一種新型含水率傳感器裝置

張 磊，郭海慶，謝興華，郭加艷

（1．河海大學(xué)a．土木與交通學(xué)院；b．巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2．南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029）

一種新型含水率傳感器裝置

張 磊1a，2，郭海慶1a，1b，謝興華2，郭加艷1a

（1．河海大學(xué)a．土木與交通學(xué)院；b．巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2．南京水利科學(xué)研究院水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210029）

土是一種多項(xiàng)體系，含水率對(duì)土的導(dǎo)電性起控制作用，據(jù)此自行設(shè)計(jì)了一種新型的含水率傳感器裝置，用電路板上保護(hù)電阻兩端的電壓作信號(hào)反映含水率的變化。將傳感器在砂子和砂土中進(jìn)行標(biāo)定，得到含水率與電壓的線(xiàn)性變化關(guān)系，并將該裝置運(yùn)用在霧雨入滲滑坡模型試驗(yàn)中測(cè)試含水率的變化情況。由測(cè)量結(jié)果知：該種裝置能夠方便、迅速、較準(zhǔn)確地得到含水率的變化情況，能夠滿(mǎn)足霧雨入滲滑坡模型試驗(yàn)，但滲透關(guān)系、溫度的影響沒(méi)有考慮進(jìn)去，還需要以后進(jìn)一步的改進(jìn)。

含水率；傳感器；電阻率；土壤；裝置

根據(jù)不同的測(cè)量原理、手段，土壤含水率測(cè)量已發(fā)展了各種各樣的方法。烘干法是最為經(jīng)典、準(zhǔn)確的方法，在105～110℃下將土壤烘干至恒重，土中各種水分會(huì)揮發(fā)出去，可以直接測(cè)量水分含量。非飽和狀態(tài)下土壤對(duì)水具有吸力，土壤愈濕，對(duì)水的吸力就愈小，反之則大，張力記法從這種能量的角度分析土壤水分情況。射線(xiàn)法包括中子散射法、射線(xiàn)法、x－射線(xiàn)法等［1］，都是通過(guò)發(fā)射的射線(xiàn)與土壤中的原子、電子相互作用，使射線(xiàn)的能量變小，強(qiáng)度減弱，其衰減量是土壤含水量的函數(shù)［2］。電阻法是根據(jù)土壤的電阻率隨含水率的變化而變化，土壤水分的變化使傳感器石膏體的含水量與土壤水形成一定的函數(shù)關(guān)系，石膏體含水量的變化又會(huì)引起置于其中的兩電極的電阻的變化，電阻法是通過(guò)石膏體為中介建立含水率與電阻的關(guān)系［3］。根據(jù)水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于土和空氣，含水率的變化也就對(duì)土壤的介電常數(shù)起決定性作用，因而可以利用土壤的介電特性測(cè)量土壤含水率，據(jù)此發(fā)明了多種方法：電容法、時(shí)域反射法（TDR）、頻域分解法（FDR）等。

1 方法依據(jù)

土體是由固體、液體、氣體組成的多向體系。氣體的自由電荷極少，可認(rèn)為是良好的絕緣體。純水不能導(dǎo)電，但土中水一般溶解了鹽類(lèi)、氯化物等可溶性礦物，使得水成為一種溶液，因而土中水具有較好的導(dǎo)電能力。已有研究表明，干凈的砂及礫石導(dǎo)電主要是發(fā)生在孔隙水中［4］。黏土導(dǎo)電則發(fā)生在孔隙水及帶電黏土顆粒表面［5］。

衡量土導(dǎo)電能力大小的物理量是電阻率，它是電流垂直通過(guò)邊長(zhǎng)為1 m的立方體土?xí)r所測(cè)得的電阻，其變化幅度為1～105Ω·m。土的電阻率受含水率、孔隙率、飽和度、土顆粒的礦物組成等［6－7］因素的影響，通?？梢栽O(shè)定一個(gè)可變因素與多個(gè)不變因素來(lái)分析各因素對(duì)電阻率的影響，根據(jù)電阻率的變化情況可以分析土的整體結(jié)構(gòu)特征等。土的電阻率測(cè)量具有多方面的用途，傳統(tǒng)的土壤含水率測(cè)量方法中的電阻法就是根據(jù)電阻率隨其含水率的變化而變化為原理進(jìn)行測(cè)量的。Rhoaeds［8］（1976）等提出了土的電阻率與體積含水量的關(guān)系式，即

