基于电导率对相对介电常数补偿的土壤含水率电容传感器标定方法

针对土壤含水率电容传感器检测精度低,标定模型对盐渍土壤的适用性不高等问题,提出基于电导率对相对介电常数补偿的含水率电容传感器标定法。在标准溶液中建立相对介电常数与传感器输出电压关系对数模型(R^(2)=0.983),进一步基于二元二次回归分析法,建立标准溶液电导率对相对介电常数补偿的相对介电常数与传感器输出电压及电导率的回归标定模型(R^(2)=0.979)。对传感器进行土壤含水率标定,建立土壤体积含水率与相对介电常数关系的三阶多项式标定模型(R^(2)=0.996)。对两步标定模型进行实测,结果表明:土壤电导率为0~2 dS/m时,体积含水率检测最大误差从未电导率补偿时0.0383 m^(3)/m^(3)降至电导率补偿后0.0127m^(3)/m^(3),最大相对误差从12.0200%降至6.2241%。结果表明,在不同电导率的同类土壤中,使用基于电导率对相对介电常数补偿的含水率传感器标定法能明显提高土壤含水率检测精度和对不同电导率土壤(黄土)的适用性。

基于Landsat8与Sentinel-1遥感图像融合的土壤含水率反演模型

针对当前运用单一光学卫星反演土壤含水率时易受到云的影响,单一SAR卫星反演土壤含水率时易受到地表粗糙度和植被影响的问题,以内蒙古河套灌区沙壕渠为研究区域,以4个深度的土壤含水率为研究对象,分别采用主成分分析(PCA)、施密特正交变换(GS)融合Landsat8和Sentinel-1图像以减少云、植被、土壤粗糙度的影响,并对融合后的图像质量进行评价,然后用融合图像的灰度构建1134种遥感指数,基于相关系数分析、变量投影重要性分析、灰色关联分析3种变量筛选方法与BP神经网络(BP)、极限学习机(ELM)、随机森林(RF)、支持向量机(SVM)4种机器学习算法的耦合模型反演沙壕渠土壤含水率。研究结果表明:经PCA、GS融合后的融合图像可同时保持Sentinel-1和Landsat8图像的优势,并成功定量反演土壤含水率。基于融合图像构建的三维指数普遍比二维指数对土壤含水率更敏感。在表层土壤含水率反演中,基于GS融合的VIP-ELM模型精度最高(决定系数R2=0.66,均方根误差(RMSE)为1.35%)。将GS融合的VIP-ELM模型应用于其他土壤深度含水率的反演后发现,20~40 cm反演精度最高(R2=0.79,RMSE为0.94%),其次是0~10 cm、40~60 cm、10~20 cm。该研究可为多源卫星图像融合反演土壤含水率提供参考。

冻融循环作用下不同含水率灰土的细微观结构与宏观力学性能

为了探明素土和灰土在不同含水率时细微观结构与宏观力学性能受冻融循环的影响规律,开展了素土和灰土在不同含水率时的冻融循环试验、抗压强度试验和核磁共振试验。结果表明,素土和灰土抗压强度均随含水率的提高而降低;素土和灰土抗压强度在同一含水率时均随着冻融循环次数的增加而降低,冻融循环六次时降低率可达到12次时的80%左右;灰土T_(2)谱信号峰值大于素土,T_(2)谱信号峰值随着灰土比例的提高而增大;不同含水率时素土和灰土T_(2)谱面积在冻融循环次数由3次增大至6次的增长率均明显大于6次至12次。

基于QCM液体密度响应模型测量油品含水率研究

油田开发中一直存在高含水率和低含水率测量不准确的问题,新型可再生的生物柴油,同样需要控制含水率以保证热值和稳定性。文中提出一种基于石英晶体微天平(QCM)液体密度响应模型的油品含水率测量方法,通过5组标准甘油溶液进行模型验证,结果表明,实验值与理论值的误差小于5%,并且在低含水量和高含水量2种情况下,误差幅度小于1%。重复性实验验证了模型的有效性。现场测量实验结果证实了模型的适用性。

