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1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201410722981.0 (22)申请日 2014.12.02 G01N 27/22(2006.01) (71)申请人 招商局重庆交通科研设计院有限公 司 地址 400060 重庆市南岸区学府大道 33 号 (72)发明人 李聪 周智海 陈芳 杨伟 (74)专利代理机构 北京同恒源知识产权代理有 限公司 11275 代理人 王贵君 (54) 发明名称 一种基于时域反射原理的湿度传感器测试数 据解析方法 (57) 摘要 本发明涉及一种基于时域反射原理的湿度传 感器测试数据解析方法， 该方法基于系统识别法 设计迭代程序计算路基材料的电磁特。
2、性参数 、 L、 、 土体干密度 d和体积含水率 w， 进而 计算出质量含水率 w ； 本发明提供的一种基于时 域反射原理的湿度传感器测试数据解析方法考虑 了路基材料等岩土介质干密度与其含水率的关联 性， 可以有效消除系统误差， 该方法提高了测试数 据的可靠性和精确度， 为公路、 市政、 国土、 水利、 矿山等行业工程结构物湿度自动监测技术发展奠 定了良好的基础。 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书6页 附图3页 (10)申请公布号 CN 104458833 A (43)申请公布日 2015.03.25 CN 104458。
3、833 A 1/2 页 2 1. 一种基于时域反射原理的湿度传感器测试数据解析方法， 其特征在于 ： 该方法包括 以下步骤 ： S1 ： 基于系统识别法计算路基材料电磁特性参数介电常数 、 反射系数 L与电导率 ； S2 ： 采用系统识别法计算体积含水率 w与干密度 d； S3 ： 通过公式计算质量含水率 w， 其中， w为水的密度 ； d为土体干密 度 ； dmax为一定压实功率下土体最大干密度 ； K 为压实度， K d、 dmax。 2. 根据权利要求 1 所述的一种基于时域反射原理的湿度传感器测试数据解析方法， 其 特征在于 ： 所述 S1 包括以下步骤 ： S11 ： 设定待求参量 。
4、、 L和 的初设值， 引入常量 0、 ， 其中， 0为真空的介电 常数绝对值， 单位 F/m， 法拉 / 米， 0 (1/36)10-9F/m ； 为角频率 ； S12 ： 采用 TDR 法在不同时刻测量得到电压值 Vm(ti)， 其中， ti为信号在 TDR 探针中的传 播时间， i 1,2,n ； S13 ： 通过以下校正传输线方程计算得到电压值 Vc(ti) ； 其中， ti为信号在 TDR 探针中的传播时间， 单位 sec， 秒 ； 0为真空的介电常数绝对值， 单位 F/m， 法拉 / 米 ； 0 (1/36)10-9F/m ； 为角频率 ； S14 ： 设计迭代程序， 计算公式的 F。
5、TF-1FTr 的值， 1 3为变化向量 的元 素， 当 中各元素小于等于 1， 终止迭代程序的计算， 求出 、 L和 的值 ； 当 大于 1， 重新设置 、 L和 的值， i+1 (1+0.61)i， i+1 (1+0.62)i， Li+1 (1+0.63)Li， 跳转至步骤 S13， 其中， F 为灵敏度矩阵， r 为残差向量， 3. 根据权利要求 1 所述的一种基于时域反射原理的湿度传感器测试数据解析方法， 其 特征在于 ： 所述 S2 包括以下步骤 ： S21 ： 设定待求参量土体干密度 d和体积含水率 w的初设值， 引入常量 w、 3， 3 1， w为水的密度， 1、 2、 3分别为。
6、土粒、 水和空气的介电常数 ； 权 利 要 求 书 CN 104458833 A 2 2/2 页 3 S22 ： 将土体视为三相体 ： 土粒、 水、 空气， 得出以下关系式， 其中， d为土体干密度 ； Gs为土粒比重 ； w为水的密度 ； w为体积含水率即水的体积 占比 ； 1、 2、 3分别为土粒、 水和空气的介电常数 ； cc为基于体积混合理论计算得到的 复相土体介电常数 ；分别为土粒与空气的体积占比 ； S23 ： 设计迭代程序， 计算公式的 FTF-1FTr 的值， 当 中各元素小于等 于 1， 终止迭代程序的计算， 求出 d和 w的值 ； 当 大于 1， 重新设置 d、 w的 值，。
