测量内生变形的装置的制作方法

本发明涉及到用于在结构凝固阶段测量所述结构的内生局部变形的装置。

背景技术：

在诸如大坝、核电站、桥梁、隧道等的土木工程的建筑中非常普遍使用的以及通常涉及力学的相关领域中的结构，通常在其施工期间以及在其整个使用寿命中都承受机械应力。施加这些应力导致这些结构的体积内的变形，从而可能改变它们的力学性能。构成结构的材料的自收缩，即源于结构主体内部的收缩，在结构创建期间，例如在创建由低水/水泥比的水泥基体构成的结构期间，特别成问题，并且是导致材料过早开裂的原因。实际上，自干燥产生的毛细管压力可以达到非常高的值(据1995年华等人所说，为几兆帕斯卡(mpa))。一些研究已经表明，在凝固阶段的第一天发生的内生收缩代表在长期内材料的内生变形中非常重要的一部分：在最初的24小时之后，内生变形可以达到40％以上(baroghel-bouny和kheirbek，2001年)，或者对于一些高性能混凝土而言，在内生条件下成熟一年后测量的变形达到80％以上(lee等人，2003年)。

为了监测这些结构的质量，必须能够测量这些结构在材料从液相(糊状)变为固相的最初几天，在一至四天之间，最好是在前三天期间在这些结构中发生的变形的演化。

结构变形的演化以及对作用在结构上的应力估算，可以通过放置在结构外表面上的装置来监测，例如用于变形的视觉指示器或对这些结构表面的变形敏感的机械传感器(fr2855210)。通过在结构的体积内集成单轴传感器或“测量光纤”，例如光纤(wo2006127034)，可以估计结构内的变形测量。然而，充其量，这些方法只允许估计施加在置于监测体积中的光纤中的应力或变形分量沿传感器轴线的平均值。最后，将传感器直接集成到监测结构中可导致削弱所述结构，这是由于传感器附近的结构的体积中的应力分布发生变化，传感器的特定形状可能导致有助于传感器周围裂纹萌生的局部应力集中。

技术实现要素：

本发明的目的是提高结构内局部发生的内生变形的测量的质量和可靠性。特别地，本发明的目的在于提高在结构固化过程中在结构内局部发生的内生变形的测量的质量和可靠性。

为此目的，提供一种用于在结构从液相转变为固相的过程中测量所述结构的内生变形的装置，所述装置包括：

在第一端与第二端之间延伸的至少一个单轴测试体，所述至少一个测试体适合嵌入所述结构中，并且是由具有已知力学性能的均质柔性材料制成的，

变形测量光纤，其附接到所述至少一个测试体内部，以便于把所述至少一个测试体的变形传递到所述测量光纤，

连接到所述测量光纤的系统，其适合检测来自所述测量光纤的代表所述测量光纤变形的信号，并且适合通过至少一个所检测的信号以及通过所述测试体的材料的已知力学性能确定内生变形，

至少一个测试体的刚性介于2至5吉帕斯卡(gpa)之间。

关于结构本身的材料的力学性能，可以是假设材料良好的物理力学性能。

这一点参考测试体的刚性，但是同样可以参考所述测试体的组件材料的杨氏模量。

作为选择，这一点可以参考应力或应变，假设这两个量通过机械行为定律相关。

关于所确定的内生变形和应力，它们是在没有测量装置的情况下，在测量水平下结构中存在的值(换言之，如果结构的组成材料在该位置尚未被测试体代替)，因此是在测试体附近的相同值。

因此，测量装置是非侵入性的，廉价的，并且易于在现场实施。

此外，在把测量装置插入材料的过程中，简单的测量装置确保测量的正确定位和正确定向。

此外，低刚性测试体使之能够监测在整个材料固化阶段材料的刚性演变

在本发明的优选实施例中，可以使用以下设置中的一项或多项设置：

-装置进一步包括具有单轴腿的支架，把测量光纤固定到多个腿的内部，以至于把多个腿经受的变形传递到测量光纤(7)，多个腿(31)的刚性介于2至5吉帕斯卡；

-测量光纤是光学测量光纤；因此提高了测量光纤的性能：传输距离增加，测量光纤对不利环境的阻抗性提高，能够在单个测量光纤上复合多个传感器的能力等；

-至少一个测试体包括在第一端和第二端之间延伸的通道，测量光纤的至少一部分粘附在所述通道内部；因此消除了测量光纤屈曲的风险，而且测量光纤完全与测试体成为一体，从而确保精确测量；