基于BP神经网络的陈皮干燥含水率预测

为探索陈皮的热泵干燥特性,并实现热泵干燥过程中陈皮的含水率预测,研究了不同干燥温度(50、55、60℃)、干燥风速(1.0、2.0、3.0m/s)、堆叠厚度(20、30、40mm)对陈皮干燥时间和干燥速率的影响。将干燥温度、干燥风速、堆叠厚度和干燥时间作为输入层,隐藏层个数为10,陈皮的干燥含水率为输出层,搭建一个BP神经网络预测模型。研究结果表明:干燥温度、干燥风速和堆叠厚度都是影响陈皮干燥含水率的重要因素,提高干燥温度、增加干燥风速和减少堆叠厚度能够提高陈皮的干燥速率,缩短干燥时间。基于陈皮热泵干燥特性构建结构为“4-10-1”的BP神经网络模型,含水率预测值与实测值之间的均方误差MSE为0.00421,决定系数R^(2)=0.997,模型运行稳定,含水率预测结果准确且快速,能够为陈皮干燥过程中的含水率在线预测提供科学依据。

融合无人机光谱信息与纹理特征的大豆土壤含水率估测模型研究

及时获取大田作物根区土壤含水率(Soil moisture content,SMC)对于实现精准灌溉至关重要。本研究采用无人机多光谱技术,通过连续2年(2021—2022年)田间试验,采集了大豆开花期不同土壤深度的SMC数据以及相应的无人机多光谱图像,建立了与作物参数具有较强相关性的植被指数及冠层纹理特征。通过分析植被指数和纹理特征与各深度土层SMC的相关性,分别筛选出与各深度土层SMC相关系数达显著相关(P<0.05)的参数作为模型的输入变量(组合1:植被指数;组合2:纹理特征;组合3:植被指数结合纹理特征),分别利用支持向量机(Support vector machine,SVM)、梯度提升模型(Extreme gradient boosting,XGBoost)和梯度提升决策树(Gradient boosting decision tree,GDBT)对各深度土层SMC进行建模。结果表明,与20~40 cm和40~60 cm土层深度相比,植被指数和纹理特征在0~20 cm土层深度中与SMC表现出更高的相关性。XGBoost模型为SMC估算的最佳建模方法,特别是对于0~20 cm土层深度。该深度估计模型验证集决定系数为0.881,均方根误差为0.7%,平均相对误差为3.758%。本研究结果为大豆根区SMC无人机多光谱监测提供了基础,为水分胁迫条件下作物生长的快速评估提供了参考。

含水率对松软煤体波速及破坏特征影响的试验研究

为研究含水率对松软煤体超声波波速与破坏特征的影响,针对不同含水状态型煤试样,采用岩石力学试验机(mechanical testing&simulation,简称MTS)、超声波监测仪,结合图像处理技术(digital image correlation,简称DIC)开展单轴压缩条件下煤体波速、表面形态监测试验,分析波速及变形演化特征;运用计算机断层(computed tomography,简称CT)扫描试验系统进行破坏煤体细观结构观测试验,获取三维裂隙分布形态和特征参数;探讨初始波速和破坏煤体波速随含水率变化规律。研究结果表明:(1)随轴向应变的增加,各含水率下煤体波速均呈现平稳-缓慢下降-急剧下降-再平稳4个变化阶段,且随含水率的增加,波速变化的缓慢下降、急剧和再平稳现象均推迟启动。(2)煤体初始波速及破坏后波速随含水率的增加均先增后减,荷载作用后煤体波速降低值与含水率呈线性关系。(3)随含水率的增加,破坏煤体内部裂隙表面积、裂隙体积及三维分形维数均具有线性增大的变化趋势,煤体由剪切破坏向拉伸破坏转变。(4)微观结构是导致各含水率下煤体初始波速差异的主要原因,而破坏煤体波速由微观结构和细观裂隙分布共同决定。研究结果可为揭示注水煤体声学力学响应特征,防控失稳灾害提供试验依据。

不同含水率下的生活垃圾气化特性模拟

我国不同地区的垃圾含水率有很大差异,为了探究垃圾含水率对气化特性的影响,更进一步地实现生活垃圾资源化利用,本文基于Aspen Plus建立了垃圾气化的工艺流程模型,分析了不同含水率下的温度对气化合成气组分、碳转化率(CCE)、低位热值(LHV)、气体产率的影响,气化温度提高促进CCE、LHV先降低后升高。结果表明升温和增加含水率可提高CCE、降低LHV,温度小于650℃时,增加含水率可促进气体产率,温度大于650℃时,增加含水率会降低气体产率;通过诸多气化指标得出垃圾含水率为25%、气化温度为850℃时为最优工况,在此基础上,40.63%的产气燃烧比例放热可以为干燥、热解、气化阶段提供热量,实现系统的热量自给。当气化温度和产气燃烧比例不变时,随着垃圾含水率的提高,气化系统对外界放出的热量先增加后减小。

