一种非侵入式时域反射探头标定方法及系统与流程

1.本发明属于岩土工程测量仪器标定技术领域，具体涉及一种非侵入式时域反射探头标定方法及系统。


背景技术：

2.时域反射技术作为一种可同时测量土体含水率和密度的技术，被广泛应用于岩土工程、土壤学等学科。随着工程应用的推广，作为时域反射技术重要组成部分的时域反射探头得以迅速发展。按照测试方式，时域反射探头可分为侵入式和非侵入式。对于侵入式探头，按照设计形式和测试目的可分为定点式和贯入式。定点式探头(如：同轴式、两针式、两板式和三针式等)只能埋入土体表层进行固定点位的土体含水率和密度测试；贯入式探头可连续测试不同深度土体的含水率和密度。侵入式探头测试过程中需插入土体，造成被测土体的挤压(“挤土效应”)，进而产生测试误差。对于非侵入式探头(如：电路板式)，因其测试过程中不需插入土体，因此克服了侵入式探头的“挤土效应”问题。然而，对于非侵入式时域反射探头，测试前的标定程序是保证土体含水率和密度测试结果可靠性的前提。
3.目前，已知时域反射技术测试土体含水率和密度的标定程序主要针对侵入式探头。其标定程序主要包括：探头的波导长度和几何尺寸参数标定、土体介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数标定。对于侵入式探头测试土体含水率和密度的标定，首先采用去离子水标定探头的波导长度；随后利用不同浓度nacl溶液标定探头的波导几何尺寸参数；最后采用已知不同含水率和密度的压实土样标定土体介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数。该标定程序虽简便、成熟，但并不适用于非侵入式时域反射探头。这主要是由于非侵入式时域反射探头将波导附着于电路板基材上，上述设计方式使测试过程中探头免于插入土体，同时也造成了探头有效测试范围内同时包含目标土体和电路板基材。因此，为准确测试土体含水率和密度，需科学设计标定程序，去除非侵入式时域反射探头中电路板基材对测试结果的影响。
4.综上所述，现有针对侵入式时域反射探头测试土体含水率和密度的标定程序较为成熟，但并不适用于非侵入式时域反射探头。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种非侵入式时域反射探头标定方法及系统，用于解决非侵入式时域反射探头无法准确测试土体含水率和密度标定的技术问题。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种非侵入式时域反射探头标定方法，利用不同体积比的乙醇和去离子水混合溶液计算非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度；基于测试目标介质权重系数，采用不同浓度的nacl溶液标定非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数；制备已知不同含水率和密度的压实土样，基于非侵入式时域反射探头的波导长度和波导几何尺
寸参数，标定压实土样介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数。
8.具体的，步骤s1具体为：
9.s101、将乙醇和去离子水混合配置成至少4组不同浓度的混合溶液，随后采用侵入式时域反射探头和非侵入式时域反射探头分别测试不同浓度混合溶液的时域反射波形图，最后根据侵入式时域反射探头测试的时域反射波形图计算混合溶液的介电常数，并从非侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图中获取电磁波沿波导的传播时间δte；
10.s102、根据介电混合模型，对非侵入式时域反射探头测试的有效介电常数、侵入式时域反射探头测试的混合溶液介电常数和电路板基材介质的介电常数进行回归分析，计算得到非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度。
11.进一步的，步骤s102中，非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数m和波导长度le分别为：
[0012][0013][0014]
其中，km为电路板基材介质的介电常数，a、b为介电混合模型回归分析计算式的拟合参数。
[0015]
具体的，步骤s2具体为：
[0016]
s201、考虑合理的电导率梯度并配置大于等于4组不同浓度的nacl溶液，随后采用侵入式时域反射探头和非侵入式时域反射探头分别在恒温下测试nacl溶液的时域反射波形图，根据侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图计算nacl溶液的电导率，并从非侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图获取电磁脉冲的初始电压v
