分张力计饱和装置设计繁杂，使用过程中费时费力；有的饱和装置甚至存在漏气漏水等致命缺陷，影响张力计的饱和效果。

光纤光栅(fbg)作为一种新型应变传感元件，近些年来，无论是在技术成熟度上，还是在成本上均已取得了实质性的进展。光纤光栅传感信号为波长调制，这一传感机制的好处在于：(1)测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗和探测器老化等因素的影响；(2)避免了一般干涉型传感器中相位测量不清晰和固有参考点的需要。另外，光纤光栅本身具有灵敏度高、体积小、耐腐蚀、抗电磁辐射、长期稳定性好，便于实现远距离测量等优点，适用于长期的监测，而且多个光纤光栅组成的传感系统，多路传输，便于与计算机连接，可实现准分布式测量。

技术实现要素：

为解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于光纤光栅的高量程高精度张力计及其饱和方法，该张力计能够对一定区域和深度范围土壤吸力进行远距离连续测量，其特点在于：节约材料、经济实用、结构简单、拆装方便。该张力计的饱和方法本着操作简易原则，在遵循上述两阶段饱和法的原理的基础上，尽可能达到良好的饱和效果为了达到上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种基于光纤光栅的高量程高精度张力计，包括下底座11，所述下底座11顶部开口，且自上到下依次成形有上腔体19、中腔体20和下腔体21，上腔体19、中腔体20和下腔体21的直径自上向下依次减小；上腔体19内固定有上嵌套环1，上嵌套环1，上嵌套环1底部内凸成形有挡环22，挡环22上方内固定有高进气值陶土头2，挡环22内形成储水腔8，储水腔8内填充有无气水；所述中腔体20内安装有弹性膜片7，弹性膜片7上固定有测压光栅5，测压光栅5处于下腔体21内，下腔体21内还安装有测温光栅4；储水腔8的厚度为0.1mm至0.5mm。

进一步的改进，所述弹性膜片7通过“o”型密封圈6固定在中腔体20内，“o”型密封圈6固定在中腔体20开设的矩形槽内。

进一步的改进，所述测压光栅5与测温光栅4串接于同一光纤上，光纤通过光纤引入口与外界光缆连接。

进一步的改进，所述弹性膜片7在粘贴测压光栅5时，先打磨平整，然后再施加设定的压力，使测压光栅5粘贴弹性膜片7上时能够产生相应的预拉伸。

一种基于光纤光栅的高量程高精度张力计的使用方法，使用过程包括以下步骤：

步骤一：将张力计与饱和器12密封连接，并饱和高进气值陶土头2；

步骤二：利用钻孔或开挖沟槽，将张力计埋置于土体中，钻孔和沟槽采用原位土回填；

步骤三：将各个植入待测土体中的张力计通过串联连接至外部光纤光栅解调设备，形成土体吸力连续测量系统；

步骤四：当高进气值陶土头2与土体的水分交换达到平衡时，即经过温度补偿后，测压光栅的中心波长不再变化时，读取经温度补偿的测压光栅中心波长，根据预先标定的土体张力与测压光栅的中心波长的关系，计算出待测土体的吸力。

一种基于光纤光栅的高量程高精度张力计的饱和方法，包括以下步骤：

步骤一：向饱和器12中注入无气水，并使张力计与饱和器12顶部密封连接，同时固定张力计高进气值陶土头2位于无气水上方；

步骤二：打开饱和器12与真空泵14连接的阀门a15，启动真空泵14，直至真空度指示稳定，关闭真空泵14和阀门a15；

步骤三：翻转饱和器90°，待无气水浸没高进气值陶土头2后，打开饱和器12与空压机16连接的阀门b17，启动空压机，调整只设定压力维持24h。

进一步的改进，所述真空泵14与饱和器12顶部通过阀门a15连通。

进一步的改进，所述空压机16与饱和器12底部通过阀门b17连通。

进一步的改进，所述饱和器6上安装有压力校验表13。

进一步的改进，所述饱和器12底部通过转轴轴接安装在地表基座18上。

本发明的技术原理是：

1.通过实验标定得到测压光栅的中心波长与吸力关系。实验标定系统采用与饱和方法相同的装置，其操作方法:先利用压力校验表分别标定真空泵和空压机，其次是饱和张力计高进气值陶土头，最后利用真空泵和空压机标定张力计。

2.测量时，高进气值陶土头与土壤直接接触，储水腔中的纯自由水通过多孔陶土头与土壤水建立水力联系。由于储水腔中自由水的势值总是高于土壤水的势值，因而储水腔中水很快流向土壤，并在储水腔中形成负压，该负压会拉动弹性膜片变形，进而引起测压光栅波长产生漂移。当仪器内外的势值达到平衡，波长漂移量达到稳定，此时可根据预标定曲线获得土壤张力；

