张 磊，郭海庆，谢兴华，郭加艳

（1．河海大学a．土木与交通学院；b．岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2．南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029）

一种新型含水率传感器装置

张 磊1a，2，郭海庆1a，1b，谢兴华2，郭加艳1a

（1．河海大学a．土木与交通学院；b．岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，南京 210098；2．南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210029）

土是一种多项体系，含水率对土的导电性起控制作用，据此自行设计了一种新型的含水率传感器装置，用电路板上保护电阻两端的电压作信号反映含水率的变化。将传感器在砂子和砂土中进行标定，得到含水率与电压的线性变化关系，并将该装置运用在雾雨入渗滑坡模型试验中测试含水率的变化情况。由测量结果知：该种装置能够方便、迅速、较准确地得到含水率的变化情况，能够满足雾雨入渗滑坡模型试验，但渗透关系、温度的影响没有考虑进去，还需要以后进一步的改进。

含水率；传感器；电阻率；土壤；装置

根据不同的测量原理、手段，土壤含水率测量已发展了各种各样的方法。烘干法是最为经典、准确的方法，在105～110℃下将土壤烘干至恒重，土中各种水分会挥发出去，可以直接测量水分含量。非饱和状态下土壤对水具有吸力，土壤愈湿，对水的吸力就愈小，反之则大，张力记法从这种能量的角度分析土壤水分情况。射线法包括中子散射法、射线法、x－射线法等［1］，都是通过发射的射线与土壤中的原子、电子相互作用，使射线的能量变小，强度减弱，其衰减量是土壤含水量的函数［2］。电阻法是根据土壤的电阻率随含水率的变化而变化，土壤水分的变化使传感器石膏体的含水量与土壤水形成一定的函数关系，石膏体含水量的变化又会引起置于其中的两电极的电阻的变化，电阻法是通过石膏体为中介建立含水率与电阻的关系［3］。根据水的介电常数远大于土和空气，含水率的变化也就对土壤的介电常数起决定性作用，因而可以利用土壤的介电特性测量土壤含水率，据此发明了多种方法：电容法、时域反射法（TDR）、频域分解法（FDR）等。

1 方法依据

土体是由固体、液体、气体组成的多向体系。气体的自由电荷极少，可认为是良好的绝缘体。纯水不能导电，但土中水一般溶解了盐类、氯化物等可溶性矿物，使得水成为一种溶液，因而土中水具有较好的导电能力。已有研究表明，干净的砂及砾石导电主要是发生在孔隙水中［4］。黏土导电则发生在孔隙水及带电黏土颗粒表面［5］。

衡量土导电能力大小的物理量是电阻率，它是电流垂直通过边长为1 m的立方体土时所测得的电阻，其变化幅度为1～105Ω·m。土的电阻率受含水率、孔隙率、饱和度、土颗粒的矿物组成等［6－7］因素的影响，通常可以设定一个可变因素与多个不变因素来分析各因素对电阻率的影响，根据电阻率的变化情况可以分析土的整体结构特征等。土的电阻率测量具有多方面的用途，传统的土壤含水率测量方法中的电阻法就是根据电阻率随其含水率的变化而变化为原理进行测量的。Rhoaeds［8］（1976）等提出了土的电阻率与体积含水量的关系式，即

w

s

式中：ρ为土的电阻率；ρw为孔隙水电阻率；ρs为土颗粒的电阻率；a，b分别为试验常数。对于砂土，干燥的砂土电阻率约为105Ω·m，湿润的砂土电阻率约为10Ω·m，说明含水率变化对电阻率的影响远大于土颗粒的影响，因为砂土中的电流主要是由孔隙水传导的，土颗粒和空气可以近似看作绝缘体［9］。孔隙水的多少是由孔隙率、饱和度决定的。式中：vw为土中孔隙水的体积；vv为孔隙体积；ω为含水率；GS为土粒相对密度；e为孔隙比；ρs为土粒的密度；n为孔隙率；（ρw）4℃为4℃时纯水的密度；ρd土的干密度。

当干密度确定后孔隙率不发生变化，饱和度仅随含水率发生变化，可知砂土的电阻率主要是由含水率决定的。

在上述原理的指导下，试验小组自行设计了一套简单、经济的含水率传感器装置（图1）。传感器探头处两端电极之间的土体电阻R1，保护电阻R2，相应的电压分别为U1，U2，电源电压U，则I＝随着含水率的增大，R1减小，则I增大，U1减小，U2增大，通过采集仪采集U2的变化数据，结合传感器的标定曲线，进而可以得出含水率的变化情况。