-测试体在至少一部分测量光纤上包覆成型；因此消除了测量光纤屈曲的风险，而且测量光纤完全与测试体成为一体，从而确保精确测量；

-至少一个测试体包括至少一个凸耳，所述至少一个凸耳在与所述测试体成为一体的第一端与第二自由端之间相对于所述测试体径向地延伸；一个或多个测试体因此与结构成为一体；尤其是，一个或多个凸耳的设置改进了一个或多个测试体与结构之间的连接，并因此提高了测量的精度；

-测量光纤配备有应变计、布拉格光栅或法布里-珀罗腔；因此，在测量光纤中内切或者由测量光纤承载的布拉格光栅、应变计或法布里-珀罗腔，使之能够精确测量测试体经历的微位移(结构的所有变形都通过测试体传递到布拉格光栅、应变计或法布里-珀罗腔)，如此配备的光纤也易于落实到测试体上；

-所述装置包括按照三个不同方向设置的至少三个测试体，第一个测试体按照第一个方向延伸、第二个测试体按照垂直于第一个方向的第二个方向延伸，以及第三个测试体按照垂直于第一个方向和第二个方向的第三个方向延伸；测量装置因此使之能够按照三个所选方向直接测量变形，因此提高了这些测量的相关性；

-所述装置包括按照第四个方向延伸的第四个测试体，所述第四个方向在包括第一个方向和第二个方向的第一个平面内，

和/或按照第五个方向延伸的第五个测试体，所述第五个方向在包括第二个方向和第三个方向的第二个平面内，

和/或按照第六个方向延伸的第六个测试体，所述第六个方向在包括第一个方向和第三个方向的第三个平面内；在力学方面，因为认为空间有六个维度，所以测量装置使之能够直接按照这六个维度测量变形；

-装置进一步包括具有单轴腿的支架，每个腿都连接到至少另一个腿，在所述腿之间界定大体为立方体形状的内部空间，

其中，测量光纤是连续的，并且贯穿每个腿，而且

其中，支架的至少一个腿包括所述至少一个测试体中的一个；支架的特定形状使之能够把测试体的组件插入材料中，与此同时使所述测试体的入侵方面最小化，以确保可靠的测量；

-支架各腿之中的至少三个腿分别包括第一个测试体、第二个测试体和第三个测试体；因此提高了测量的相关性；

-支架的至少一个腿包括第四个测试体，

和/或支架的至少一个腿包括第五个测试体，

和/或支架的至少一个腿包括第六个测试体，

支架的每个腿都包括最多一个测试体；因此提高测量的相关性；

支架各腿之中的至少一个腿装有由测量光纤承载的温度传感器；材料固化过程中的温度变化是重要信息项，为了提高测量的相关性，获得它们是有用的；

-支架包括至少七个腿，贯穿每个所述腿的测量光纤形成一个环；测量光纤因此在支架的同一水平进出，使测量装置的入侵方面最小化。

本发明还涉及到一种包括上文所述的测量装置的机械结构。

本发明还涉及到一种用于在结构从液相转变为固相的过程中测量所述结构内生变形的方法，所述方法包括以下步骤：

-安装上文所述的测量装置，

-在测量装置周围倒入液相结构，以便嵌入测量装置，

-在结构凝固阶段，从测量装置收集系统的测量值；因此在经受倾倒材料阶段时能够确保测量的正确定位和正确定向。

某些实施还提供了下文所述的优点。

本发明的装置通过在低侵入性且不太昂贵的结构内组合测量工具来提高测量的可靠性，所述结构要容纳在监测其演变的材料之中；并且是由确保把测量值很好地传递到检测器的材料制成的。

