一种FDR传感器的参数率定装置的制作方法

一种fdr传感器的参数率定装置
技术领域
1.本实用新型涉及土体含水率快速检测技术领域，具体为一种fdr传感器参数率定装置。


背景技术：

2.土的含水率是反应土体水分状况的重要物理参数，如何准确高效的测量土体含水率是工程中重点关注的问题。目前常用的含水率测量方法主要有烘干法、中子仪法、张力法、介电法等，相比于其它方法，介电法具有高效、便捷、无污染的特点，介电法中的频域反射法(fdr)更是具有稳定性好、准确度高、成本低的优点，在国内外得到了广泛的应用。
3.频域反射法的工作原理是利用lc电路的振荡，根据电磁波在土体中振荡频率的变化来测量土体的表观介电常数，再通过一定的对应关系反算出土体的体积含水率。工程上更关注的是土体重力含水率，而现有fdr传感器的率定方法只能使其用于体积含水率检测。很有必要研发新的率定方法，使fdr传感器可以直接测量土体质量含水率。
4.频域反射法的测量结果易受土体成分、盐分、ph值、温度等复杂因素的影响，在应用之前需针对不同土体进行fdr传感器的参数率定。常规的率定试验需制备大量不同状态的率定试样，在不同的温度环境下依次插入fdr传感器进行介电常数测量，随后率定出传感器参数。常规的率定试验费时费力，并且在含水量较低或者较高的条件下，很难制备出即满足一定密实度和均匀性要求的率定试样，不能准确的率定出传感器参数，严重影响了频域反射法的推广及应用。