w

s

式中：ρ為土的電阻率；ρw為孔隙水電阻率；ρs為土顆粒的電阻率；a，b分別為試驗(yàn)常數(shù)。對(duì)于砂土，干燥的砂土電阻率約為105Ω·m，濕潤(rùn)的砂土電阻率約為10Ω·m，說(shuō)明含水率變化對(duì)電阻率的影響遠(yuǎn)大于土顆粒的影響，因?yàn)樯巴林械碾娏髦饕怯煽紫端畟鲗?dǎo)的，土顆粒和空氣可以近似看作絕緣體［9］。孔隙水的多少是由孔隙率、飽和度決定的。式中：vw為土中孔隙水的體積；vv為孔隙體積；ω為含水率；GS為土粒相對(duì)密度；e為孔隙比；ρs為土粒的密度；n為孔隙率；（ρw）4℃為4℃時(shí)純水的密度；ρd土的干密度。

當(dāng)干密度確定后孔隙率不發(fā)生變化，飽和度僅隨含水率發(fā)生變化，可知砂土的電阻率主要是由含水率決定的。

在上述原理的指導(dǎo)下，試驗(yàn)小組自行設(shè)計(jì)了一套簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的含水率傳感器裝置（圖1）。傳感器探頭處兩端電極之間的土體電阻R1，保護(hù)電阻R2，相應(yīng)的電壓分別為U1，U2，電源電壓U，則I＝隨著含水率的增大，R1減小，則I增大，U1減小，U2增大，通過(guò)采集儀采集U2的變化數(shù)據(jù)，結(jié)合傳感器的標(biāo)定曲線(xiàn)，進(jìn)而可以得出含水率的變化情況。

圖1 傳感器裝置試驗(yàn)示意圖Fig．1 Schematic of the sensor device

2 傳感器裝置設(shè)計(jì)

2．1 傳感器探頭設(shè)計(jì)

如圖2所示，探頭部分主要由不銹鋼環(huán)形電極、絕緣層、引線(xiàn)等部件組成，兩電極的間距為3 mm，絕緣層由高分子合成樹(shù)脂組成，能有效阻隔電流傳導(dǎo)。為了分析霧雨入滲滑坡模型試驗(yàn)中含水率的變化情況，試驗(yàn)選用12個(gè)探頭，布置位置見(jiàn)圖3。

圖2 傳感器探頭結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Structure of the sensor probe

圖3 含水率傳感器探頭布置圖Fig．3 Layout of sensor probes in the landslidemodel

2．2 電路板設(shè)計(jì)

如圖4、圖5所示，電路板同時(shí)為4個(gè)傳感器提供電流，由于采集儀采集電壓信號(hào)范圍為－5～5 V，傳感器兩極間的電壓要取較小的值，在電路上需設(shè)置阻值為1 000Ω的保護(hù)電阻，同時(shí)該電阻也是電壓信號(hào)的輸出端。土的電阻率測(cè)試按照電源類(lèi)型分為直流和交流，對(duì)于描述一些非導(dǎo)電的粒子（如砂、碎石）等孔隙結(jié)構(gòu)特性時(shí)一般采用直流電測(cè)［10］，對(duì)于黏土體系則一般采用交流電測(cè)［11～13］，結(jié)合試驗(yàn)用土的性質(zhì)，試驗(yàn)采用5 V穩(wěn)壓直流電源。電路板中電源對(duì)保護(hù)電阻和傳感器提供電流，最大電流值為5 mA。試驗(yàn)過(guò)程中隨著土體含水率的不斷增大，飽和度也不斷增大，土體的電阻率不斷減小，傳感器兩極間的電壓隨之降低，而保護(hù)電阻兩端的電壓則隨之增大。

圖4 電路板設(shè)計(jì)圖Fig．4 Design of the circuit board

圖5 傳感器裝置實(shí)物圖Fig．5 Photo of the sensor device

3 邊坡模型裝置

邊坡模型裝置主要由模型槽、邊坡模型、降水裝置組成。

模型槽尺寸為0．8 m×0．6 m×0．6 m（長(zhǎng)×寬×高）（見(jiàn)圖6），材質(zhì)采用有機(jī)玻璃，以便在周?chē)吔绱蚩?，易于傳感器線(xiàn)路通過(guò)邊界埋設(shè)于邊坡中。