提高测量质量与测量体积中变形的精确局部知识有关，因此需要了解该体积中任何点的应变张量。应变张量的分量可以用3x3矩阵表示。

张量的对称性意味着它可以完全由六个独立的分量确定。通过在测量体积内展开多个单轴传感器，可以在若干个点针对给定方向上测量这些变形。根据一个实施例，通过将变形传感器集成在合适的测试体中，本发明的装置使之能够测量与本发明装置的体积内的应变张量的分量有关的值，与结构的体积相比，认为该体积较小。

本发明的装置结合多个包括传感器的测试体，然后允许同时测量与应变张量相关的多个值。通过在支架中放置最少六个朝向六个空间方向定向的测量元件，同时估计应变张量的六个独立分量便变得可能。

附图说明

参考附图，从以下对作为非限制性实例列出的某些实施例的描述中，本发明的其它特征和优点将显而易见。

在附图中：

-图1是位于结构的一部分之中的测试体的视图，光学测量光纤位于连接到结构外部的单轴测试体中，具有用于刺激光学测量光纤的工具以及用于把信号从光学测量光纤传递到能够进行计算的电子装置的工具，

-图2显示了具有测量光纤的测试体的一个实例，

-图3是包括十四个腿的立方体形支架的透视图，其中两个腿装有具有测量光纤的测试体，

-图4是包括九个腿的立方体形支架的透视图，其中六个腿装有具有测量光纤的测试体，

-图5是显示了位于结构一部分之中的图4的支架的视图，以及

-图6a和图6b是在结构内安装测量装置的步骤。

具体实施方式

在各图中，相同标号指代相同或相似元件。

图1按照图示显示了结构1的一部分，想要确定所述结构的机械原因的变形。优选地，希望确定结构1在非常早期经受的机械变形。结构的“非常早期”是指结构1的凝固阶段开始与结束之间的时间。例如，结构1是比如土木工程结构这样的刚性结构，尤其是由混凝土制成的，其中某些地方适当的掏空和/或加固。在结构1由混凝土构成的情况下，凝固步骤包括凝结步骤和固化步骤，在所述凝结步骤过程中，组分的混合物变硬并开始加强，在所述固化步骤过程中，材料从柔性状态转变为刚性状态并且获得其强度。

作为选择，结构1可由聚合材料制成，比如通过干燥随时间硬化的树脂。

结构1容纳下文参照图2所述的至少一个测试体5。此外，可将仪器区域4安装在结构1外。在图1的实例中，提供了两个仪器区域4。

配备图1的结构的测量装置包括放置在结构1的一部分之中的测试体5。尤其是，把测试体5的外围18固定到结构1的内围，以便把结构1经受的变形传递到测试体5。测试体5沿着其整个外围18整体固定到结构1(用于连接到测量光纤7的位置除外，如下文所述)。

如图2中可见，测试体5可以是单轴的。测试体5由单个部件构成。测试体5包括在第一端5a与第二端5b之间延伸的连续主体51。测试体5可由特别适合把变形从结构1传递到测量光纤7的材料制成(下文将对此进行说明)。测试体最好是均质的，而且没有间断。测试体5可由软塑料或任何柔性材料制成，以便能够从凝固阶段开始时起测量内生变形。此外，降低了由于裂纹的形成而导致削弱结构1的风险。例如，测试体5的刚性介于2至5吉帕斯卡(gpa)之间。测试体5的刚性和尺寸能够确定刚度。测得的刚度是测试体5的轴向刚度。测试体5的刚性标准很重要，因为把结构1的变形传递到所述测试体5，然后所述测试体将其传递到测量光纤7。2至5吉帕斯卡之间的刚性使测试体5能够保护测量光纤7，与此同时保持所进行的测量的高水平精度。

用于选择测试体5材料的附加标准可能涉及到耐用度、毒性或成本。

测试体5的主体51可以被至少一个通道6穿透，所述通道在测试体5的第一端5a与第二端5b之间纵向延伸。

可选地，测试体包括5凸缘54，所述凸缘适合改进测试体与结构1的锚固。凸缘54围绕主体51延伸，并且可大致呈圆形或大致呈方形。作为选择，测试体5可包括第二个凸缘54。每个凸缘42都被通道6穿透。