e0
和经历多次反射后的稳定电压v
e∞
；
[0017]
s202、根据电导率混合模型，对非侵入式时域反射探头测试的有效电导率、侵入式时域反射探头测试的电导率和电路板基材介质的电导率进行回归分析，计算得到非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数ce。
[0018]
进一步的，步骤s201中，侵入式时域反射探头测试的nacl溶液电导率ecs为：
[0019][0020]
其中，c为侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数，v0为侵入式时域反射探头测试电磁脉冲的初始电压，v
∞
为侵入式时域反射探头测试电磁脉冲经历多次反射后的稳定电压。
[0021]
进一步的，步骤s202中，非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数ce为：
[0022][0023]
其中，ecs为侵入式时域反射探头测试的nacl溶液电导率。
[0024]
具体的，步骤s3具体为：
[0025]
s301、将烘干过筛的土体配置为涵盖测试含水率范围的压实土样，压实土样的数
量大于等于4组，随后结合非侵入式时域反射探头的波导长度和几何尺寸参数，在恒温条件下采用非侵入式时域反射探头测试压实土样的时域反射波形图，并利用介电和电导率混合模型分别计算压实土样的介电常数ks和电导率ecs；
[0026]
s302、利用计算式对经介电和电导率混合模型计算获得的土体介电常数ks和电导率ecs与含水率和密度进行回归分析，得到标定参数a1、b1、c1、d1。
[0027]
进一步的，步骤s301中，压实土样的介电常数ks和电导率ecs分别为：
[0028][0029][0030]
其中，ke为非侵入式时域反射探头测试的有效介电常数，m为非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数，km为电路板基材介质的介电常数，v
e0
为非侵入时域反射探头测试电磁脉冲的初始电压，v
e∞
为非侵入时域反射探头测试电磁脉冲经历多次反射后的稳定电压，ce为非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数。
[0031]
进一步的，步骤s302中，压实土样的体积含水率θ和土体密度ρc计算如下：
[0032][0033][0034]
第二方面，本发明实施例提供了一种非侵入式时域反射探头标定系统，包括：
[0035]
计算模块，用于利用不同体积比的乙醇和去离子水混合溶液计算非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度；
[0036]
回归模块，用于利用计算模块得到的测试目标介质权重系数，采用不同浓度的nacl溶液标定非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数；
[0037]
标定模块，用于制备已知不同含水率和密度的压实土样，基于计算模块得到的非侵入式时域反射探头的波导长度和回归模块标定的几何尺寸参数，标定压实土样介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数。
[0038]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0039]
本发明一种非侵入式时域反射探头标定方法，利用不同体积比的乙醇和去离子水混合溶液标定非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度；基于测试目标介质权重系数，采用不同浓度的nacl溶液标定非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数；最后，制备已知不同含水率和密度的压实土样，基于非侵入式时域反射探头的波导长度和波导几何尺寸参数，标定压实土样介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数，利用不同介质的介电特性差异并采用介电/电导率混合模型，实现了非侵入式时域反射探头敏感性和参数的精确标定，基于非侵入式时域反射探头测试压实土体的介电常数和电导率，还建立了压实土样介电常数和电导率与含水率和密度的联系，为非侵入式时域反射探头在岩土工程领域的室内试验和现场工程应用提供了有效路径。
[0040]
进一步的，采用不同体积比的乙醇和去离子水混合溶液既可使测试所用溶液的介电常数具有一定间隔，又可以保证溶液的均匀性。设置合理浓度梯度并配置大于等于4组溶