图1 传感器装置试验示意图Fig．1 Schematic of the sensor device

2 传感器装置设计

2．1 传感器探头设计

如图2所示，探头部分主要由不锈钢环形电极、绝缘层、引线等部件组成，两电极的间距为3 mm，绝缘层由高分子合成树脂组成，能有效阻隔电流传导。为了分析雾雨入渗滑坡模型试验中含水率的变化情况，试验选用12个探头，布置位置见图3。

图2 传感器探头结构图Fig．2 Structure of the sensor probe

图3 含水率传感器探头布置图Fig．3 Layout of sensor probes in the landslidemodel

2．2 电路板设计

如图4、图5所示，电路板同时为4个传感器提供电流，由于采集仪采集电压信号范围为－5～5 V，传感器两极间的电压要取较小的值，在电路上需设置阻值为1 000Ω的保护电阻，同时该电阻也是电压信号的输出端。土的电阻率测试按照电源类型分为直流和交流，对于描述一些非导电的粒子（如砂、碎石）等孔隙结构特性时一般采用直流电测［10］，对于黏土体系则一般采用交流电测［11～13］，结合试验用土的性质，试验采用5 V稳压直流电源。电路板中电源对保护电阻和传感器提供电流，最大电流值为5 mA。试验过程中随着土体含水率的不断增大，饱和度也不断增大，土体的电阻率不断减小，传感器两极间的电压随之降低，而保护电阻两端的电压则随之增大。

图4 电路板设计图Fig．4 Design of the circuit board

图5 传感器装置实物图Fig．5 Photo of the sensor device

3 边坡模型装置

边坡模型装置主要由模型槽、边坡模型、降水装置组成。

模型槽尺寸为0．8 m×0．6 m×0．6 m（长×宽×高）（见图6），材质采用有机玻璃，以便在周围边界打孔，易于传感器线路通过边界埋设于边坡中。

边坡模型采用砂子制作，初始含水率为2．84%，其颗粒粒径分布情况如图7所示。边坡模型三维坐标（x，y，z轴已标于图6中）中的x方向为顺坡方向；z方向为垂直地面方向（高程方向）；y方向垂直于xoz面。模型的坡比为1∶1．5（坡角33．7°），实际尺寸为0．5 m×0．6 m×0．334 m（长×宽×高）。边坡压实度按照干密度为1．55 g／cm3控制，筑坡前砂土过5 mm筛以剔除石块、茎杆和根茬，为保证边坡密度均匀，筑坡过程中分5层依次填筑，每层厚度6．7 cm。

图6 模型槽、边坡模型图Fig．6 Schematic of test tank and slopemodel

图7 试验用土颗粒级配曲线Fig．7 Gradation curves of soils in the test

降水装置为自行制作具有可调节降水强度和喷头数量的系统，主要由相距4 cm的5排导管组成，导管上喷头间距为3 cm，根据降雨强度要求和喷头工作参数来调整喷头数量，降水强度采用300 mm／h，实际采用喷头24个。

4 传感器标定

试验之前对各传感器进行系统标定得到电压－含水率变化曲线，将采集的电压信号经过数据处理然后代入到该曲线中就可以得到含水率的变化情况。模型边坡的干密度按照1．55 g／cm3控制，标定所用土样的干密度也要控制为相同值，这样能确保传感器在相同的孔隙率下工作。采用烘干法测量各土样的含水率，其值如表1，将各传感器探头分别插入到各土样中，探头应插入到土样的中部避免与容器底部相触，插入的时间要等到采集到的电压信号稳定之后再转入到下一个土样中，由经验知该时间不得少于20 s。选取其中的8＃传感器标定结果如图8，2种土的电压－含水率变化关系均为线性关系，但砂子的相关系数明显大于砂土的，说明砂子的导电主要是由孔隙水承担的，砂土的导电有一部分是土颗粒承担的。从变化斜率上看，砂土要小于砂子，即在同一含水率条件下，砂土的电压变化比砂子大，也就是其电阻变化大。由级配曲线知砂土的粒径分布范围大，不均匀系数cu＝12．5，曲率系数cc＝1．125，为级配良好的土，土粒之间较为密实，孔隙率小，饱和度大，则孔隙之间水分容易贯通，导电能力增强，使土体电阻减小，电压变化增大。另外，砂土中含有较多的细小颗粒，颗粒越小，比表面积越大，具有的比表面能就越大，使土颗粒可与孔隙水相互作用，在其表面形成双电层，增大土的导电能力。

