[发明专利]一种贯入式超声波土体含水率测试装置及方法

权利要求书

1.一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，该装置包括套装在一起的内套管和外套管，所述内套管和外套管的一端平齐，在该端连接锥形钢制体；内套管和外套管的另一端外套管相对于内套管向外延伸，且外套管向外延伸部分其内安装液压升降装置；在所述的内套管和外套管的重合部分的管壁上沿圆周方向各设有多个槽形缺口，且在所述的内套管内设有与其轴线平行的轨道，所述的液压升降装置驱动一个探测装置沿着所述的轨道移动；所述的探测装置包括一个安装座，所述的安装座的外圆周方向上设置有与内外套管壁上的槽型缺口数量相等的超声波探头；安装座径向面的中心位置设有一个激光测距探头；所述的激光探测头和超声探测头与数据处理中心相连；当到达测量位置时，旋转内外套管壁，使得每个超声波探头分别与相应的槽形缺口对应，通过回波的相对值，从而获得不同含水率土壤回波相对值与含水率的关系。

2.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，所述的槽形缺口为一个类似于矩形的缺口，该缺口不贯穿外套管壁和内套管壁。

3.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，所述的槽形缺口沿着内套管或者外套管的圆周方向均匀设置；超声波探头也沿着安装座的圆周方向均匀设置。

4.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，在所述的锥形钢制体内设有一个弹簧，所述弹簧的一端连接在锥形钢制体的头部，另一端连接一个减震板，所述的减震板安装在外套管和内套管的端部。

5.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，所述的导轨包括三个，三个导轨由液压升降装置的三角形壳体的三个角向外沿伸而成，且位于内套管内导轨部分由橡胶圈支撑。

6.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，所述的安装座上设有三个升降凸形条，所述的三个升降凸形条沿着所述的三个导轨滑动，且在所述的升降凸形条上设有滚珠，用于减少摩擦力。

7.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，超声波探头与激光测距探头均为可伸缩探头。

8.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，所述内、外套管壁上各有3个呈120°夹角的槽形缺口。

9.如权利要求1所述的一种贯入式超声波土体含水率测试装置，其特征在于，与所述的超声波探头相连的数据处理装置包括单片机、脉冲信号发生器、功率放大器、微弱信号放大器、滤波器、电源、零比较器、超声波探头、存储器模块、稳压器、显示屏和AD转换器；单片机连接脉冲信号发生器控制超声波发射，脉冲信号发生器连接功率放大器，功率放大器连接超声波探头，所述超声波探头连接微弱信号放大器，微弱信号放大器连接滤波器；所述滤波器的输出端连接比较器和AD转换器；所述零比较器和AD转换器分别与单片机的定时器中断输入端和串行数据输入端连接；所述单片机分别与存储器模块和显示屏相连。

10.一种利用权利要求1-9任一所述的贯入式超声波土体含水率测试装置进行具体操作的方法，其特征在于，

(1)在测量前获得地质资料，并了解该施工区域内的土体；实验室测得该土体的颗粒级配曲线，并在该土体区域内的土颗粒粒径不小于超声波波长的情况下进行实验；

(2)实验室获得不同含水率试样下超声波回波速度、时间差和含水率之间的关系，建立函数模型，从而在实际工程中及时通过回波速度、时间差准确地获取当前施工阶段下土体中含水率的大小；

(3)在所需测量的土体中钻孔，孔径略大于装置外壁直径，实验时将内、外套管组装，钢制锥形体通过螺纹与外套管壁相连；到达指定位置时将内、外套管壁向相反方向转动，从而使得内、外套管壁三个呈120°夹角的槽形缺口重合，最终与三个超声波探头相应，为超声波的发射和反射提供通道；

(4)液压升降装置待上述装置组装完成后放入外套管之中，液压升降装置在贯入以及测量的过程中保持稳定，位于液压升降装置的三个顶端的液压轨道表面光滑，在数据测量前在其表面涂抹润滑油，以保证数据测量过程中的平稳性，在测量的过程中，通过伸缩液压杆达到控制探测装置的目的；

(5)在推进过程中打开激光测距仪器，可实时在距离显示器上读取检测探头所在位置，当到达指定检测位置时，关闭液压升降装置，打开可伸缩超声波探头，待位于三个方向上的探头均打开时，打开数据处理中心，发射超声波；

(6)实时监测回波的速度以及时间差，并根据实验室先前拟合的函数模型，通过回波速度以及时间差利用单片机估算含水率，并取其三个方向上的含水率的平均值将其显示于显示屏上。