液可保证混合溶液的介电常数范围能够包含拟测试土体的介电常数，保证回归分析参数的代表性。利用时域反射技术测试乙醇和去离子水混合溶液的介电常数和电磁波沿波导的传播时间，测试精准，原理明确，技术成熟，操作简单。结合非侵入式时域反射探头测试的有效介电常数、侵入式时域反射探头测试的混合溶液介电常数和电路板基材介质的介电常数，采用介电混合模型回归分析并计算得到非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数m和波导长度le，根据非侵入式时域反射探头波导周围电势场能量分布不均匀的特点，采用权重分配理论，对波导周围不同区域电势场能量权重系数定量求解，获得了测试目标介质权重系数m和波导长度le。
[0041]
进一步的，获取非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数m可确定并排除电路板基材介质在非侵入式时域反射探头测试土体介电常数/电导率时的影响；获取非侵入式时域反射探头的波导长度le可排除制作误差对波导长度的影响，确保测试结果的准确性。
[0042]
进一步的，考虑合理的电导率梯度并配置大于等于4组不同浓度的nacl溶液可以保证混合溶液的电导率范围能够包含拟测试土体的电导率，保证回归分析参数的代表性。利用时域反射技术测试nacl溶液的电导率、电磁脉冲的初始电压v
e0
和经历多次反射后的稳定电压v
e∞
，测试精确，原理明确，技术成熟，操作简单。结合非侵入式时域反射探头测试的有效电导率、侵入式时域反射探头测试的混合溶液电导率和电路板基材介质的电导率，采用电导率混合模型回归分析得到非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数ce，根据非侵入式时域反射探头波导周围电势场能量分布不均匀的特点，采用权重分配理论，对波导周围不同区域电势场能量权重系数定量求解，获得了波导几何尺寸参数ce。
[0043]
进一步的，采用侵入式时域反射探头测试nacl溶液的电导率ecs，测试精准，原理明确，技术成熟，操作简单，可提供不同浓度nacl溶液的电导率精确值，为电导率混合模型的回归分析提供参数。
[0044]
进一步的，确定非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数ce可确定传输线几何和物理性质以及非侵入式时域反射探头波导布置对目标介质电导率计算的综合影响值，提高了非侵入式时域反射探头测试电导率结果的准确性。
[0045]
进一步的，将烘干过筛的土样配置为涵盖测试含水率范围且大于等于4组的压实土样，该流程既规范了压实试样的制备步骤，又为后续介电常数和电导率标定参数的代表性提供了支撑。利用标定计算的非侵入式时域反射探头参数，在恒温条件下测试并计算压实土样的介电常数ks和电导率ecs，技术成熟，理论可靠，同时考虑了探头参数和温度对测试土样介电常数和电导率的影响，提高了测试结果的精确性和可重复性。利用计算式对介电常数和电导率进行标定，建立了介电常数和电导率与土体密度和体积含水率的关系，为非侵入式时域反射探头的室内标定试验提供了具有代表性的参数a1、b1、c1、d1标定值。
[0046]
进一步的，通过非侵入式时域反射探头测试并计算压实土样的介电常数和电导率，应用理论模型排除了电路板基材介质介电特性和探头/传输线自身参数误差对拟测试目标介质介电特性的影响，实现了压实土样介电常数和电导率的精确计算，为非侵入式时域反射探头精确测试压实土样的介电特性提供了理论基础。
[0047]
进一步的，通过结合非侵入式时域反射探头测试的压实土体介电常数和电导率与标定的参数a1、b1、c1、d1对土样含水率和密度进行计算，建立了压实土体介电常数和电导率
与密度和含水率的联系，为非侵入式时域反射探头在岩土工程领域的室内试验和工程应用提供了理论支撑。
[0048]
可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
[0049]
综上所述，本发明能够确定非侵入式时域反射探头的测试目标介质敏感性，实现探头参数的精确标定，建立非侵入式时域反射探头测试压实土体介电常数和电导率与含水率和密度的联系。该方法及系统理论清晰，标定结果精确，适用范围广，技术可靠，操作方便，实用性强。
[0050]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0051]
图1为本发明的非侵入式时域反射设备图，其中，(a)为非侵入式时域反射装置标定图；(b)为非侵入式时域反射探头轮廓图；(c)为非侵入式时域反射探头平面布置图；
[0052]
图2为本发明的测试目标介质权重系数分析结果图；
[0053]
