一种基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量装置的制作方法

本实用新型公开了一种光纤布拉格光栅(FBG)的分布式原位测量冻土含冰量的装置，涉及冻土含冰量测量技术领域。

背景技术：

冻土是一种温度低于0℃且含有冰的土，是由土颗粒、冰、未冻水、气体组成的多相复杂体系。冻土对温度十分敏感且物理性质不稳定，其特性除了与土壤质地、容重和含水量有关外，还受含冰量的控制。不同于未冻土，冻土中的冰，使得冻土的性质既特殊又复杂。因此，测量冻土含冰量对于理论研究和工程实践都具有重要的意义。

目前，冻土含冰量测量方法有膨胀法、介电谱法、热脉冲法和核磁共振法(NMR)。

膨胀法基本原理是：将待测土壤样本放置在一个圆柱容器中润湿至饱和，在容器的一端插入一根管状的张力计并延至该容器的另一端。当土壤冻结时，由于土壤是饱和的，形成的冰的体积就会膨胀，为了保证土壤结构不被破坏，膨胀的体积会迫使部分液态水从土壤孔隙中流出并透过张力计进入预先标定好的毛细管中。通过测量毛细管中的液态水，再依据水冻结成冰的膨胀系数，冰的体积便可以计算出来。

介电谱法的基本原理是：通过测定冻土的介电常数来间接反映含冰量，通常通过确定两个频率下的介电谱并结合介电混合模型来推算饱和土壤的含冰量。

热脉冲法基本原理是：当冻土温度不变时，未冻水含量不再变化。借助热脉冲测定出冻土的热导率，便可计算出冻土含冰量。仅仅适用于温度较低的环境下，当温度接近冻结点时，测定结果不具可靠性。

核磁共振法(NMR)的测量原理是：一些原子的原子核就像一些小型的磁棒，在外加强磁场的作用下，这些原子核会定向排列。如果再加上无线电频波的作用，这些原子将吸收足够的能量从而在外加磁场内以另一个稳定的方向重新排列。将预先准备好的冻土土样放置于一个脉冲分析仪中，并对土样发射度的无线电脉冲。在无线电脉冲的作用下，围绕在土样周围的接收线圈将产生能够反映吸收能量原子数的电压，其大小与土样中固态冰的氧原子量成正比。分析仪通过检测上述电压便能测定出冻土样本中的含冰量。

上述四种方法均能够测量冻土含冰量，也都有各自的局限性：膨胀法仅仅局限在实验室环境下，容易破坏冻土原有结构且无法测定非饱和土壤的冻土含冰量；热脉冲法在温度较低的环境下可以测定出含冰量，但当温度接近冻结点时，测定的数据不够准确；介电谱法的使用受到土壤类型的制约；NMR法具有较高的测量精度，但分析仪体积庞大、价格昂贵，且安装与使用十分复杂，其应用范围仅仅局限于实验室环境，无法广泛使用。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量装置，基于温度响应原理，运用FBG管状传感器，对内加热的管体进行温度感测，通过管体的升温曲线来确定温度特征值，从而测量冻土含冰量。解决了含冰量测量不准确、冻土原状结构易被破坏、难以对冻土含冰量进行原位测量等缺点。

为解决上述问题，本实用新型采用以下技术方案：一种基于装置，包括加热电源、管状传感器、FBG解调仪和分析处理监测数据装置，所述管状传感器包括管体、光纤、加热电阻丝、FBG传感器，管体内贯穿有光纤和加热电阻丝，光纤上设置若干FBG传感器，加热电阻丝通过通电导线和加热电源连接，光纤通过光纤引线和FBG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FBG解调仪，并运用数据分析处理系统将波长数据转化为管体温度信息并计算管体的温度特征值。

所述管状传感器的管体材料采用高导热绝缘塑料，导热系数为1.13-1.20W/(m.k)。

所述管状传感器采用增敏性封装结构，由两个直径为R的半圆柱体组成，在其中一个半圆柱体截面中间位置开设直径为r的圆形小槽，光纤铺设在小槽中，两端呈自然松弛状态，不受拉力；往小槽内注入不固化导热膏；将两个半圆柱体用环氧胶固定封装，在管体外每隔间距D设置一个夹具固定管体。