不同含水率细砂岩软化效应及裂纹演化规律

为研究深部坚硬顶板浸水后其力学特性及裂纹演化规律,以潘三矿区-810 m细砂岩为研究对象,开展不同含水率单轴压缩力学特性实验研究,分析其软化效应敏感程度及脆性系数,揭示不同含水率细砂岩裂纹演化规律。研究结果表明:细砂岩含水率与其脆性系数呈负相关,含水率的增加降低了其峰值应力、峰值应变和弹性模量,减弱了岩石的宏观破坏程度;在外部载荷持续作用下,含水率的增加是诱导孔隙水反力提前出现的关键因素,同时会促进细砂岩表面水平应变增长;细砂岩表面最大水平应变与其裂纹发育存在潜在联系,其表面宏观裂纹在最大水平应变区域出现。研究结果可为坚硬顶板注水软化机理研究提供一定参考。

不同含水率和应力作用下磷块岩的损伤特性研究

地下磷矿长期受地下水侵蚀,水—岩作用是地下采矿工程中的常见问题,在开挖扰动下容易诱发地质灾害。为探究磷块岩在不同水—岩作用下的损伤破坏特性,借助声发射仪监测手段开展不同含水率磷块岩的单轴加载试验,分析了不同含水状态下磷块岩的宏观破坏特征和力学特性,进而构建了声发射振铃计数表征的试件内部损伤变量模型。研究结果表明:①水对磷块岩中胶结物质具有弱化作用,进而对磷块岩的力学性能造成劣化效应;②水会影响磷块岩的破坏模式,随着含水率增加,磷块岩的破坏模式由脆性破坏向塑形破坏转变,表现为磷块岩试件峰值应变随其含水率增加而增大;③随着磷块岩含水率升高,磷块岩在加载至破坏过程中产生声发射时间相对越滞后,声发射振铃计数和能量逐渐减小,不同含水率磷块岩内部损伤变量的演化过程与岩样受力加载全过程属同步关系。研究结果可为地下磷矿安全开采提供理论参考。

含水率影响下路基压实多场耦合数值模拟

研究目的:智能压实作为新兴技术已开始应用于路基工程中,并为施工建设带来了巨大便利。但研究和实践表明,未考虑土体含水率的制约因素已成为影响智能压实测试结果精度的主要原因之一。利用电阻率测试方法实现土体含水率的实时检测,本文模拟在振动压路机振动轮上安装测试电极,建立路基土体的流-固-电耦合分析模型,对不同含水率、激振力条件下的路基变形及电场分布规律开展研究。研究结论:(1)推导得出了路基智能压实过程中,土体应力场、水分场、电场多场耦合方程,利用COMSOL软件建立了数值分析模型,为路基智能压实分析研究提供了一种有效方法;(2)路基的压实变形受土体含水率影响明显,随含水率增加,路基沉降量增加,较大激振力可增加路基的压缩变形量;(3)当增加激振力大小,土体最终含水率数值减小,低于最佳含水率的土体受激振力影响最小,高于最佳含水率的土体受激振力影响最大;(4)路基电阻率随含水率增加而减小,相同土体含水率情况下,较大激振力下的土体电阻率及影响范围小于较小激振力情况;最佳含水率时,激振力大小对电阻率的影响最小;(5)本研究结论可为路基智能压实的发展和推广提供理论和技术支持。

降雨冲刷条件下含水率变化对堆填黄土沟床侵蚀的影响

黄土区城市建设造就大量堆填黄土场地,受极端降雨作用影响,水土流失严重。为探究含水率变化对土壤侵蚀的影响,本研究基于野外调查,采用室内直槽概化模型试验,开展堆填黄土沟床模拟降雨冲刷试验研究。结果表明:1)堆填黄土沟床侵蚀过程以水力侵蚀和重力侵蚀交互作用为主。随土体含水率增加,堆填黄土易湿陷、液化,水力侵蚀作用增强;2)沟床侵蚀发育过程中土体含水率和孔隙水压力两者变化规律呈现明显的一致性,土体失稳、侵蚀破坏前后出现大幅度波动,是土体结构破坏及侵蚀滑塌的关键因素;3)随前期降雨引起土体含水率增加,土体抗剪强度下降,水流冲刷沟床易侵蚀破坏,沟床侵蚀速率增大,溯源侵蚀演化速度加快。该研究表明前期降雨引起含水率变化在土壤侵蚀中的影响显著,可为工程堆积体水土流失和土壤侵蚀等研究提供参考。

