一种基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置及其原位测量方法

本发明涉及海洋工程、岩土工程土体参数测量，尤其涉及的是一种基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置及其原位测量方法。

背景技术：

1、土体的密度变化及其沿深度的分布特征是分析高含水率淤泥自重沉积过程的重要参数。土体密度可以用于推求含水率和孔隙比等基本物理量，还能用于确定某一深度的应力大小以及判断自重固结的过程。

2、现有确定土体的密度剖面的主要方法为x射线法和取样法。但是，x射线法设备价格昂贵、系统搭建复杂、辐射防护要求高，不能用于现场原位测量，而取样法操作繁琐、测量效率低下，更难以避免对沉积过程造成扰动，且因为操作需要时间，测量精度和时效性难以保证。

3、现有技术中，土体的密度剖面测量装置无法实时原位测量土体密度。

4、因此，现有技术还有待改进和发展。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置及其原位测量方法，旨在解决现有技术中密度剖面测量装置无法实时原位测量土体密度的问题。

2、本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

3、一种基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，包括：

4、固定板；

5、两个带孔空心圆杆，设置于所述固定板；

6、多个t形三通管、多个密度测量组件及多个应变测量光栅，所述t形三通管分别与两个所述带孔空心圆杆、所述应变测量光栅的上端连接，所述应变测量光栅的下端与所述密度测量组件连接；

7、温度补偿光栅，位于所述带孔空心圆杆内；

8、其中，所述t形三通管沿所述带孔空心圆杆的长度方向布置；

9、所述应变测量光栅被配置为测量第一波长变量；

10、所述温度补偿光栅被配置为测量第二波长变量；

11、所述密度测量组件周围沉积物的密度根据对应的第一波长变量和所述第二波长变量确定。

12、所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其中，所述密度测量组件包括：

13、纺锤形壳；

14、第一半圆形结构，设置于所述纺锤形壳的上端；

15、配重体，位于所述纺锤形壳内的底部；

16、其中，所述应变测量光栅的下端与所述第一半圆形结构连接。

17、所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其中，所述纺锤形壳的上端形成有开孔，所述配重体自所述开孔注入所述纺锤形壳并密封。

18、所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其中，所述t形三通管的垂直空心管的内部上端形成有第二半圆形结构，所述第二半圆形结构与所述应变测量光栅的上端连接；

19、所述纺锤形壳和所述第一半圆形结构之间具有圆管结构，所述圆管结构和所述第一半圆形结构插入所述垂直空心管的下端。

20、所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其中，所述t形三通管的水平空心管的两端分别与两个带孔空心圆杆连接，所述应变测量光栅的信号光纤依次穿过所述水平空心管和所述带孔空心圆杆，所述温度补偿光栅的信号光纤穿过所述带孔空心圆杆。

21、所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其中，所述固定板上设置有矩形通孔。

22、所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其中，所述带孔空心圆杆的下端封闭并呈球冠状。

23、所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其中，所述应变测量光栅和所述温度补偿光栅采用同一种光栅。

24、所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其中，所述密度测量组件周围沉积物的密度为：

25、；

26、其中，表示第

i个密度测量组件周围沉积物的密度，表示第

i个密度测量组件的质量，表示重力加速度，表示应变测量光栅的弹性模量，表示应变测量光栅的截面面积，表示应变灵敏系数，表示第

i个应变测量光栅测量的第一波长变量，表示温度补偿光栅测量的第二波长变量，表示第

i个密度测量组件的体积。

27、一种如上所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置的原位测量方法，包括步骤：

28、将基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置放入目标土体中；

29、获取第一波长变量和第二波长变量；

30、根据所述第一波长变量和所述第二波长变量，确定密度测量组件周围沉积物的密度，以得到目标土体的沉积物沉淀过程密度剖面。

31、有益效果：利用温度补偿光栅测量的第二波长变量对应变测量光栅测量的第一波长变量进行温度补偿，排除温度对应变测量光栅的影响，从而得到各密度测量组件周围沉积物的密度，各应变测量光栅的位置不同，测量的密度也不同，也就得到了目标土体的沉积物沉淀过程密度剖面，实现沉积物沉淀过程密度剖面实时原位测量。

1.一种基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其特征在于，所述密度测量组件包括：

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其特征在于，所述纺锤形壳的上端形成有开孔，所述配重体自所述开孔注入所述纺锤形壳并密封。

4.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其特征在于，所述t形三通管的垂直空心管的内部上端形成有第二半圆形结构，所述第二半圆形结构与所述应变测量光栅的上端连接；

5.根据权利要求4所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其特征在于，所述t形三通管的水平空心管的两端分别与两个带孔空心圆杆连接，所述应变测量光栅的信号光纤依次穿过所述水平空心管和所述带孔空心圆杆，所述温度补偿光栅的信号光纤穿过所述带孔空心圆杆。

6.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其特征在于，所述固定板上设置有矩形通孔。

7.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其特征在于，所述带孔空心圆杆的下端封闭并呈球冠状。

8.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其特征在于，所述应变测量光栅和所述温度补偿光栅采用同一种光栅。

9.根据权利要求1~8任意一项所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置，其特征在于，所述密度测量组件周围沉积物的密度为：

10.一种如权利要求1~9任意一项所述的基于光纤光栅的沉积物沉淀过程密度剖面原位测量装置的原位测量方法，其特征在于，包括步骤：