所述管状传感器内相邻FBG传感器间距为d；管状传感器单独或串联使用；相邻管状传感器通过两端的螺口和螺母相连。

所述管状传感器外部光纤引线外设碳纤维布保护套，沿钻孔及管体传感器外壁连接FBG传感器。光纤布拉格光栅(FBG)是在纤芯制造等周期光栅，当光纤沿轴向受拉或温度变化后，光纤沿轴向会发生形变，光纤折射率也随之变化导致输出信号光谱会发生变化，因此可以实现数值化测量。光纤光栅传感器是在光纤光栅的基础上，以布拉格条件为基础发展起来的一种本征波长调制型传感器，具有体积小(裸FBG传感器外径125μm)、抗电磁干扰能力强、性能不受湿度影响、稳定性好、耐腐蚀、灵敏度高的优点，近年来广泛应用于监测桥梁、大坝和岩土结构。

有益效果：

1.本实用新型基于冻土导热系数测量含冰量，在较低温度下测量可以降低水分迁移对测量结果的影响。

2.本实用新型可以直接测量原状冻土含冰量，对冻土扰动较小，避免了冻土在取样和运输及保存过程中的结构和成分变化。

3.本实用新型可以实现分布式、连续性测量冻土含冰量。

4.本实用新型可以实现对冻土含冰量变化的实时监测。

5.本实用新型经济安全，操作便捷，抗干扰能力强，精度可靠，稳定性高。

6.本法明可以应用于不同规模的实验研究，可以采用串联的方式提高空间分辨率。

附图说明

图1是本实用新型所述分布式原位测量传感器内部纵向结构示意图。

其中，1、螺口；2、不固化导热膏；3、FBG；4、光纤；5、光纤保护套；6、通电导线；7、电阻丝；8、高导热绝缘管体；

图2是本实用新型所述分布式原位测量传感器内部横截面示意图。

其中，2、不固化导热膏；4、光纤；7、电阻丝；8、高导热绝缘管体；9、环氧胶；r是增敏结构内部光纤穿出孔直径；R是增敏结构外部的圆形柱状管体的直径。

图3是本实用新型所述分布式原位测量传感器整体结构示意图。

其中，10、螺母；11、FBG管状传感器；12、夹具；13、光纤引出口；D是夹具间距。

图4是本实用新型所述冻土含冰量分布式原位测量系统示意图。

其中，14、加热电源；15、分析处理监测数据的计算机；16、FBG解调仪；17、光纤引线；18、通电导线；19、冻土；20、管状传感器；21、光纤光栅；22、电阻丝；23、钻孔。

图5是实施例1砂土中管状传感器温度特征值与冻土含冰量线性关系标定结果图。

图6是实施例1砂土含冰量测量结果图。

图7是实施例2中含冰量随冻土深度的变化曲线图。

具体实施方式

附图提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。下面结合附图和实施例对本实用新型做过更进一步的解释。

如图1及图2所示，一种基于FBG的冻土含冰量测量的内加热管状传感器，由内到外依次包括FBG传感器、光纤、加热电阻丝、不固化导热膏、带螺口的管体、光纤保护套、通电导线。

如图3所示，一种基于FBG的冻土含冰量测量的内加热管状传感器，传感器管体外部每隔间距D设置一个夹具固定管体，相邻管体之间通过螺母连接，螺母上预留光纤引线穿出孔口。

如图4所示，一种基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量系统，包括加热电源1、分析处理监测数据的计算机2、FBG解调仪3、管状传感器7。所述加热电源1保持恒定功率，使电阻丝在稳定电流下工作；所述管状传感器7为具有内加热功能的FBG的管状传感器；所述FBG解调仪3连接带有FBG传感器的光纤，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的计算机2连接FBG解调仪，并运用数据分析处理系统将波长数据转化为管体温度信息并计算管体的温度特征值。

FBG解调仪检测FBG反射的布拉格波长来反映温度信息。本试验中采用苏州南智传感科技有限公司生产的A-01FBG解调器对FBG进行解调，采集波长读数。解调仪采样记录间隔为10秒。