图3为本发明的波导几何尺寸参数ce分析结果图；
[0054]
图4为本发明的一种非侵入式时域反射探头标定方法的土体介电常数和电导率与含水率和密度关联参数标定结果，其中，(a)含水率；(b)密度。
[0055]
其中，1.电脑；2.数据线；3.时域信号处理器；4.同轴电缆；5.非侵入式时域反射探头；6.亚克力桶；7.目标测试介质；8.环氧树脂；9.电路板；10.波导。
具体实施方式
[0056]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0057]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0058]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0059]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0060]
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
[0061]
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
[0062]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0063]
本发明提供了一种非侵入式时域反射探头标定方法，利用不同体积比的乙醇和去离子水混合溶液标定非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度；采用不同浓度的nacl溶液标定非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数；制备已知不同含水率和密度的压实土样，标定非侵入式时域反射探头所测试土体介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数。本发明方法不仅能够确定非侵入式时域反射探头的测试目标介质敏感性，还能够获得探头的波导长度和几何尺寸参数，实现土体含水率和密度的精确测试，步骤理论清晰，标定结果精确，适用范围广，技术可靠，操作方便，实用性强，可成为岩土工程测量仪器标定技术领域的一种新手段。
[0064]
请参阅图1，非侵入式时域反射设备包括电脑1、数据线2、时域信号处理器3、同轴电缆4、非侵入式时域反射探头5、亚克力桶6和目标测试介质7；非侵入式时域反射探头5包括环氧树脂8、电路板9和波导10。
[0065]
便携式电脑1通过数据传输线2和时域信号处理器3连接，随后时域信号处理器3通过同轴电缆4和非侵入式时域反射探头的波导10连接，最后波导10附着在电路板9上并和目标测试介质7紧密贴合。
[0066]
此外，同轴电缆4的端部设置有环氧树脂8，波导10为三板式，采用金导板，宽度为1.5mm，厚度为0.03mm，两个金导板的中心间距为4mm。
[0067]
本发明一种非侵入式时域反射探头标定方法，包括以下步骤：
[0068]
s1、通过侵入式时域反射探头和非侵入式时域反射探头分别测试不同体积比乙醇和去离子水混合溶液(大于等于4组)的时域反射波形图，随后根据时域反射波形图计算混合溶液的介电常数，最后利用介电混合模型对侵入/非侵入时域反射探头测试的介电常数/有效介电常数和电路板基材介质的介电常数进行回归分析，计算得到非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度；
[0069]
通过侵入式时域反射探头和非侵入式时域反射探头分别测试不同体积比乙醇和去离子水混合溶液(大于等于4组)的时域反射波形图，随后根据时域反射波形图计算混合溶液的介电常数，最后利用介电混合模型对侵入/非侵入时域反射探头测试的介电常数/有效介电常数和电路板基材介质的介电常数进行回归分析，计算得到非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度，具体为：
[0070]
s101、采用不同体积比的乙醇和去离子水混合溶液，设置合理浓度梯度并配置大于等于4组的混合溶液，随后采用侵入式和非侵入式时域反射探头分别测试不同体积比乙醇和去离子水混合溶液的时域反射波形图，最后根据侵入式时域反射探头所测试的时域反
射波形图计算混合溶液的介电常数，并从非侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图中获取电磁波沿波导的传播时间δte；
[0071]
侵入式时域反射探头测试混合溶液介电常数的计算式如下：
[0072][0073]
其中，ks为侵入式时域反射探头测试的混合溶液介电常数，c为电磁波在真空中的传播速度(3
×