7、 di+1 (1+0.61)di， wi+1 (1+0.62)wi，跳 转 至 步 骤 S22，其 中， 权 利 要 求 书 CN 104458833 A 3 1/6 页 4 一种基于时域反射原理的湿度传感器测试数据解析方法 技术领域 0001 本发明具体涉及一种基于时域反射原理的湿度传感器测试数据解析方法。 背景技术 0002 路基土体水分测试方法可分为直接法与间接法两大类， 如表 1 所示， 公路行业规 范中规定的含水率测试方法主要为取土烘干称重法、 酒精燃烧法等传统方法， 烘干法等传 统方法虽然具有测试结果可靠等优点， 但缺点同样明显 ： 取样时会破坏土体结构， 无法进行 原位、 实时、。
8、 连续观测等， 因此， 从 20 世纪 90 年代开始， 具有测试速度快、 精度高、 可实现自 动化监测的新的测试方法在道路工程界得到应用， 其中时域反射技术 (TDR， Time Domain Reflectometry)就是具有代表性的湿度测试新技术， 图4为美国联邦公路局(FHWA)推荐采 用的 TDR 测试仪构造图。 0003 0004 TDR 法属于土体水分间接测试法， 利用 TDR 技术测试土体含水率， 需建立电磁特性 参数 ( 如相对介电常数， 通常定义为材料介电常数绝对值与真空介电常数绝对值的比值， 可简称为介电常数 ) 与含水率指标之间的关系， 目前已有的数据解析方法均是通过。
9、测量土 体电磁特性参数， 再通过率定方程推求含水率， 率定或转化过程往往采用经验性的手段， 应 用具有相当大的局限性。 0005 因此， 本发明提供一种基于时域反射原理的湿度传感器测试数据解析方法， 该方 法是考虑到土体电磁特性、 含水状况与密实度几者之间具有关联性， 从系统角度出发， 利用 TDR 直接测得的数据， 提出具有数力理论基础的电磁特性参数、 含水率指标与密实度指标校 正方法。 发明内容 0006 有鉴于此， 本发明的目的在于提供一种基于时域反射原理的湿度传感器测试数据 解析方法， 该方法考虑了路基材料等岩土介质干密度与其含水率的关联性， 提出了能够有 效消除系统误差的电磁特性参数。
10、计算方法， 进而计算出土体的体积含水率和质量含水率， 提高了测试数据的可靠性和精确度。 说 明 书 CN 104458833 A 4 2/6 页 5 0007 为达到上述目的， 本发明提供如下技术方案 ： 0008 一种基于时域反射原理的湿度传感器测试数据解析方法， 该方法包括以下步骤 ： 0009 S1 ： 基于系统识别法计算路基材料电磁特性参数介电常数 、 反射系数 L与电 导率 ； 0010 S2 ： 采用系统识别法计算体积含水率 w与干密度 d； 0011 S3 ： 通过公式计算质量含水率 w， 其中， w为水的密度 ； d为土体 干密度 ； dmax为一定压实功率下土体最大干密度 ；。
11、 K 为压实度， K d/dmax。 0012 进一步， 所述 S1 包括以下步骤 ： 0013 S11 ： 设定待求参量 、 L和 的初设值， 引入常量 0、 ， 其中， 0为真空的 介电常数绝对值， 单位 F/m， 法拉 / 米， 0 (1/36)10-9F/m ； 为角频率 ； 0014 S12 ： 采用 TDR 法在不同时刻测量得到电压值 Vm(ti)， ti(i 1,2,n) ； 0015 S13 ： 通过以下校正传输线方程计算得到电压值 Vc(ti) ； 0016 0017 其中， ti(i 1,2,n) 为信号在 TDR 探针中的传播时间， 单位 sec， 秒 ； 0为真 空的介。
12、电常数绝对值， 单位 F/m， 法拉 / 米 ； 0 (1/36)10-9F/m ； 为角频率 ； 0018 S14 ： 设计迭代程序， 计算公式的 FTF-1FTr 的值， 1 3为变化向量 的 元素， 当 中各元素小于等于 1， 终止迭代程序的计算， 求出 、 L和 的值 ； 当 大 于 1， 重新设置 、 L和 的值， i+1 (1+0.61)i， i+1 (1+0.62)i， Li+1 (1+0.63)Li， 跳转至步骤 S13， 0019 其中， F 为灵敏度矩阵， 0020 r 为残差向量， 0021 进一步， 所述 S2 包括以下步骤 ： 0022 S21 ： 设定待求参量土体干。
13、密度d和体积含水率w的初设值， 引入常量w、 3， 3 1， w为水的密度， 1、 2、 3分别为土粒、 水和空气的介电常数 ； 0023 S22 ： 将土体视为三相体 ： 土粒、 水、 空气， 得出以下关系式， 0024 说 明 书 CN 104458833 A 5 3/6 页 6 0025 其中， d为土体干密度 ； Gs为土粒比重 ； w为水的密度 ； w为体积含水率即水的 体积占比 ； 1、 2、 3分别为土粒、 水和空气的介电常数 ； cc为基于体积混合理论计算得 到的复相土体介电常数 ；分别为土粒与空气的体积占比 ； 0026 S23 ： 设计迭代程序， 计算公式的 FTF-1FT。