邊坡模型采用砂子制作，初始含水率為2．84%，其顆粒粒徑分布情況如圖7所示。邊坡模型三維坐標(biāo)（x，y，z軸已標(biāo)于圖6中）中的x方向?yàn)轫樒路较颍粃方向?yàn)榇怪钡孛娣较颍ǜ叱谭较颍?；y方向垂直于xoz面。模型的坡比為1∶1．5（坡角33．7°），實(shí)際尺寸為0．5 m×0．6 m×0．334 m（長(zhǎng)×寬×高）。邊坡壓實(shí)度按照干密度為1．55 g／cm3控制，筑坡前砂土過(guò)5 mm篩以剔除石塊、莖桿和根茬，為保證邊坡密度均勻，筑坡過(guò)程中分5層依次填筑，每層厚度6．7 cm。

圖6 模型槽、邊坡模型圖Fig．6 Schematic of test tank and slopemodel

圖7 試驗(yàn)用土顆粒級(jí)配曲線(xiàn)Fig．7 Gradation curves of soils in the test

降水裝置為自行制作具有可調(diào)節(jié)降水強(qiáng)度和噴頭數(shù)量的系統(tǒng)，主要由相距4 cm的5排導(dǎo)管組成，導(dǎo)管上噴頭間距為3 cm，根據(jù)降雨強(qiáng)度要求和噴頭工作參數(shù)來(lái)調(diào)整噴頭數(shù)量，降水強(qiáng)度采用300 mm／h，實(shí)際采用噴頭24個(gè)。

4 傳感器標(biāo)定

試驗(yàn)之前對(duì)各傳感器進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定得到電壓－含水率變化曲線(xiàn)，將采集的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理然后代入到該曲線(xiàn)中就可以得到含水率的變化情況。模型邊坡的干密度按照1．55 g／cm3控制，標(biāo)定所用土樣的干密度也要控制為相同值，這樣能確保傳感器在相同的孔隙率下工作。采用烘干法測(cè)量各土樣的含水率，其值如表1，將各傳感器探頭分別插入到各土樣中，探頭應(yīng)插入到土樣的中部避免與容器底部相觸，插入的時(shí)間要等到采集到的電壓信號(hào)穩(wěn)定之后再轉(zhuǎn)入到下一個(gè)土樣中，由經(jīng)驗(yàn)知該時(shí)間不得少于20 s。選取其中的8＃傳感器標(biāo)定結(jié)果如圖8，2種土的電壓－含水率變化關(guān)系均為線(xiàn)性關(guān)系，但砂子的相關(guān)系數(shù)明顯大于砂土的，說(shuō)明砂子的導(dǎo)電主要是由孔隙水承擔(dān)的，砂土的導(dǎo)電有一部分是土顆粒承擔(dān)的。從變化斜率上看，砂土要小于砂子，即在同一含水率條件下，砂土的電壓變化比砂子大，也就是其電阻變化大。由級(jí)配曲線(xiàn)知砂土的粒徑分布范圍大，不均勻系數(shù)cu＝12．5，曲率系數(shù)cc＝1．125，為級(jí)配良好的土，土粒之間較為密實(shí)，孔隙率小，飽和度大，則孔隙之間水分容易貫通，導(dǎo)電能力增強(qiáng)，使土體電阻減小，電壓變化增大。另外，砂土中含有較多的細(xì)小顆粒，顆粒越小，比表面積越大，具有的比表面能就越大，使土顆?？膳c孔隙水相互作用，在其表面形成雙電層，增大土的導(dǎo)電能力。

