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全光纤微型土壤水分含量传感器.docx
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全光纤微型土壤水分含量传感器.docx
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0. 引 言
土体水分场反规律性变化是山体滑坡
[1]
、泥石流
[2]
、洪水
[3]
等重大自然灾害发生的激发
条件之一,准确获取土体水分场的变化信息能够对可能发生的自然灾害提前预警,避免造
成重大人员伤亡和经济损失。此外,土体水分场也是岩土工程地质评价
[4]
、农业精准灌溉
[5]
、区域水文条件研究
[6]
的重要影响因子。
目前测量土壤水分含量有很多种方法。烘干法是国际公认的土壤水分含量检测方法,
但需要从室外取土,这一过程中会破坏土体本身构造,耗用时间长,一般适用于实验室测
量或对其他测量方法进行标定
[7]
;时域反射法易受干扰且结构复杂,价格昂贵
[8]
;张力计法
稳定性能低,且易被土壤理化特性影响,难以实现连续原位监测
[9]
;电阻法容易受到土壤
盐分、质地、孔隙分布等因素的影响,标定复杂
[3]
;中子法标定过程存在误差,且有放射
性危害
[10]
;探地雷达法适合于大面积场所的水分含量探测,但解译难度大,受电导率影响
显著
[6]
;遥感法多用于大范围土壤水分宏观估测,而不适合小区域精准测量
[11]
。
光纤传感技术具有体积小、质量轻、耐腐蚀、本质安全、传输距离远、易于大规模组
网等突出优点,近年来在电力、化工、矿山、军事等领域得到广泛应用
[12-17]
。在土壤水分
含量测量方面,2015 年曹鼎峰等人提出了一种基于碳纤维加热光缆的分布式测定方法,加
热过程需要外加电源,功率消耗大
[6]
;2017 年 J.S.Hallett 等人利用长周期光纤光栅设计了
一种土壤含水量传感器,但不适用于测量低含水率
[18]
。针对上述测量方法的不足,结合光
纤传感的优异性能,文中基于掺杂光纤的光热转换效应和光纤光栅测温原理研发了一种全
光纤微型土壤水分含量传感器,可实现土壤水分含量的远距离在线监测,特别适合野外等
取电困难的应用场合。
1. 测量原理与系统结构
1.1 土壤水分含量测量原理
全光纤微型土壤水分含量传感器的测量原理是:土壤水分含量不同会导致其热传导性
能发生变化,含水率越高,其热传导能力越强。将具有自加热和测温功能的微型光纤传感
探头置于待测土壤中,探头内的掺杂光纤将泵浦激光能量转换成热能,实现光热转化。并
通过刻写在掺杂光纤上的光纤 Bragg 光栅测量探头的温度变化,利用升温过程中温度特征
值与土壤含水率之间的关系可测定土壤水分含量。
假设待测土样为均质且各项同性,可以将土壤内部热传递视为一维问题
[6]
。在单位时
间内,单位长度光纤在泵浦光作用下产生的热量为:
Q1=k∣∣∣dp(l)dl∣∣∣=kαp0e−αlQ1=k|dp(l)dl|=kαp0e−αl
(1)
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