本发明公开了一种基于光纤光栅的土壤基质吸力监测装置及方法。包括陶土棒、应变传感器、光纤光栅解调仪、计算机。将饱和状态的陶土棒埋置土壤，待陶土棒与土壤达到水势平衡后开启光纤光栅解调仪，装有应变传感器的活塞会随着土壤基质吸力的变化发生位移，从而引起弹性钢片和黏贴于弹性钢片上的FBG-1产生应变，导致FBG-1的波长发生改变，并由光纤光栅解调仪接收，FBG-2对弹性钢片和FBG-1进行温度补偿，从而获得剔除温度影响后的FBG-1应变值，通过电子土壤张力计标定实验建立的土壤基质吸力与FBG-1应变值之间的函数关系，得到FBG-1应变值所对应的土壤基质吸力，实现监测土壤基质吸力的目的。本发明具有稳定性好、响应速度快、防水性好、操作简单、可实时监测等优点。

本发明装置包括陶土棒、应变传感器、光纤光栅解调仪、计算机；所述的陶土棒包括陶土头、亚克力管、橡胶螺纹帽；所述的应变传感器包括保护壳、保温材料、活塞、弹性钢片、光纤光栅（FBG-1和FBG-2）和铠装光缆；陶土棒与应变传感器之间的连接方式为螺纹连接；应变传感器的弹性钢片两端分别用黏合剂黏贴于活塞和保护壳内壁上，FBG-1用黏合剂黏贴于弹性钢片上；FBG-2与FBG-1平行放置于弹性钢片上，并且无需黏贴于弹性钢片上；在保护壳出口处，FBG-1和FBG-2与铠装光纤相连，并在相连处设置防折套，防折套与保护壳之间未紧密结合，保持其与大气连通；铠装光纤通过跳线与光纤光栅解调仪相连，光纤光栅解调仪与计算机相连。所述的陶土棒应定期检查是否需要加水，检查周期为3～5个月。所述的陶土头是一种孔径微小、分布均匀的陶土。所述的橡胶螺纹帽具有良好的气密性，亚克力管具有高强度、不易碎、绿色环保等特点。

土壤基质吸力是决定非饱和土特性的关键参数，也是最难测量的土壤物理参数之一。土壤基质吸力主要存在于非饱和土中的水-气交界面上， 并随着土壤含水率的减小而不断增大，常用土-水特征曲线（SWCC）来描述非饱和土基质吸力与含水率之间的关系。土壤基质吸力对于研究土壤的渗透系数、抗剪强度以及分析边坡、无支护基坑等土工结构的稳定性具有重要意义。

目前测量土壤基质吸力的方法主要包括轴平移技术、离心机法、电传导传感器法、热传导传感器法、滤纸法、渗析法和加热光纤法等。其中，轴平移技术所需的装置笨重、体积大、操作难度大，不适应野外实验，而且其结果容易受到气泡的影响；离心机法在离心的过程中土壤的体积容易变小，对土壤结构的扰动性大；电传导传感器法容易受到水中溶质浓度的影响，浓度过大将会无法准确测量，同时还存在遇水漏电问题；热传导传感器法需要确定每个传感器的校准曲线，时间过长容易老化，且受环境温度影响较大；滤纸法分为接触式和非接触式两种，其中接触式滤纸法中的滤纸和土壤做分离处理难度大，非接触滤纸法测量的吸力极大或者极小的结果误差大；渗析法需要在聚乙二醇（PEG）溶液中加入易于造成污染的青霉素，而且操作步骤较为复杂；加热光纤法在测试时需要对光纤进行脉冲加热，加热功率、加热时间等对原位监测结果产生一定影响。

光纤光栅（FBG）可以实现对外界物体的应变、温度等参量进行感测，随着近年来FBG制作和封装工艺的不断改进，其在抗拉强度、抗弯强度、灵敏度、耐腐蚀、稳定性等性能均有了很大提升，被广泛应用于岩土工程监测、地质灾害预警、地球物理探测、水利交通及石油化工等行业。其原理是利用光纤材料的光敏性，在纤维内形成折射率的周期性变化，使光的传播行为发生改变，对周围应变、温度发生变化极为敏感，会引起布拉格反射光中心波长的改变。当光纤光栅受到应变和温度变化时，其表达式为：

发明人：李杰、朱鸿鹄、王家琛、程刚、刘喜凤、刘天翔、刘威南京大学，简称“南大”，位于江苏省南京市，系中华人民共和国教育部直属、中央直管副部级建制的全国重点大学，位列国家“双一流”、“985工程”、“211工程”重点建设高校，入选“珠峰计划”、“强基计划”、“111计划”、“2011计划”，为九校联盟（C9）、中国大学校长联谊会、环太平洋大学联盟、21世纪学术联盟、全球大学高研院联盟、国际应用科技开发协作网、东亚研究型大学协会、亚洲校园、金砖国家大学联盟、新工科教育国际联盟、中国高校行星科学联盟、长三角研究型大学联盟、学位授权自主审核单位、长三角可持续发展大学联盟  、中俄综合性大学联盟 、长三角高校智库联盟成员，首批国家级双创示范基地、国家大学生创新性实验计划、大学通识教育联盟

1．本发明装置采用光纤光栅传感器，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、传输损耗小、使用寿命长、响应速度快等优点，适用于受磁场影响和恶劣环境区域，而且可以进行长期监测。

2．本发明装置无需电源驱动，不存在遇水漏电问题，防水性能好。

3．本发明装置通过电子土壤张力计标定实验，监测结果的准确性高。

4．本发明装置设置参考光纤，可以避免环境温度变化对监测结果的影响。

5．本发明装置体积小、操作步骤简单、可实时原位监测土壤基质吸力。

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