表1 各土樣含水率數(shù)值Table 1 Moisture contents of all soil sam ples

圖8 8＃傳感器標(biāo)定結(jié)果Fig．8 Calibration results of sensor 8＃

5 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)開(kāi)始前，整個(gè)邊坡的含水率是一致的，這時(shí)采集儀得到的電壓信號(hào)是穩(wěn)定的。隨著降水的進(jìn)行，水分逐漸從坡面向下入滲，入滲會(huì)逐漸形成濕潤(rùn)區(qū)、過(guò)渡區(qū)、暫態(tài)飽和區(qū)，在這3個(gè)區(qū)的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，含水率是逐漸增大的，根據(jù)埋設(shè)的12個(gè)傳感器所得到的電壓信號(hào)，將信號(hào)數(shù)據(jù)結(jié)合標(biāo)定結(jié)果曲線(xiàn)就可以得到不同時(shí)刻不同位置處邊坡的含水率變化情況，如圖9、圖10所示。當(dāng)水分入滲到傳感器探頭時(shí)，含水率開(kāi)始增大且與時(shí)間基本成對(duì)數(shù)關(guān)系增加，含水率達(dá)到峰值然后緩慢減小，由于離子通常沿與水流相同的路徑運(yùn)移，這可能是因?yàn)闈B透關(guān)系的影響，有關(guān)電阻率與滲透關(guān)系的研究目前仍然沒(méi)有得出確切的結(jié)論，不少學(xué)者得到的結(jié)論不一致甚至相悖［9］。圖10所示采用Kriging插值法做的等值線(xiàn)圖中所反映坡體內(nèi)含水率的分布情況是比較合理的，說(shuō)明自行設(shè)計(jì)的傳感器裝置是可行的。

圖9 9，12，15＃含水率變化圖Fig．9 Variations of water content at sensor 9，12，and 15＃

圖10 降644 s坡體含水率等值線(xiàn)圖Fig．10 W ater content contours at 644 s of the slope

6 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)裝置制作、試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果得到以下該傳感器裝置的特點(diǎn)：①根據(jù)保護(hù)電阻的電壓變化反應(yīng)土壤含水率的變化，方便電壓信號(hào)輸出且能與電路板可靠連接；②電極與土體直接接觸，含水率變化反應(yīng)快，能夠進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，動(dòng)態(tài)反映含水率變化；③傳感器裝置簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，使用方便、對(duì)人體無(wú)傷害等。

根據(jù)土體的電阻率變化測(cè)定其含水率，有一定的可行性，但電阻率的變化受到多種因素影響。由于土體的導(dǎo)電包括土顆粒和孔隙水，不同類(lèi)型的土顆粒導(dǎo)電能力相差甚大，如石英的導(dǎo)電性很小，接近絕緣體，而黏粒則具有較好導(dǎo)電性?？紫堵视绊戯柡投?，飽和度決定著孔隙水是否能貫通，在其它條件一定時(shí)，孔隙率越大，電阻率也越大。Keller［14］（1966）研究了土體電阻率變化與溫度的關(guān)系，得出溫度升高，電阻率變小，原因可能是溫度的升高使水的黏滯性降低同時(shí)使離子的活動(dòng)性增強(qiáng)。綜合以上方面，該裝置在使用時(shí)及以后的改進(jìn)中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（1）土的電阻率受多重因素的影響，對(duì)于不同類(lèi)型、干密度、孔隙率的土使用前須對(duì)各傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

（2）水的黏滯性、離子活動(dòng)性受溫度影響較大，傳感器的標(biāo)定與試驗(yàn)要在溫度相近的條件下使用。

（3）電阻率與滲透關(guān)系目前還不清楚，在有明顯滲流的試驗(yàn)中要考慮這方面的影響。

（4）適合條件比較清晰的室內(nèi)試驗(yàn)。

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［14］KELLER G，F(xiàn)RISCHKNECHT F．Electrical Methods in Geophysical Prospecting［M］．New York：Pergamom Press，1966．

（編輯：趙衛(wèi)兵）

A Novel M oisture Content Sensor

ZHANG Lei1，3，GUO Hai-qing1，2，XIE Xing-hua3，GUO Jia-yan1
（1．College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098 China；2．Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098 China；3．State Key Laboratory of Hydrology，Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

The electrical conductivity of soil is controlled by themoisture content．With the voltage on both ends of the protective resistor in the circuit board as the signal to reflect the changes ofmoisture content，we designed a sensor for themoisture content．The sensorswere calibrated in sand and sandy soil to obtain the linear variation relation betweenmoisture contentand voltage．The device is applied to themodel of landslide induced by fog and rain infiltration to test the changes ofmoisture content．Results show that through this device we can get the moisture content variation conveniently，quickly and more accurately．It can meet the requirements of the landslide model test，but the infiltration relation and the influence of temperature were not taken into consideration．Further research and improvements are needed．

moisture content；sensor；electric resistivity；soil；device

TU415

A

1001－5485（2013）02－0084－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．018

2012－04－02

2012－07－14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（51139001）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助（51109139）；水利部公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目資助（201101005）

張 磊（1986－），男，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事邊坡滲流研究，（電話(huà)）15250995732（電子信箱）zjdmldsh＠163．com。