108m/s)，δt为侵入式时域反射探头测试电磁波沿波导的传播时间，l为侵入式时域反射探头的波导长度。
[0074]
s102、根据介电混合模型，对非侵入式时域反射探头测试的有效介电常数表达式、侵入式时域反射探头测试的混合溶液介电常数和电路板基材介质的介电常数进行回归分析，计算得到非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度。
[0075]
介电混合模型和非侵入式时域反射探头的波导长度计算式如下：
[0076]ken
＝mk
sn
+(1
–
m)k
mn
ꢀꢀꢀ
(2)
[0077][0078]
其中，ke为非侵入式时域反射探头测试的有效介电常数，km为电路板基材介质的介电常数，m为非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数，le为非侵入式时域反射探头的波导长度，a、b为介电混合模型回归分析计算式的拟合参数，n为目标介质相对于外加电场的形状参数(-1≤n≤1)。当目标介质与电容器平行组合时n＝1，当目标介质与电容器垂直组合时n＝-1，本发明采用目标介质与电容器平行组合，即n＝1。
[0079]
介电混合模型回归分析计算式和测试目标介质权重系数m计算如下：
[0080]
y＝aks+b
ꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0081][0082]
介电混合模型回归分析计算式中变量和常数计算如下：
[0083]
y＝(cδte)2ꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0084]
a＝4ml
e2
ꢀꢀ
(7)
[0085]
b＝4(1
–
m)l
e2km
ꢀꢀꢀ
(8)
[0086]
其中，δte为非侵入式时域反射探头测试电磁波沿波导的传播时间。
[0087]
s2、采用侵入式时域反射探头和非侵入式时域反射探头分别测试不同浓度nacl溶液(大于等于4组)的时域反射波形图，随后根据时域反射波形图计算nacl溶液的电导率，最后利用电导率混合模型对侵入/非侵入时域反射探头测试的电导率/有效电导率和电路板基材介质的电导率进行回归分析，计算得到探头的波导几何尺寸参数；
[0088]
采用侵入式和非侵入式时域反射探头分别测试不同浓度nacl溶液(大于等于4组)的时域反射波形图，随后根据时域反射波形图计算nacl溶液的电导率，最后利用介电混合模型对侵入/非侵入时域反射探头测试的电导率/有效电导率和电路板基材介质电导率进行回归分析，计算得到探头的波导几何尺寸参数，具体为：
[0089]
s201、考虑合理的电导率梯度并配置不同浓度的nacl溶液(大于等于4组)，随后采用侵入式和非侵入式时域反射探头分别在恒温下测试nacl溶液的时域反射波形图，最后根
据侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图计算nacl溶液的电导率，并从非侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图获取电磁脉冲的初始电压v
e0
和经历多次反射后的稳定电压v
e∞
；
[0090]
侵入式时域反射探头测试电导率计算如下：
[0091][0092]
其中，ecs为侵入式时域反射探头测试的电导率，c为侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数，v0为侵入式时域反射探头测试电磁脉冲的初始电压，v
∞
为侵入式时域反射探头测试电磁脉冲经历多次反射后的稳定电压。
[0093]
s202、根据电导率混合模型，对非侵入式时域反射探头测试的有效电导率表达式、侵入式时域反射探头测试的电导率和电路板基材介质的电导率进行回归分析，计算得到非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数ce。
[0094]
电导率混合模型和非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数ce计算如下：
[0095]
ec
en
＝mec
sn
+(1-m)ec
mn
ꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0096][0097]
其中，ece为非侵入式时域反射探头测试的有效电导率，ecm为电路板基材介质的电导率，ce为非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数，v
e0
为非侵入时域反射探头测试电磁脉冲的初始电压，v
e∞
为非侵入时域反射探头测试电磁脉冲经历多次反射后的稳定电压。
[0098]
电导率混合模型回归分析计算如下：
