基于非相干光频域反射技术的高精度光纤网络健康在线监测系统

随着我国高速、大容量、宽带网络的快速发展以及军用短距离战术通信系统的广泛应用,对于通信网络中光纤及无源器件故障的精准定位与实时在线监测日趋重要。本文基于非相干光频域反射(IOFDR)技术机理,以光纤中后向瑞利散射光作为信号光,并结合光波传导方程,提出了一种低成本、高精度、分布式光纤质量检测方法,并对其数值模型进行了详细推导,设计系统结构,研制系统样机。通过实验验证,采用非相干连续光源,可以以较低的光功率(<10 mW)初步实现10 km光纤的分布式检测,并可保证光纤沿线无差异的空间分辨率0.1 m,动态范围优于34.5 dB,事件盲区极小,可有效解决传统光时域反射技术(OTDR)的注入功率大、空间分辨率低、事件盲区大以及相干光频域反射技术(COFDR)成本高、体积大、测量距离有限等问题,是一种极具发展潜力和推广价值的高精度光纤网络在线健康监测技术。

国内外土壤水分监测技术

就近年来国内外出现的一些土壤水分监测技术和国外一些有别于传统的土壤水分监测技术进行了介绍,阐述了各自的工作原理、主要特点及应用特性,并予以评价和总结。目的是拓宽该技术领域,开阔人们的视野,并为各地因地制宜地选择采用土壤水分监测技术提供参考。

FDR技术在膨胀围岩隧道模型含水率测定中的应用

以广西南宁地区的膨胀土为围岩材料,制作了隧道物理模型,对埋设其中的三个湿度传感器进行了不同条件下的标定试验。试验通过30个圆柱形土柱试样,对不同干密度下的质量含水率ω烘值和体积含水率ωFDR值之间的关系曲线进行了线性多项式函数的拟合,得出了数学函数关系式;通过3个土柱试样,对其进行干湿循环作用下的动态标定试验,并对ω烘值和ωFDR值之间的关系曲线进行拟合,得出了三次多项式的拟合关系式。通过对从FDR实测的体积含水率经拟合关系式计算而得的质量含水率和实验室烘干称重而得的质量含水率的对比,证明了FDR技术在膨胀围岩隧道模型中的应用是可行的。

基于FDR技术的土体质量含水率和干密度快速检测方法

为解决现有烘干法和环刀法测定土体质量含水率和干密度存在的周期长、扰动大的问题,提出一种基于频域反射(FDR)技术的快速无损检测方法。基于介电常数、电导率与质量含水率和干密度的关系式,利用电导率与介电常数的拟合关系,推导出质量含水率和干密度的求解公式。参数率定试验和模拟土体填筑的模型试验表明,提出的质量含水率与干密度快速测定方法合理可行,具有较高的测试精度。

岩体表层凝结水的形成与转化规律:对岩石风化水分来源的指示意义

水对岩石风化具有重要控制作用,但人们对非露天岩石表层的水分来源一直认识不足。本文以我国北方云冈石窟的岩石壁面为例,利用频域反射技术开展了岩石浅表层含水率监测,利用2020年5月至2021年5月逐小时的岩石视含水率数据为例,识别了夏季和冬季岩石含水率波动的控制机理。从6月初到10月初,大气湿度变化是岩石视含水率先增大后减小的直接控制因素,当存在指向山体内部的大气湿度梯度时,水汽迁移至岩石孔隙内,发生毛细凝聚转变为液态水,从而引起视含水率增大;当存在指向山体外部的大气湿度梯度时,岩石孔隙内的液态水蒸发,从而引起岩石视含水率下降。从10月中旬至次年6月初,岩石普遍较干燥,但是12月中旬浅部岩石含水率在冻结吸力控制下还是会发生明显增大现象,表明岩石中存在可迁移、可发生化学风化的弱结合水。本研究识别了非露天石质文物壁面水分的一种重要来源,加深了对凝结水形成机理及其对风化控制作用的认识,可为石质文物保护提供决策依据。

基于FDR的土壤水分探测系统与应用

根据中国气象局对农业气象观测的要求,采用频域反射技术(Frequency Domain Reflectometry,FDR)设计开发了一套土壤水分探测系统。系统共包括传感器测量、数据采集和远程数据管理等几个部分。FDR测量原理建立在传输线理论和谐振电路的基础上。数据采集部分充分考虑了信号的抗干扰能力以及纠错措施。系统采用无线通信模式将测量数据传送到中心数据库,并使用互联网将数据发送到各个用户。运行结果表明该系统能够连续稳定地测量,经过订正之后的数据与烘干法测量结果接近,误差小于2%,满足农业气象观测的需要。