3.测量过程中，当土壤介质的温度变化时，测温光栅可直接获取环境温度值，将温度值代入测压光栅的波长公式中可剔除温度效应引起的波长变化量。

本发明的有益效果是：

1.由于光纤光栅传感器具有防水性能好、寿命长和抗磁干扰性好等优点，因此本发明装置适用于长期监测,并且也可应用于受磁场影响区域。

2.由于采用了光纤光栅作为传感应变元件，很容易扩展张力计量测至正压部分。

3.减小储水腔体高度，缩短了张力计的反应时间，减小了腔体内部水体发生汽化的可能，提高了张力计的量程。

4.本发明下底座和弹性膜片之间设有“o”型密封圈，可提高装置的密封性以及消除下底座的形变对弹性膜片的影响。在实际测试中往往传感器受到外界应力的干扰，隔绝应力能提高测试的准确度，同时使该装置应用范围更加广泛。

5.本发明设置了温度补偿光纤光栅，可避免土体周围环境温差波动对测量结果的影响。

6.本发明装置体积较小，便于安装，可组网实现远距离连续测量。

7.本发明装置的饱和方法，操作简单，饱和效果良好。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的结构原理示意图；

图2为本发明高进气值陶土头与上嵌套环的组合体结构示意图；

图3为本发明下底座的结构示意图；

图4是室内标定和饱和试验测量装置系统图。

图中，1为上嵌套环，2为高进气值陶土头，3为毛细管，4为测温光栅，5为测压光栅，6为“o”型密封圈，7为弹性膜，8为储水腔，9为光纤引入口，10为外界光缆，11为下底座，12为饱和器，13为压力校验表，14为真空泵，15为阀门a，16为空压机,17为阀门b，18为地表基座，19为上腔体，20为中腔体，21为下腔体，22为挡环。

具体实施方式

如图1所示，一种基于光纤光栅的高量程高精度张力计，包括上嵌套环1、高进气值陶土头2、毛细管3、测温光栅4、测压光栅5、“o”型密封圈6、弹性膜7和下底座11。作为优选方式，上嵌套环和下底座均采用镍钼合金材料；高进气值陶土头与上嵌套环采用固定连接，形成组合体，作为优选方式，两者采用环氧胶粘结；下底座的上部设置有弹性膜片，作为优选方式，弹性膜片采用拉伸强度高的金属薄膜材料，且两者采用环氧胶粘结；测压光栅通过两个对称设置的光栅固定柱固定于弹性膜片上；测温光栅外套设有保护毛细管，毛细管粘贴在下底座上。

上述弹性膜片与光栅固定柱一次成型，便于加工封装。

上述上嵌套环内部位于弹性膜片和高进气值陶土板之间的间隙形成储水腔，其内装有无气水，其高度为0.1mm至0.5mm，作为优选方式，储水腔高度选择0.3mm。

上述下底座和弹性膜片之间设有“o”型密封圈，该“o”型密封圈安放在下嵌套环内壁面开设的矩形槽内，用于提高密封性以及消除下底座的形变对弹性膜片的影响。

上述测压光栅与测温光栅串接于同一光纤上，光纤通过光纤引入口与外界光缆连接。

上述弹性膜片在粘贴测压光栅时，先打磨平整，然后再施加一定的压力，使光栅粘贴其上时能够产生相应的预拉伸。

一种基于光纤光栅的高量程高精度张力计，具体使用过程包括以下步骤：

步骤一：将张力计与饱和器密封连接，并饱和高进气值陶土头；

步骤二：利用钻孔或开挖沟槽，将传感装置埋置于土体中，钻孔和沟槽采用原位土回填；

步骤三：将各个植入待测土体中的传感装置通过串联连接至外部光纤光栅解调设备，形成土体吸力连续测量系统；

步骤四：当高进气值陶土头与土体的水分交换达到平衡时，即经过温度补偿后，fbg的中心波长不再变化时，读取经温度补偿的fbg中心波长，根据预先标定的土体张力与光纤光栅的中心波长的关系，计算出待测土体的吸力。

上述一种基于光纤光栅的高量程高精度张力计的饱和方法，该饱和方法所采用的装置包括：饱和器、压力校验表、真空泵和空压机，所述饱和器可以实现旋转，其被固定连接在地表基座上，所述真空泵与饱和器顶部通过阀门连接，所述空压机与饱和器底部通过阀门连接，所述压力校验表固定在饱和器顶部。

本发明还公布了上述张力计饱和方法，包括以下步骤：

步骤一：向饱和器中注入一定量的无气水，并使张力计与饱和器顶部密封连接，同时固定张力计高进气值陶土头位于无气水上方；

步骤二：打开饱和器与真空泵连接的阀门，启动真空泵，直至真空度指示稳定，关闭真空泵和阀门；

步骤三：倒置饱和器90°，待无气水浸没高进气值陶土头后，打开饱和器与空压机连接的阀门，启动空压机，调整一定压力维持24h。

实验标定系统采用与饱和方法相同的装置，其操作方法:先利用压力校验表分别标定真空泵和空压机，其次是饱和张力计高进气值陶土头，最后利用真空泵和空压机标定张力计。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变换，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。