[0099]
y＝cecsꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0100]
其中，c为电导率混合模型回归分析计算式的拟合参数。
[0101]
电导率混合模型回归分析计算式中变量和常数具体如下：
[0102][0103]
c＝ceꢀꢀꢀꢀ
(14)。
[0105]
s3、利用非侵入式时域反射探头测试不同已知含水率和密度压实土样(大于等于4组)的时域反射波形图，结合非侵入式时域反射探头的波导长度和几何尺寸参数计算土体介电常数和电导率，随后利用相关模型对土体介电常数和电导率与含水率和密度进行回归分析，得到土体介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数。
[0106]
结合非侵入式时域反射探头的波导长度与几何尺寸参数，采用非侵入式时域反射探头测试不同含水率下压实土样(大于等于4组)的时域反射波形图并利用介电混合模型计算土体的介电常数和电导率，随后利用相关模型对土体的介电常数和电导率与含水率和密度进行回归分析，得到关联参数，具体为：
[0107]
s301、通过保持土体干密度恒定而改变含水率，将烘干过筛土体配置为涵盖测试含水率范围的压实土样(大于等于4组)，随后结合非侵入式时域反射探头的波导长度和几何尺寸参数，在恒温条件下采用非侵入式时域反射探头测试压实土样的时域反射波形图，并利用介电和电导率混合模型分别计算压实土样的介电常数(ks)和电导率(ecs)；
[0108]
压实土样的介电常数和电导率计算如下：
[0109][0110][0111]
s302、利用计算式对经介电和电导率混合模型计算获得的土体介电常数ks和电导率ecs与含水率和密度进行回归分析，得到标定参数a1、b1、c1、d1。
[0112]
压实土样含水率和密度的标定计算如下：
[0113][0114][0115]
其中，θ为体积含水率，a1、b1、c1、d1为标定参数，ρc为土样密度。
[0116]
此外，非侵入式时域反射探头测试的有效介电常数计算为：
[0117][0118]
本发明再一个实施例中，提供一种非侵入式时域反射探头标定系统，该系统能够用于实现上述非侵入式时域反射探头标定方法，具体的，该非侵入式时域反射探头标定系统包括计算模块、回归模块以及标定模块。
[0119]
其中，计算模块，用于利用不同体积比的乙醇和去离子水混合溶液计算非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数和波导长度；
[0120]
回归模块，用于利用计算模块得到的测试目标介质权重系数，采用不同浓度的nacl溶液标定非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数；
[0121]
标定模块，用于制备已知不同含水率和密度的压实土样，基于计算模块得到的非侵入式时域反射探头的波导长度和回归模块标定的几何尺寸参数，标定压实土样介电常数和电导率与含水率和密度的关联参数。
[0122]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0123]
实施例
[0124]
非侵入式时域反射探头：本次标定的非侵入式时域反射探头的波导为三板式并采用金导板，宽度为1.5mm，厚度为0.03mm，三根金属板的平均长度为173mm，两根金导板的中心间距为4mm。此外，该探头的电路板基材介质采用环氧树脂，其电导率为0s/m，介电常数为3.1。
[0125]
s1、按照乙醇和去离子水体积比为0％、20％、40％、60％、80％、100％的梯度配置乙醇和去离子水混合溶液，随后在恒温条件下采用侵入式和非侵入式时域反射探头分别测
试不同体积比乙醇和去离子水混合溶液的时域反射波形图，最后根据侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图，按照式(1)计算混合溶液的介电常数，并从非侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图获取电磁波沿波导的传播时间δte。进一步的，利用介电混合模型式(2)并结合非侵入式时域反射探头测试的有效介电常数表达式、侵入式时域反射探头测试的介电常数和电路板基材介质的介电常数，按照介电混合模型对计算式(4)进行回归分析，最后计算得到非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数m和波导长度le分别为0.47、175mm。
[0126]
具体的，非侵入式时域反射探头的测试目标介质权重系数分析结果如图2所示。
[0127]