14、r 的值， 当 中各元素小于 等于 1， 终止迭代程序的计算， 求出 d和 w的值 ； 当 大于 1， 重新设置 d、 w的 值， di+1 (1+0.61)di， wi+1 (1+0.62)wi，跳 转 至 步 骤 S22，其 中， 0027 本发明的有益效果在于 ： 本发明提出了一种基于时域反射原理的湿度传感器测试 数据解析方法， 该方法是考虑路基材料综合电磁特性与各相体积占比的湿度传感器 (TDR) 测试数据解析优化方法， 克服了现有方法的以下缺陷 ： 忽略了路基材料等岩土介质干密 度与其含水率的关联性 ； 电磁特性参数与含水率之间的率定方程往往是经验性的回归关 系式， 致使率定得到的含。
15、水率值与真实值之间误差较大， 此外， 经验性公式的适用范围也受 到较大的限制。本发明所提供的方法是一种具有普适性、 精度较高的 TDR 测试数据反演方 法， 为公路、 市政、 国土、 水利、 矿山等行业工程结构物湿度自动监测技术发展奠定了良好的 基础。 附图说明 0028 为了使本发明的目的、 技术方案和优点更加清楚， 下面将结合附图对本发明作进 一步的详细描述， 其中 ： 0029 图 1 为本发明所述方法的流程图 ； 0030 图 2 为电磁特性参数计算流程 ； 0031 图 3 为体积含水率与干密度计算流程 ； 0032 图 4 为 FHWA 推荐采用的 TDR 测试仪， 0033 其中。
16、 (a) 为俯视图， (b) 为侧面图， (c) 为端视图。 具体实施方式 0034 下面将结合附图， 对本发明的优选实施例进行详细的描述。 0035 图 1 为本发明所述方法的流程图 ； 一种基于时域反射原理的湿度传感器测试数据 解析方法， 该方法包括以下步骤 ： 0036 S1 ： 计算路基材料电磁特性参数介电常数 、 反射系数 L与电导率 ； 0037 S2 ： 计算体积含水率 w与干密度 d； 0038 S3 ： 计算质量含水率 w。 0039 电磁波不仅能在自由空间或者开放的介质中传播， 而且能在具有导电边界的有限 空间中传播， 此时， 电磁波被边界所限制， 形成有导向的传播。 TD。
17、R所采用的同轴传输线便是 这样一种波的载体。 0040 利用电工学中的传输线方程 ( 如式 (1) 所示 )， 引入反映岩土介质 ( 即路基材料 ) 说 明 书 CN 104458833 A 6 4/6 页 7 电磁特性的主要参数介电常数 、 反射系数 L与电导率 。 0041 0042 式中， V(z) 为信号通过传输线时产生的电压 ； z 为信号在传输线中通过的距离 ； V+ 为信号沿正向传播的振幅 ； V-为信号沿负向传播的振幅 ； k 为传播系数， k kR-jkI， kR为传 播系数的实数部分， kI为传播系数的虚数部分。 对应的， 某一时刻信号在传输线中产生的电 压 V(t) 可通。
18、过式 (2) 计算 ： 0043 0044 式中， t 为信号在 TDR 探针中的传播时间 (sec， 秒 ) ； 0为真空的介电常数绝对值 (F/m， 法拉 / 米 )， 0 (1/36)10-9F/m ； 为角频率。 0045 采用系统识别法确定路基材料的电磁特性参数， 在同一输入信号的基础上， 设计 迭代程序， 通过调整未知变量 ( 如 、 L、 、 土体干密度 d和体积含水率 w)， 将系统输 出与模型输出结果的误差降低到可接受范围内。 0046 通过 TDR 测量得到的电压值 Vm(t)( 即相对电压 VR)， 校正传输线方程计算得到的 电压值 Vc(t)， 采用下列公式 ： 004。
19、7 0048 式中， m 为未知变量或待求参数 Xin的个数 ； Vc(t) 为在第 n 次迭代时的计算电压值 ( 由式 (2) 求得 ) ； n 为迭代次数 ； Xin为未知变量或待求参数， 此处为 、 L和 ； Xin Xin+1-Xin； Vc(t)n Vc(t)n-Vm(t)。上式可以转换为矩阵方程 ： 0049 F r 0050 FTF-1FTr (4) 0051 式中， F 为灵敏度矩阵，为其元素 ； 为变化向量，为其元素 ； r 为残差向量，为其元素。专利以 中各元素小于 1作为迭代程序终止条件。 0052 电磁特性参数计算流程， 如图 2 所示， 该计算方法能够有效消除系统误差。
