本發(fā)明涉及凍土內(nèi)部冰晶測(cè)試方法，尤其是涉及一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、在氣象學(xué)領(lǐng)域，冬季凍土的監(jiān)測(cè)對(duì)于理解氣候變化、預(yù)測(cè)極端天氣事件以及評(píng)估基礎(chǔ)設(shè)施穩(wěn)定性具有重要意義。然而，目前氣象部門在凍土檢測(cè)方面主要依賴于傳統(tǒng)的達(dá)尼林凍土器或人工挖坑的方法，這些方法不僅效率低下，而且無法實(shí)現(xiàn)凍土自動(dòng)觀測(cè)，限制了地面氣象觀測(cè)與災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)的全面性。此外，實(shí)驗(yàn)室中的凍土測(cè)試裝置也存在不足，現(xiàn)有的測(cè)試方法往往側(cè)重于工程實(shí)踐，缺乏足夠的科學(xué)數(shù)據(jù)支持，這限制了對(duì)凍土特性深入理解的能力。

2、凍土是由冰、水和土壤顆粒組成的復(fù)雜介質(zhì)，其內(nèi)部冰晶的遷移對(duì)土壤結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。然而，現(xiàn)有的凍土檢測(cè)技術(shù)無法有效捕捉冰晶遷移的動(dòng)態(tài)過程，導(dǎo)致對(duì)凍土行為的理解存在局限。

3、因此，亟需開發(fā)一種能夠?qū)崿F(xiàn)凍土內(nèi)部冰晶遷移的可視化檢測(cè)，同時(shí)具備快速響應(yīng)和經(jīng)濟(jì)安全特點(diǎn)的測(cè)試裝置和方法，對(duì)于提升凍土研究和監(jiān)測(cè)水平具有重要的科學(xué)和實(shí)際意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置及方法，具有非放射性、非侵入性、快速且成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)凍土內(nèi)部冰晶遷移的可視化檢測(cè)，具備快速響應(yīng)和經(jīng)濟(jì)安全的特點(diǎn)。

2、本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明第一方面提供一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置，包括掃描環(huán)形電容傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、冰晶識(shí)別模塊，其中具體地：

4、掃描環(huán)形電容傳感器，能夠在套設(shè)于待測(cè)試件上，并能夠相對(duì)于待測(cè)試件進(jìn)行豎向移動(dòng)，所述掃描環(huán)形電容傳感器上設(shè)有多個(gè)檢測(cè)電極，所述待測(cè)試件為凍土樣品；

5、數(shù)據(jù)采集模塊，通過開關(guān)選通陣列與所述檢測(cè)電極連接，數(shù)據(jù)采集模塊用于獲取掃描環(huán)形電容傳感器在移動(dòng)過程中的電容數(shù)據(jù)，所述電容數(shù)據(jù)包括多個(gè)截面處的電容值；

6、數(shù)據(jù)處理與識(shí)別模塊，用于根據(jù)所述電容數(shù)據(jù)生成待測(cè)試件不同截面的電容總值波動(dòng)圖，沿豎向方向展示，并根據(jù)電容總波動(dòng)圖確定冰晶面位置，即電容總值峰值處。

7、進(jìn)一步地，所述掃描式環(huán)形電容傳感器包括空心圓柱形基座、固定下底盤、邊緣屏蔽、外部屏蔽。

8、進(jìn)一步地，所述空心圓柱形基座安裝于所述固定下底盤上；

9、多個(gè)檢測(cè)電極設(shè)于基座的外表面。

10、進(jìn)一步地，所述邊緣屏蔽呈環(huán)狀，覆蓋在各檢測(cè)電極的兩端，以減小傳感器邊緣的電場(chǎng)畸變，保證電場(chǎng)分布均勻；

11、所述外部屏蔽呈環(huán)狀，所述外部屏蔽包覆在各檢測(cè)電極外部，所述外部屏蔽在長(zhǎng)度方向上延伸實(shí)現(xiàn)覆蓋基座，以此減少外部電磁干擾。