一种基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量方法，包括如下步骤：

步骤一、将制作、封装完备的管状传感器植入待测冻土的相应位置，所述传感器为具有内加热功能的FBG管状传感器，由管体、光纤、内置电阻丝、FBG传感器组成；

步骤二、连接电源，对步骤一所述管状传感器通电加热，管体在电流作用下开始升温；待传感器周围扩散热流密度恒定后停止通电加热，管体开始降温；

步骤三、FBG解调仪采集并记录加热时间[t1,t2]区间内FBG的波长读数,t1为扩散热流密度稳定后30s，t2为管体开始降温的时间；

步骤四、运用数据分析处理系统将波长数据转化为管体温度信息；计算管体的温度特征值，根据管体的温度特征值与冻土含冰量的线性关系：i＝k1ΔTt+b1计算出冻土含冰量，其中i为冻土含冰量，ΔTt为管状传感器所测的温度特征值，k1、b1为常数，通过若干组冻土试样的率定试验确定；所述管状传感器温度特征值为通电加热后管状传感器形成的温度场趋于稳定后，选取一个特征时间区间[t1,t2]内的等时间间隔所测得的温度的算术平均值与初始温度的差值。

进一步地，所述的基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量方法，步骤一中将制作、封装完备的管状传感器植入待测冻土的相应位置，所述植入方法：采用钻孔或直埋的方式将传感器竖向铺设于待测冻土土壤中。

进一步地，所述的基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量方法，步骤二所述管状传感器加热功率稳定，保证传感器稳态加热；步骤四中所述等时间间隔为10秒。

进一步地，所述的基于FBG的冻土含冰量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]定义为特征时间区间，取值根据不同含水量、不同土壤条件而有所变化。

进一步地，所述冻土含冰量i为冻土中冰的质量与全部水的质量的比值。

进一步地，所述的基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量方法，其特征在于，所述率定试验包括如下步骤：

步骤一、若干组已知含冰量冻土土壤；

步骤二、将制作、封装完备的管状传感器植入待测冻土的相应位置，所述管状传感器为具有内加热功能的FBG管状传感器，由管体、光纤、加热电阻丝、FBG传感器组成；

步骤三、连接电源，对步骤二所述管状传感器通电加热，管体在电流作用下开始升温；待传感器周围扩散热流密度恒定后停止通电加热，管体开始降温；

步骤四、FBG解调仪采集并记录加热时间[t1,t2]区间内FBG的波长读数，t1为扩散热流密度稳定后30s，t2为管体开始降温的时间，将波长数据转化为管体温度信息；

步骤五、运用数据分析处理系统计算各管体的温度特征值，并拟合各管体的温度特征值与冻土含冰量线性关系：i＝k1ΔTt+b1，其中i为冻土含冰量，ΔTt为管状传感器所测的温度特征值，k1、b1为常数；所述管状传感器温度特征值为通电加热后管状传感器周围扩散热流密度恒定后，选取一个特征时间区间[t1,t2]内的等时间间隔所测得的温度的算术平均值与初始温度的差值。

进一步地，所述的基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量方法，所述若干组已知含冰量的冻土土壤为4～6组；冻土试样含冰量由核磁共振法确定。

一种基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量装置，包括加热电源、管状传感器、FBG解调仪和分析处理监测数据的计算机。所述加热电源保持恒定功率，使电阻丝在稳定电流下工作；所述管状传感器为具有内加热功能的FBG管状传感器，由管体、光纤、加热电阻丝、FBG传感器组成；所述FBG解调仪连接带有FBG传感器的光纤，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的计算机连接FBG解调仪，并运用数据分析处理系统将波长数据转化为管体温度信息并计算管体的温度特征值。

进一步地，所述冻土含冰量分布式原位测量装置，所述管状传感器的管体材料采购自昆山市奋发绝缘材料有限公司，导热系数为1.13-1.20W/(m.k)。所述高导热绝缘塑料具有导热性好、韧性好、比重轻、绝缘强、耐腐蚀、耐老化等显著特点。