20、， 包括以 步骤 ： 0053 S11 ： 设定待求参量 、 L和 的初设值， 引入常量 0、 ， 其中， 0为真空的 介电常数绝对值， 单位 F/m， 法拉 / 米， 0 (1/36)10-9F/m ； 为角频率 ； 为减少迭代 计算次数， 专利查阅文献大致确定了待求参量的范围 ： 一般在 3 至 80 之间变动， 此处取 说 明 书 CN 104458833 A 7 5/6 页 8 10 为初设值 ； L一般在 -1 至 1 之间变动， 此处取 0.1 为初设值 ； 变动范围并不固定， 此 处取 0.5 为初设值。 0054 S12 ： 采用 TDR 法在不同时刻测量得到电压值 Vm(ti。
21、)， ti(i 1,2,n) ； 0055 S13 ： 通过以下校正传输线方程计算得到电压值 Vc(ti) ； 0056 0057 其中， ti(i 1,2,n) 为信号在 TDR 探针中的传播时间， 单位 sec， 秒 ； 0为真 空的介电常数绝对值， 单位 F/m， 法拉 / 米 ； 0 (1/36)10-9F/m ； 为角频率 ； 0058 S14 ： 设计迭代程序， 计算公式的 FTF-1FTr 的值， 1 3为变化向量 的 元素， 当 中各元素小于等于 1， 终止迭代程序的计算， 求出 、 L和 的值 ； 当 大 于 1， 重新设置 、 L和 的值， i+1 (1+0.61)i， i。
22、+1 (1+0.62)i， Li+1 (1+0.63)Li， 跳转至步骤 S13， 0059 其中， F 为灵敏度矩阵， 0060 r 为残差向量， 0061 TDR 测试数据解析优化方法在确定路基材料湿度时， 将土体视为三相体 ： 土粒、 水、 空气， 此种做法能够辨析每种组分介电特性对土体含水状况的影响， 体积混合理论中三 相材料介电性质与单项组分体积之间的关系采用式 (5) 定量描述 ： 0062 0063 式中， d为土体干密度 ； Gs为土粒比重 ； w为水的密度 ； w为体积含水率即水 的体积占比 ； 1、 2、 3分别为土粒、 水和空气的介电常数， 可通过标准试验方法或查阅相 关。
23、文献确定 ； cc为基于体积混合理论计算得到的复相土体介电常数 ； d/(Gsw)、 1-d/ (Gsw)-w分别为土粒与空气的体积占比。 0064 采用系统识别法确定路基材料的物性参数 ( 体积含水率与干密度 )， 体积含水率 与干密度计算流程如图 3 所示， 包括以下步骤 ： 0065 S21 ： 设定待求参量土体干密度d和体积含水率w的初设值， 引入常量w、 3， 3 1， w为水的密度， 1、 2、 3分别为土粒、 水和空气的介电常数 ； 0066 S22 ： 将土体视为三相体 ： 土粒、 水、 空气， 得出以下关系式， 说 明 书 CN 104458833 A 8 6/6 页 9 0。
24、067 0068 其中， d为土体干密度 ； Gs为土粒比重 ； w为水的密度 ； w为体积含水率即水的 体积占比 ； 1、 2、 3分别为土粒、 水和空气的介电常数 ； cc为基于体积混合理论计算得 到的复相土体介电常数 ；分别为土粒与空气的体积占比 ； 可通过试验 测试得到的参数 1、 2、 Gs和 c。 0069 S23 ： 设计迭代程序， 计算公式的 FTF-1FTr 的值， 当 中各元素小于 等于 1， 终止迭代程序的计算， 求出 d和 w的值 ； 当 大于 1， 重新设置 d、 w的 值， di+1 (1+0.61)di， wi+1 (1+0.62)wi，跳 转 至 步 骤 S22。
25、，其 中， 0070 在求得体积含水率 w的基础上， 可通过式 (6)， 推求实际工程中广泛应用的湿度 指标质量含水率 w ： 0071 0072 式中， w为水的密度 ； d为土体干密度 ； dmax为一定压实功率下土体最大干密 度 ； K 为压实度， K d/dmax。 0073 最后说明的是， 以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制， 尽管通 过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述， 但本领域技术人员应当理解， 可以在 形式上和细节上对其作出各种各样的改变， 而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。 说 明 书 CN 104458833 A 9 1/3 页 10 图 1 说 明 书 附 图 CN 104458833 A 10 2/3 页 11 图 2 说 明 书 附 图 CN 104458833 A 11 3/3 页 12 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 104458833 A 12 。