12、進(jìn)一步地，所述固定下底盤上設(shè)有徑向螺紋孔，所述徑向螺紋孔用于將掃描環(huán)形電容傳感器固定于待測(cè)試件上。

13、進(jìn)一步地，所述空心圓柱形基座和固定下底盤均采用絕緣材料。

14、進(jìn)一步地，所述邊緣屏蔽、外部屏蔽與檢測(cè)電極之間均設(shè)有絕緣材料；

15、所述檢測(cè)電極、邊緣屏蔽、外部屏蔽均采用導(dǎo)電金屬材質(zhì)。

16、進(jìn)一步地，所述檢測(cè)電極均勻固定于空心圓柱形基座的外表面中部。

17、本發(fā)明第二方面提供一種采用如上所述測(cè)試裝置的凍土冰晶遷移測(cè)試方法，包括以下步驟：

18、獲取來自檢測(cè)電極的待測(cè)試件各截面處的電容值；

19、基于獲取的電容值計(jì)算每截面的電容總和值，并生成該總值沿豎向方向的波動(dòng)圖；

20、根據(jù)波動(dòng)圖確定電容總值的最大值位置，即凍土內(nèi)部冰晶面的位置。

21、本發(fā)明第二方面提供一種包含計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)介質(zhì)，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)介質(zhì)在由計(jì)算機(jī)處理器執(zhí)行時(shí)，用于執(zhí)行如上述的土冰晶遷移測(cè)試方法。

22、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

23、(1)本發(fā)明通過將掃描式環(huán)形電容傳感器嵌入凍土試件中，并進(jìn)行豎向移動(dòng)，創(chuàng)新了傳統(tǒng)的固定電極測(cè)量模式。這種方法只需少量檢測(cè)電極即可測(cè)量多個(gè)截面，從而節(jié)省了成本并提升了效率。

24、(2)本發(fā)明通過測(cè)量各截面的電容值，并計(jì)算各截面的電容總和值，生成電容總和值沿豎向方向的變化圖。此方法使檢測(cè)結(jié)果更加直觀，能夠快速確定內(nèi)部冰晶層的大致位置。

25、(3)本發(fā)明采用掃描式環(huán)形電容傳感器進(jìn)行電容采集，具有成本低、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的特點(diǎn)，同時(shí)降低了檢測(cè)費(fèi)用，確保經(jīng)濟(jì)性和安全性。

技術(shù)特征：

1.一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置，其特征在于，所述掃描式環(huán)形電容傳感器(100)包括空心圓柱形基座(101)、固定下底盤(103)、邊緣屏蔽(104)、外部屏蔽(105)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置，其特征在于，所述空心圓柱形基座(101)安裝于所述固定下底盤(103)上；

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置，其特征在于，所述邊緣屏蔽(104)呈環(huán)狀，覆蓋在各檢測(cè)電極(102)的兩端，以減小傳感器邊緣的電場(chǎng)畸變，保證電場(chǎng)分布均勻；

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置，其特征在于，所述固定下底盤(103)上設(shè)有徑向螺紋孔(106)，所述徑向螺紋孔(106)用于將掃描環(huán)形電容傳感器(100)固定于待測(cè)試件(600)上。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置，其特征在于，所述空心圓柱形基座(101)和固定下底盤(103)均采用絕緣材料。

7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置，其特征在于，所述邊緣屏蔽(104)、外部屏蔽(105)與檢測(cè)電極(102)之間均設(shè)有絕緣材料；

8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置，其特征在于，所述檢測(cè)電極(102)均勻固定于空心圓柱形基座(101)的外表面中部。

9.一種采用如權(quán)利要求1至8中任意一項(xiàng)所述測(cè)試裝置的凍土冰晶遷移測(cè)試方法，包括以下步驟：

10.一種包含計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)可執(zhí)行指令的存儲(chǔ)介質(zhì)在由計(jì)算機(jī)處理器執(zhí)行時(shí)，用于執(zhí)行如權(quán)利要求9中所述的土冰晶遷移測(cè)試方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種基于電容測(cè)量的凍土冰晶遷移測(cè)試裝置及方法。其中其裝置包括：掃描環(huán)形電容傳感器，能夠豎向移動(dòng)地嵌套在待測(cè)試件上，配備多個(gè)檢測(cè)電極；數(shù)據(jù)采集模塊，連接于檢測(cè)電極，通過開關(guān)陣列獲取電容數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理模塊，依據(jù)電容數(shù)據(jù)生成待測(cè)試件各截面電容總值的波動(dòng)圖，沿豎向方向展示；冰晶識(shí)別模塊，根據(jù)波動(dòng)圖確定冰晶面位置。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有非放射性、非侵入性、快速且成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)凍土內(nèi)部冰晶遷移的可視化檢測(cè)，具備快速響應(yīng)和經(jīng)濟(jì)安全的特點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：陳雪琴,胡興,董僑,史斌,顧興宇,苑新
受保護(hù)的技術(shù)使用者：東南大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/10