近海黏性土中桩土界面剪切特性与含水率效应

为了研究粉质黏土-混凝土截面的抗剪强度在不同物理条件下的影响特征,本文针对粗糙度、含水率对其的影响展开研究,根据前人经验总结自制出了型直剪试验仪,研究了混凝土在不同粗糙度以及不同含水率的条件下,粉质黏土-混凝土界面的剪切特性受到的物理影响。结果表明:混凝土表明粗糙度对试验结果产生直接影响,并且随着粗糙度的增大,界面抗剪强度、界面摩擦角、剪切刚度系数以及界面残余剪切应力均相应增大,最大增幅可达37.0;而界面附着力随粗糙度的增大呈先减小后增大的趋势,增大幅度达23.7%。随着黏性土含水率的增大,界面抗剪强度、剪切刚度系数和界面残余剪切应力均呈先增大后减小趋势,含水率在20%~28%之间存在一个最优含水率使得界面抗剪特性最优;粉质黏土-混凝土界面的抗剪强度受粗糙度和含水率的影响较大。试验结果可为静压桩的工程实践提供借鉴与参考。

烘丝筒出口叶丝含水率预测模型研究

烘丝的最佳工艺参数难以确认,且叶丝含水率预测误差较大。为了在信息技术方面辅助提升烟草成品质量,研究基于极限学习机(ELM)的烘丝筒出口叶丝含水率预测模型。选取叶丝烘丝过程中松散回潮、预混柜、润叶加料等工艺阶段环境温度、湿度、加水比例等工艺参数。通过随机森林方法,将处理后有效数据中的各烘丝工艺参数以平均精准度逐渐减少顺序进行重新排序,筛选出对烘丝筒叶丝含水率预测作用较大的烘丝工艺参数。将筛选后的烘丝工艺参数作为ELM的输入数据,获取叶丝含水率预测结果。以含水率预测平均绝对误差最小为差分进化算法的适应度函数,优化ELM的隐含层神经元数量,提升烘丝筒出口叶丝含水率预测精度。试验结果表明,该模型可实现烘丝筒出口叶丝含水率预测,且预测误差小于0.3%,预测精度高。该研究有助于提升烟草质量。

三轴加载条件下含水率对煤体力学特性影响的试验研究

含水率对煤体力学特性具有重要影响,为深入探讨三轴加载条件下含水率在煤体力学中的作用机制,选择平顶山矿区代表性煤样并设置不同含水率水平的试验组,开展了不同含水煤样的单轴压缩试验和不同围压条件下的含水煤样三轴压缩试验,并对不同含水煤样进行应力-应变关系、抗压强度等方面的综合性能测试。结果表明:不同围压条件下,含水煤体的应力-应变曲线呈现相同趋势。三轴加载条件下,含水煤体轴向方向的应力-应变曲线与单轴加载时的煤体轴向方向的应力-应变曲线形式相同。相同含水率条件下,不同围压的试验煤样出现应力峰值时的轴向应变略有不同,整体呈现围压越大,其出现应力峰值对应的轴向应变越小。整个加载过程中,试验煤样轴向应变始终为正值,即煤体轴向方向发生轴向压缩变形,与此同时,试验煤样径向产生膨胀变形。单轴/三轴加载条件下,随着含水率增加,峰值强度整体呈降低,含水率与峰值强度呈一元二次函数关系。随着围压增加,峰值强度整体呈下降趋势。随着含水率增加,岩石软化系数整体呈现降低趋势。含水率与软化系数呈一元二次函数关系。研究结果为平顶山矿区煤炭资源的合理开发和利用提供了科学依据。

基于FA-BP神经网络的生姜干燥含水率预测

为探索生姜的干燥特性,并实现生姜干燥的含水率预测,研究了不同干燥温度(50、55、60℃)、干燥风速(1.0、2.0、3.0m/s)、切片长度(30、35、40mm)对生姜干燥时间和干燥速率的影响。结合BP神经网络自适应能力、泛化能力、学习能力强和萤火虫算法(FA)参数少、寻优能力强、收敛速度快等特点,将干燥温度、干燥风速、切片长度和干燥时间作为输入层,隐藏层个数为10,输出层为生姜的含水率,搭建一个拓扑结构为“4-10-1”的FA-BP神经网络模型。研究结果表明:干燥温度、干燥风速、切片长度都是影响生姜含水率的关键因素,增加干燥风速、提高干燥温度和减少切片长度能有效缩短生姜的干燥时间,提高干燥效率。选用萤火虫算法优化BP神经网络的权值和阈值,减少了神经网络的训练时间,提高了精准度,其含水率预测值与试验值之间的决定系数R2=0.999 02,均方根误差RMSE为0.002 99,含水率预测结果准确且迅速,能够为生姜干燥过程中的含水率在线预测提供科学依据。