s2、根据目标介质的电学特性，配置0.003、0.005、0.007、0.009、0.011、0.013、0.015、0.017、0.019mol/l浓度的nacl溶液，随后采用侵入式和非侵入式时域反射探头分别在恒温下测试nacl溶液的时域反射波形图，最后根据侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图，按照式(9)计算溶液的电导率并从非侵入式时域反射探头所测试的时域反射波形图获取电磁脉冲的初始电压v
e0
和经历多次反射后的稳定电压v
e∞
。进一步的，利用电导率混合模型式(10)并结合非侵入式时域反射探头测试的有效电导率表达式、侵入式时域反射探头测试的电导率和电路板基材介质的电导率，按照电导率混合模型对计算式(12)进行回归分析，最后得到非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数ce为0.0127。具体的，非侵入式时域反射探头的波导几何尺寸参数ce的分析结果如图3所示。
[0128]
实例1砂土：
[0129]
福建标准砂，其最大干密度为1.638g/cm3，最小干密度为1.349g/cm3，比重为2.67，d
10
为0.11mm，d
50
为0.16mm，d
60
为0.175mm。
[0130]
s3、通过保持土体干密度恒定而改变含水率，将烘干过筛土体配置为5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％体积含水率的压实土样，随后结合非侵入式时域反射探头的波导长度le和几何尺寸参数ce，在恒温条件下采用非侵入式时域反射探头测试压实土样的时域反射波形图并按照式(15)、(16)计算土体介电常数和电导率。进一步的，利用计算式(17)、(18)对经式(15)、(16)计算后的土体介电常数和电导率与含水率和密度进行回归分析，随后获得标定参数a1、b1、c1、d1的值分别为：0.0976、
–
0.0879、0.3005、0.2399。具体的，利用非侵入式时域反射探头标定砂土介电常数和电导率与含水率和密度关联参数的分析结果分别如图4(a)、(b)所示。
[0131]
实例2黏土：
[0132]
高岭土，其黏粒、粉粒、砂粒的含量分别为59.96％，40.51％，0％，比重为2.65；此外，该黏土的液限、塑限分别为65.35％，40.04％。
[0133]
s4、通过保持土体干密度恒定而改变含水率，将烘干过筛土体配置为5％、10％、15％、20％、25％、30％、35％体积含水率的压实土样，随后结合非侵入式时域反射探头的波导长度le与几何尺寸参数ce，在恒温条件下采用非侵入式时域反射探头测试压实土样的时域反射波形图并按照式(15)、(16)计算土体的介电常数和电导率。
[0134]
进一步的，利用计算式(17)、(18)对经式(15)、(16)计算后的土体介电常数和电导率与含水率和密度进行回归分析，随后获得标定参数a1、b1、c1、d1的值分别为：0.0939、
–
0.0172、0.4483、2.2868。
[0135]
具体的，利用非侵入式时域反射探头标定黏土介电常数和电导率与含水率和密度
关联参数的分析结果分别如图4(a)和图4(b)所示。
[0136]
综上所述，本发明一种非侵入式时域反射探头标定方法及系统，具有以下特点：
[0137]
(1)具有理论清晰，标定结果精确，适用范围广，技术可靠，操作方便，实用性强等优点；
[0138]
(2)利用不同介质的介电特性差异，采用介电混合模型确定了非侵入式时域反射探头的测试目标介质敏感性，该指标物理意义明确并且决定了探头的测试精度；
[0139]
(3)利用介电/电导率混合模型，实现了非侵入式时域反射探头波导长度和几何尺寸参数的精确标定，提高了非侵入式时域反射探头测试目标介质介电常数和电导率的精确性；
[0140]
(4)建立了非侵入式时域反射探头测试的压实土体介电常数和电导率与土体密度和体积含水率的联系，为该探头在岩土工程领域的室内试验和工程应用提供了理论支撑；
[0141]
(5)拓展了现有时域反射探头的标定方法，具有较强的室内试验和现场工程应用性，可成为岩土工程测量仪器标定技术领域的一种新手段。
[0142]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0143]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0144]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0145]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0146]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。