技术实现要素：

5.本实用新型公开了一种便捷的fdr传感器参数率定装置。本实用新型fdr技术可直接用于土体质量含水率的检测；可在制备少量率定试样的条件下进行率定试验，降低工作量的同时保证了率定试样的均匀性，可以更加准确的率定出传感器参数。
6.本实用新型通过以下技术方案实现：
7.fdr传感器的参数率定装置，其特征在于：由含水率控制系统、温控系统和数据监控系统组成；
8.含水率控制系统由电子秤、超声波增湿器、温湿度计、湿度循环泵、湿度循环管道、恒温恒湿养护箱和试样桶构成；恒温恒湿养护箱为密闭容器；容器底部有超声波增湿器、湿度循环泵通过湿度循环管道与容器循环联通；容器底部设置电子秤，用于承装试样的试样桶放置在电子秤上；
9.温控系统由恒温水浴箱、温度循环泵、温度循环管道和螺旋铜管构成；螺旋铜管循环环绕设置于恒温恒湿养护箱的容器内壁，螺旋铜管两端通过温度循环管道与恒温水浴箱、温度循环泵循环联通；
10.数据采集系统由数据采集盒、fdr传感器和位移传感器构成；fdr传感器设置于试样桶壁，位移传感器设置于恒温恒湿养护箱容器顶部，fdr传感器和位移传感器与数据采集
盒信号联接。
11.进一步所述fdr传感器为探针式fdr位移传感器，探针位于试样桶内，fdr传感器为无线采集传感器。
12.进一步所述试样筒壁均匀设置有开孔，开孔直径为5mm，试样筒的内径为300mm、外径为310mm、高度为200mm。
13.进一步所述位移传感器为激光位移传感器。
14.进一步所述恒温水浴箱内的导热介质为硅油。
15.本实用新型装置通过以下方法进行参数率定：
16.含水率与介电常数的对应关系；
17.1)取试验土料，配制不同含水率的土样，并在试样桶中制备成不同含水率及干密度的率定试样，记录土体的体积含水率、质量含水率及干密度等数据，随后在恒定温度下用fdr传感器测量率定试样的介电常数；
18.2)将率定试验的体积含水率及介电常数数据代入其对应关系的率定公式，拟合出传感器参数；将率定试验的质量含水率及干密度数据代入其对应关系的率定公式，拟合出传感器参数；
19.3)推导体积含水率、质量含水率及干密度的关系，将步骤2)的两个率定公式相结合，得到质量含水率与介电常数的对应关系；所有参数率定完成后，将fdr传感器用于土体质量含水率的直接测量。
20.含水率测量；将fdr传感器用于土体质量含水率的直接测量，获得的介电常数测值根据含水率与介电常数的对应关系获得对应含水率。
21.本实用新型提供了一种方便且高效的fdr传感器参数率定装置。与现有技术相比，具备以下有益效果：
22.1)现有fdr传感器的率定方法只能使其用于体积含水率检测，本实用新型率定装置在考虑介电常数与体积含水率关系的同时引入干密度的影响，通过计算可直接得到土体质量含水率。
23.2)本实用新型率定装置及其率定方法在仅制备少量率定试样的条件下即可完成率定试验，大幅减少了fdr传感器率定试验的工作量；所有的率定试验均在一个试样上完成，有效的避免了制样离散型对率定结果的影响。
24.3)本实用新型率定装置及其试验方法利用激光位移传感器可在不与试样接触的条件下测量试样的高度变化，无线fdr传感器可利用无线通信技术将集到的信号直接传输给数据采集系统，有效避免了接触问题对电子秤测量结果的影响，保证了测量的准确性。
附图说明
25.图1是fdr传感器参数率定装置的结构示意图。
26.图2是养护箱结构示意图。
27.图3是试样桶结构示意图。
28.图中，1、电子秤；2、超声波增湿器；3、温湿度计；4、湿度循环泵；5、湿度循环管道；6、恒温恒湿养护箱；7、试样桶；8、恒温水浴箱子；9、温度循环泵；10、温度循环管道；11、螺旋铜管；12、无线采集盒；13、fdr传感器；14、位移传感器；15、试样；16、开孔。
具体实施方式
29.下面结合具体实施方式对本实用新型进一步说明，具体实施方式是对本实用新型原理的进一步说明，不以任何方式限制本实用新型，与本实用新型相同或类似技术均没有超出本实用新型保护的范围。
30.如图1、图2、图3所示，本实用新型fdr传感器的参数快速率定装置，包括：含水率控制系统、温控系统、数据监控系统：
31.含水率控制系统包括电子秤1、超声波增湿器2、温湿度计3、湿度循环泵4、湿度循环管道5、恒温恒湿养护箱6、试样桶7。
32.将试样桶7放置在电子秤1上，利用超声波增湿器2产生恒定湿度的湿空气，通过湿度循环泵4驱动使恒湿空气经过湿度循环管道5进入恒温恒湿养护箱6，对试样进行增湿/脱湿处理。
33.温控系统包括恒温水浴箱8、温度循环泵9、温度循环管道10、螺旋铜管11。
34.利用恒温水浴箱8对导热介质进行温度控制，通过温度循环泵9驱动使导热介质在螺旋铜管11内循环，对试样所处环境进行温度控制，恒温恒湿养护箱6采用绝热材料制成，可减少箱内与外界的热交换。
35.数据采集系统包括数据采集盒12、fdr传感器13、位移传感器14，fdr传感器13及位移传感器14采集到的数据直接传输至数据采集盒12。fdr传感器13用于采集试样的介电常数，根据采集结果可率定介电常数与体积含水率对应关系拟合方程的参数；位移传感器用于采集试样的湿胀/干缩变形，根据采集结果可计算试样的实时体积，更准确的计算试样的体积含水率。
36.fdr传感器13为探针式fdr位移传感器，且为无线采集传感器。
37.试样筒7的内径为300mm，外径为310mm,高度为200mm。试样筒7的开孔直径为5mm。
38.位移传感器14为激光位移传感器。
39.恒温恒湿养护箱6的材质为eps泡沫板。
40.试样筒7的材质为有机玻璃。
41.恒温水浴箱8内的导热介质为硅油。
42.本实用新型fdr传感器的参数快速率定装置的率定使用具体包括以下步骤：
43.1)对试验土料进行翻晒、风干、碾细处理，随后开展击实试验，得到最大干密度及最优含水率；在最优含水率附近配土，并在试样桶内制备3-4个不同密度的标准率定试样，记录标准率定试样的初始体积、初始体积含水率及初始质量含水率。
44.2)依次将fdr传感器插入不同密度的标准率定试样，并将其放置在恒温恒湿养护箱内的电子秤上，开启湿度控制系统及温度控制系统，使率定试样在恒定温度下分级增湿或者脱湿。增湿或脱湿的过程中利用电子秤记录试样的质量变化，利用位移传感器记录试样的高度变化，实时记录fdr传感器检测到的介电常数。
45.3)试样增湿或者脱湿稳定后，根据电子秤记录到的数据计算试样的质量含水率；根据位移传感器记录到的数据计算试样的体积变化，进一步计算得到试样的体积含水率以及干密度；统计介电常数、干密度、体积含水率、质量含水率的对应关系。
46.4)根据试验结果率定介电常数与体积含水率对应关系拟合方程的参数，拟合方程的形式为：
[0047][0048]
式中：θ为体积含水率；ka为介电常数；a、b、c、d均为率定参数。
[0049]
5)根据试验结果率定介电常数与质量含水率及干密度对应关系拟合方程的参数，拟合方程的形式为：
[0050][0051]
式中：ω为质量含水率；ρw为水的密度；ρd为土的干密度；e、f为率定参数。
[0052]
6)推导质量含水率与介电常数的关系，质量含水率与体积含水的关系为：
[0053]
θ＝ωρdꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
联立公式(1)、(2)、(3)可得质量含水率与介电常数的关系：
[0055][0056]
经过上述步骤率定出所有参数，根据公式(4)即可开展土体体积含水率的直接量测。
[0057]
以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。