微波含水率检测技术在复杂油水混合形态下的应用研究

在油水混合物中会出现不同的乳化形态,不同的乳化形态对应的电导率和介电常数也具有显著差异,从而导致通过检测电导率和介电常数值间接测量含水率的测量结果不准确。针对复杂油水混合状态下含水率难以测准的问题,提出一种基于微波技术的复杂油水两相流含水率检测技术,建立了基于微波技术的“油包水”和“水包油”状态分析方法。首先通过检测微波信号穿过不同介质后信号幅值的衰减和相位的偏移,推测油水混合物的含水率值。再利用不同输入功率的微波信号在不同介电常数下功率衰减比不同的原理,来区分油水混合物的乳化状态,优化含水率的测量。室内验证和矿场试验结果表明,该系统可有效区分乳化液的混合状态,通过含水率标定值对实测数据进行修正,最终测量的含水率误差可控制在1个百分点以内,实现了复杂油水混合形态下含水率的高精度测量。

大河村房基遗址可溶盐与含水率的相关性研究

【目的】通过分析红烧土中可溶盐与含水率的相关性,找出引起大河村遗址房基红烧土表层病害原因。【方法】采用称重法、原子吸收光谱仪、滴定法检测样品的含水率、阳离子、阴离子含量,通过变异系数分析得到房基红烧土不同部位的可溶盐组分及含水率的差异性,通过Pearson相关性分析,得到可溶盐组分与含水率存在的相关性。【结果】研究表明:①红烧土不同位置含水率差异显著,含水率最低值为1.98%,最高值为5.86%,最高值为最低值的2.96倍,变异系数为24.12%;②红烧土不同位置可溶盐含量差异显著,可溶盐各组分的差异性由大到小依次为:Cl->SO_(4)^(2-)>CO_(3)^(2-)>Mg^(2+)>Ca^(2+)>Na^(+)>K^(+);③不同位置样品的含水率与Cl-和K^(+)含量显著相关,大河村遗址红烧土的含水率会随着Cl-和K^(+)含量增加而升高。【结论】房基遗址的高可溶盐含量是引起表层病害的主要因素。

双组分织物含水率的微波谐振腔法测量技术

针对染整过程中多组分织物含水率准确检测问题,提出了一套基于微波谐振腔法的织物含水率检测系统。首先,基于Bruggeman-Hanai介电混合模型,结合织物结构特征建立了单组分织物含水率与介电常数的关系模型;通过考虑织物厚度与多组分织物组分配比的影响,建立了双组分织物含水率介电常数模型。接着,开展湿度均匀的纯棉、涤纶、混纺织物的介电常数测量实验,采用贝塞尔拟合方法,得到双组分织物介电常数模型的系数,从而获得了不同材质、厚度、组分配比下织物含水率与介电常数的关系模型。通过比较实验织物样品含水率与理论模型预测结果发现,二者吻合较好,均方根误差小于5%,从而验证了双组分织物含水率介电模型的可行性,为后续纺织品含水率检测提供技术支撑。

不同应力水平下给定含水率混凝土低温有效预压性能试验研究

为评估低温储罐类预应力混凝土结构设计及安全性能,通过对混凝土施加各种初始预压应力水平(0.2、0.3、0.4、0.5、0.6及0.7)并在-160℃低温作用下的试验,系统地探讨其有效预压性能变化规律,同时比较较高和正常两种较为典型混凝土含水率情况对其影响差异。结果表明,随施加的初始预压应力水平提高,混凝土降温点和温均点时的有效预压应力损失率均呈下降的变化趋势,而其降温段和恒温段时的有效预压应力变化率的变化较为复杂;混凝土达其降温点后恒温阶段的有效预压应力损失均有所恢复,且随初始预压应力水平的提高其恢复程度更加明显;含水率对不同初始预压应力水平混凝土低温作用下降温点和恒温点时的有效预压应力损失率变化趋势未产生影响,仅使其变化程度有较明显的差异。