表1 各土样含水率数值Table 1 Moisture contents of all soil sam ples

图8 8＃传感器标定结果Fig．8 Calibration results of sensor 8＃

5 试验结果

试验开始前，整个边坡的含水率是一致的，这时采集仪得到的电压信号是稳定的。随着降水的进行，水分逐渐从坡面向下入渗，入渗会逐渐形成湿润区、过渡区、暂态饱和区，在这3个区的转化过程中，含水率是逐渐增大的，根据埋设的12个传感器所得到的电压信号，将信号数据结合标定结果曲线就可以得到不同时刻不同位置处边坡的含水率变化情况，如图9、图10所示。当水分入渗到传感器探头时，含水率开始增大且与时间基本成对数关系增加，含水率达到峰值然后缓慢减小，由于离子通常沿与水流相同的路径运移，这可能是因为渗透关系的影响，有关电阻率与渗透关系的研究目前仍然没有得出确切的结论，不少学者得到的结论不一致甚至相悖［9］。图10所示采用Kriging插值法做的等值线图中所反映坡体内含水率的分布情况是比较合理的，说明自行设计的传感器装置是可行的。

图9 9，12，15＃含水率变化图Fig．9 Variations of water content at sensor 9，12，and 15＃

图10 降644 s坡体含水率等值线图Fig．10 W ater content contours at 644 s of the slope

6 结 语

根据装置制作、试验过程及结果得到以下该传感器装置的特点：①根据保护电阻的电压变化反应土壤含水率的变化，方便电压信号输出且能与电路板可靠连接；②电极与土体直接接触，含水率变化反应快，能够进行连续测量，动态反映含水率变化；③传感器装置简单、经济，使用方便、对人体无伤害等。

根据土体的电阻率变化测定其含水率，有一定的可行性，但电阻率的变化受到多种因素影响。由于土体的导电包括土颗粒和孔隙水，不同类型的土颗粒导电能力相差甚大，如石英的导电性很小，接近绝缘体，而黏粒则具有较好导电性。孔隙率影响饱和度，饱和度决定着孔隙水是否能贯通，在其它条件一定时，孔隙率越大，电阻率也越大。Keller［14］（1966）研究了土体电阻率变化与温度的关系，得出温度升高，电阻率变小，原因可能是温度的升高使水的黏滞性降低同时使离子的活动性增强。综合以上方面，该装置在使用时及以后的改进中应注意以下几点：

（1）土的电阻率受多重因素的影响，对于不同类型、干密度、孔隙率的土使用前须对各传感器进行标定。

（2）水的黏滞性、离子活动性受温度影响较大，传感器的标定与试验要在温度相近的条件下使用。

（3）电阻率与渗透关系目前还不清楚，在有明显渗流的试验中要考虑这方面的影响。

（4）适合条件比较清晰的室内试验。

［1］ KLENKE JM，FLINTA L．Collimated Neutron Probe for SoilWater Content Measurements［J］．Soil Science Society of America Journal，1991，55（4）：916－923．

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（编辑：赵卫兵）

A Novel M oisture Content Sensor

ZHANG Lei1，3，GUO Hai-qing1，2，XIE Xing-hua3，GUO Jia-yan1
（1．College of Civil and Transportation Engineering，Hohai University，Nanjing 210098 China；2．Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering，Hohai University，Nanjing 210098 China；3．State Key Laboratory of Hydrology，Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）

The electrical conductivity of soil is controlled by themoisture content．With the voltage on both ends of the protective resistor in the circuit board as the signal to reflect the changes ofmoisture content，we designed a sensor for themoisture content．The sensorswere calibrated in sand and sandy soil to obtain the linear variation relation betweenmoisture contentand voltage．The device is applied to themodel of landslide induced by fog and rain infiltration to test the changes ofmoisture content．Results show that through this device we can get the moisture content variation conveniently，quickly and more accurately．It can meet the requirements of the landslide model test，but the infiltration relation and the influence of temperature were not taken into consideration．Further research and improvements are needed．

moisture content；sensor；electric resistivity；soil；device

TU415

A

1001－5485（2013）02－0084－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．018

2012－04－02

2012－07－14

国家自然科学基金项目资助（51139001）；国家自然科学基金项目资助（51109139）；水利部公益性行业科研专项经费项目资助（201101005）

张 磊（1986－），男，山东枣庄人，硕士研究生，主要从事边坡渗流研究，（电话）15250995732（电子信箱）zjdmldsh＠163．com。