进一步地，所述冻土含冰量分布式原位测量装置，所述FBG管状传感器管体内开设两条孔道，其中一条安装加热电阻丝，另一孔道安装带有FBG传感器的光纤。

进一步地，所述冻土含冰量分布式原位测量装置，基于FBG传感器对温度和应变同时响应的特性以及光纤易断的性质，所述FBG传感器通过增敏性封装提高温度灵敏系数：增敏结构由两个直径为R的半圆形柱体组成，在其中一个半圆形柱体截面中间位置开设直径为r的圆形小槽，光纤铺设在小槽中，两端呈自然松弛状态，不受拉力；往小槽内注入不固化导热膏以加快热传导的速度，同时对应变起到缓冲甚至消除作用；将两个半圆形柱体用环氧胶固定封装，考虑到分布式原位测量所需管体长度较大，在管体外每隔间距D设置一个夹具固定管体。

进一步地，所述冻土含冰量分布式原位测量装置，所述管状传感器内串联10个FBG传感器，相邻FBG传感器间距为d；多个管状传感器的串联实现冻土含冰量的准分布式原位测量；相邻管体通过两端的螺口和螺母相连。

进一步地，所述冻土含冰量分布式原位测量装置，所述管状传感器外部光纤引线通过碳纤维布保护套的保护性封装，沿钻孔及管体传感器外壁连接FBG传感器。

本实用新型原理：基于FBG的冻土含冰量分布式原位测量方法的基本原理是利用FBG传感器所测得的升温过程中温度特征值与冻土含冰量之间的线性关系，来测量冻土含冰量。进一步可以解释为：冻土的热传导性能由土壤颗粒、气体、未冻水、冰四者共同决定，其中，空气导热系数为0.024W/(m*K),水导热系数为0.60W/(m*K)，冰导热系数为2.25W/(m*K)。土壤颗粒各项特征在测量过程中保持不变，气体导热系数远远小于未冻水和冰的导热系数，故可以忽略不计，土壤总含水率保持恒定，未冻水含量由含冰量决定，因此，冻土的热传导能力由含冰量决定。由于冰的导热系数是水的3～4倍，所以含冰量越高，冻土的热传导能力越强。将具有内加热功能的管体FBG传感器植入待测冻土中，通电后管体加热温度升高，与冻土之间形成温差，在含冰量越高的冻土中传热能力越强，而管体由于电源功率恒定产生的总能量固定，所以向冻土土体中扩散的能量越多，用于管体加热的能量就越少，管体的温度特征值就越低。因此，通过测量管体加热一定时间后得到的温度特征值，可以求得冻土含冰量。

实施例1

应用本实用新型所述方法和装置进行某冻土含冰量测量的室内实验。

管状传感器温度特征值与该冻土含冰量的线性关系的率定试验：

步骤一、通过钻孔采集某冻土地区不同深度冻土土壤试样5组，使用核磁共振法测量各深度冻土的含冰量，测量结果为:3％、4.6％、8.7％、9.3％、11.5％；

步骤二、用大体积环刀(环刀高度≥4cm，容积≥120cm³)取样，同时将制作、封装完备的管状传感器植入待测冻土的中心位置，所述管状传感器为具有内加热功能的FBG管状传感器，由管体、光纤、加热电阻丝、FBG传感器组成；

步骤三、连接电源，对步骤二所述管状传感器通电，管体在电流作用下开始升温；待管体周围扩散热流密度恒定后停止通电加热，管体开始降温；

步骤四、FBG解调仪每隔10秒采集并记录波长读数，将波长数据转化为管体温度信息；

步骤五、运用数据分析处理系统绘制管状传感器的升温曲线，选取的温度特征区间为加热后[14min，25min]，计算该特征区间内各管体的温度特征值，并结合前面得到的冻土含冰量拟合得到各管体的温度特征值与冻土含冰量线性关系：i＝-0.709ΔTt+0.1406，经线性拟合所得的标定系数R²＝0.998，如图5所示。

按照上述率定试验相同的方法和步骤，通电加热、采集并解调信息、分析温度信息、计算温度特征值，将所求温度特征值代入率定试验所确定的一次函数i＝-0.709ΔTt+0.1406中，计算冻土含冰量，如图6。从图6中可以看出来，使用本实用新型方法测得的冻土含冰量为8.2％。