冻融过程对FDR测量土壤体积含水量的影响

为研究冻融过程对FDR测量土壤体积含水量的影响,采用基于FDR技术的土壤水分传感器TDR-3,通过室内温度实验箱控制环境温度范围为-20～20℃,对冻融过程中黏性土样体积含水量进行了测试分析.结果表明:采用FDR测量黏性土样体积含水量,在土样未进行冻融前,温度在0℃以上时,FDR的测量值随温度呈线性变化,随着温度的升高而增大,随着温度的降低而减小;黏性土样冻融过程中,在冻结过程中,FDR的测量值随着温度的降低逐渐减小;在融化过程中,随着温度的升高,FDR的测量值逐渐增大;相同温度条件下,黏性土冻结过程中FDR的测量值明显大于黏性土融化过程中FDR的测量值,0℃时两者差值最大,该差值受土壤初始体积含水量和冻融温度的影响.研究成果对于提高FDR测量冻融过程中土壤体积含水量的可靠性具有重要意义.

低功耗土壤湿度控制仪设计

为提高水资源的利用效率,设计了一种低功耗土壤湿度控制仪。系统采用基于频域反射技术的高精度土壤水分传感器进行土壤湿度测量,绝对误差为±2%RH。由控制芯片MSP430单片机驱动灌溉执行单元,使土壤湿度保持在合理的范围内;系统设计数据存储模块,并配置USB接口,可通过U盘随时提取系统记录,方便保存和处理数据;针对低功耗需求,软件设计增加系统休眠模式。该系统操作方便、工作稳定可靠,可以满足生产实践中的要求。

含水率对相似材料模型强度的影响规律

为减少含水率对相似材料模型强度的影响,利用时域反射技术对相似材料模型含水率变化特征进行了监测,通过不同含水率值的相似材料试件,获得了相似材料试件单轴抗压强度与含水率的关系;提出克里金空间插值法的估值公式计算相似材料模型含水率,得出了含水率变异函数表达式;以哈拉沟煤矿12101工作面为研究对象,搭建了长×宽×高为1 000 mm×120 mm×700 mm的相似材料模型,利用FDR传感器监测模型含水率,绘制模型含水率分布图。结果表明,当配比为8∶3∶7且含水率在0.2%~2.3%之间时,相似材料试件的单轴抗压强度与其含水率呈负线性关系;通过模型含水率分布云图,模型竖直方向含水率呈上低下高的梯度特征,中硬度岩石相似材料模型含水率值达到1.7%~2.2%时,模型强度达到预期强度;相似材料模型干燥后期模型上部强度大于预期强度,中下部基本一致。提出了一种利用含水率特征值来预判模型干燥养护程度的方法,为提高相似材料模型试验准确性提供方法参考。

不同FDR传感器和计算模型测量土体质量含水率和干密度的对比研究

频率反射技术(FDR)能够快速测得土体介电常数和电导率,并通过模型计算压实土体的质量含水率和干密度,是一种具有较好应用前景的土体压实质量快速检测方法。为此,通过标定试验和模型试验,研究了不同FDR传感器以及计算模型对压实土体质量含水率和干密度测量精度的影响。结果表明:不同厂家生产的FDR传感器测量数据差异较大,尤其对于土体电导率的量测结果,因此开展参数标定试验十分重要;对于采用电磁波反射和交流电桥法测土体介电常数和电导率的FDR传感器,其测得的数据对Yu与Drnevich、Bhuyan两种模型的拟合程度较高;Yu与Drnevich模型的计算结果较Bhuyan模型更接近烘干法与环刀法的测试结果,其计算得到的质量含水率绝对误差在±0.03以内,干密度相对误差在±6%之内。本研究可为FDR传感器和计算模型的选取提供参考,以推动FDR法的工程应用。

基于WSN的森林土壤含水率在线监测系统

设计了一种基于WSN(无线传感器网络)的森林土壤含水率在线监测系统,通过频域反射技术(FDR原理)设计土壤含水率传感器,以Zig Bee模块构建无线传感器网络,通过自组的方式形成网络,实现森林土壤含水率的在线测量,使得土壤含水率监测更加实时、便利、准确。