本实施例1试验过程中所述冻土试样、FBG管状传感器均放置于与取样地同等温度的冷冻室中，加热电源、FBG解调仪、分析处理监测数据的计算机均放置于冷冻室外。

实施例2

应用本实用新型所述方法和装置进行分布式测量冻土含冰量的原位试验，对不同深度冻土土壤含冰量进行监测。试验地点选取青海某砂性土地区的冻土土壤。

步骤一、按照实施例1所述方法和步骤对该地区砂性土温度特征值与含冰量的线性关系进行率定试验，拟合得到温度特征值与含冰量的线性关系；

步骤二、通过钻孔将13个FBG管状传感器串联竖直埋设入待测冻土中，所述FBG管状传感器为10个FBG传感器串联组成，相邻传感器间距为20cm，可同时测量不同深度土壤的含冰量；

步骤三、将管状传感器连至稳定功率的电源和FBG传感器；连接电源，对步骤二所述FBG管状传感器通电加热，管体在电流作用下开始升温；待传感器周围扩散热流密度恒定后停止通电加热，管体开始降温；

步骤四、FBG解调仪每隔10秒自动采集并记录波长读数，将波长数据转化为管体温度信息；

步骤五、运用数据分析处理系统计算各FBG传感器感测的温度特征值，将所求温度特征值代入率定试验所确定的一次函数中，计算各深度的冻土含冰量，可以得到冻土含冰量随深度的变化曲线，如图7所示。

将本实施例中管状传感器温度特征值与冻土含冰量之间线性关系的理论推导过程阐述如下：

假设待测冻土具有均匀性，管体位于初始温度一致的无限土层中。将此类冻土中热量传递简化成一维问题。在管体表面取单位面积，根据欧姆定律，该单位面积单位时间内产生的能量为：

Q1＝I²R (1)

式(1)中Q1为电阻丝单位面积上产生的能量，I为电流，R为电阻丝的电阻。I、R均为已知常数，Q1所以也为常数。

根据能量守恒，单位时间内用于管体加热的能量表示为:

Q2＝Cm(T-T0)＝CmΔTt (2)

式(2)中Q2为用于加热管体的能量；Cm为管体的比热容；T0为加热前管体的温度；T为加热后管体的实测温度，取值为管体周围扩散热流密度恒定后管体的平均温度；ΔTt定义为温度特征值。

管体单位面积在单位时间内散失的热量Q：

Q＝Q1-Q2＝I²R-CmΔTt (3)

将热源看做是无线长线热源，管体周边冻土的温度场满足：

式(5)中，r为以管体为圆心的半径；t为换热时间；T(r，t)为t时刻距管体中心半径为r处的岩土体温度；Q为管体换热量；L为管体长度；λ为岩土体导热系数；a为岩土体热扩散率；β为计算过程参数；T∞为距管体中心无穷远处岩土体温度(即地层初始温度)；CS为岩土体单位体积热容，。

假设管体稳态导热，r取值管体半径rw,则加热后所测温度T:

基于无线长线热源模型，使用线性推导法，由(6)式可知T与时间t的对数呈线性关系。可以简化为：

T＝klnt+m (7)

其中，T为管体内加热稳定后平均温度；P为管体热阻；γ为欧拉常数，取0.577216；k和m为FBG询问器测得的温度与时间的关系，基于最小二乘法拟合得到直线的斜率和截距。

结合温度响应的散热量Q可以得到导热率：

冻土由土骨架、气体、未冻水、冰组成，故冻土的导热率由四部分组成

λ＝λss+λgg+λll+λii (11)

其中，s、g为冻土中土壤颗粒、气体质量与冻土总质量的比值，l、i为冻土中未冻水、冰的质量与全部水的质量的比值。气体含量g极小可以忽略，土骨架、未冻水、冰的导热系数λs、λl、λs以及土壤颗粒的含量s可以通过相关实验和资料得到，未冻水含量l＝1-i，故冻土导热率是关于含冰量的线性函数，可以表示为：

λ＝ai+b (12)

式(12)中，a＝λi,b＝λss+λgg+λll，a、b都是常数。

联立式(3)(10)、(12)可以得到含冰量和温度特征值ΔTt的线性关系:

可以进一步简化得：

i＝k1ΔTt+b1 (14)

其中k1、b1都是常数。

由式(14)可以看出管状传感器的温度特征值与冻土含冰量之间成线性关系。因此可以通过监测管状传感器的温度来计算冻土含冰量。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应包含在本实用新型的保护范围之内。