可选地，测试体5可包括凸耳55，所述凸耳适合改进测试体与结构1的锚固。凸耳55在与主体51成为一体的第一端55a与第二自由端55b之间径向地延伸到测试体5的主体51。凸耳55可以是直的。作为选择，凸耳55可呈曲线形状。可选地，第二端55b可呈钩状。

可选地，测试体5可包括多个凸耳55。每个凸耳55的第一端55a最好与测试体5的主体51的第一端5a或第二端5b成为一体。

测量装置包括在通道6内延伸的测量光纤7。尤其是，一部分71测量光纤7在通道6内延伸。此外，测量光纤7的至少一部分71固定到测试体5的内部，以至于把测试体经受的变形传递到测量光纤7。例如，测量光纤7的至少一部分71粘附到通道6的内部。作为选择，测试体5不包括通道6，而且测量光纤7的至少一部分71嵌入所述测试体5内，例如通过将测量光纤7与测试体5包覆成型。例如，可以通过在测试体5处于静止时，在测量光纤7上施加预应力的轻微牵引力完成如此附接，以至于无论测试体5上负载如何，光纤都保持拉紧。例如，由测试体5和测量光纤7构成的组件的刚性介于2至5吉帕斯卡(gpa)之间。由测试体5和测量光纤7构成的组件的刚性和尺寸使之能够确定组件的刚度。测得的刚度是组件的轴向刚度。轴向刚度的含义是沿着嵌入测试体5中的测量光纤7的轴测量的刚度。

例如，提供连续光纤8，所述光纤从仪器区域4延伸到结构1内部到通道6，在通道6内，然后在结构1内部到其它仪器区域4。例如，光纤8由二氧化硅制成。光纤8可以是单模或多模。

与测试体5成为一体的测量光纤7的至少一部分71沿着指定轴的方向在所述测试体5内线性延伸。相比之下，在结构1的壁2与测试体5之间延伸的测量光纤7的部分72按照任何适当的方向延伸，尤其是为了适应结构1的自然通道。

提供用于在测试体5处确定结构1的应力或变形的测量装置。测试体5中测量光纤7的至少一部分71的光学特性依赖于在其上施加的变形。例如，测量光纤7的至少一部分71包括有源区域77，例如，与测试体5的第一端5a和第二端5b等距。有源区域77可以与测试体5的两个凸缘54等距。

有源区域77具有弹性光学特性，换言之，其光学传递取决于其沿着光纤7轴的张力。更具体而言，有源区域77可配备光学量规。光学量规是以单模光纤8中包括的干涉仪信号为基础的机械变形传感器。

例如，光学量规可以是能够根据施加在测量光纤7的部分71上的机械应力变形的布拉格光栅。更具体而言，布拉格光栅是通过有源区域77内的测量光纤7上的光刻区域来实现的，并且能够变形，以跟随施加在测量光纤7的部分71上的机械成因的变形。

结构1的任何变形都通过测试体5传递到布拉格光栅。该布拉格光栅于是改变它从适当刺激装置接收的光。所述光通过光纤8返回到采集系统10，并且以如此改变的光为基础通过计算单元11确定结构1的变形。

作为选择，配备有源区域77的光学量规可以是应变计。

作为选择，配备有源区域77的光学量规可以是法布里-珀罗腔。

可选地，由测试体5和测量光纤7构成的组件的刚性可介于2至5吉帕斯卡之间。组件的刚性及尺寸使之能够确定组件的刚度。测得的刚度是组件的轴向刚度。

虽然本说明主要参照有关光学测量光纤的实施例列出，但是在本发明的范围内可以设想其他测量光纤技术。

测量装置还包括测试系统，所述测试系统包括刺激装置9，其能够按照测量光纤7的方向发出光学信号。通过从刺激装置9延伸到测试体5的光纤8的部分8a传递该信号。测量装置还包括采集系统10，其能够检测来自测量光纤7的光学信号。通过从测试体5延伸到采集装置10的光纤8的部分8b传递该信号。光纤8的使用大大减少了信息丢失，而且光纤8可以承受比如闪电、高压电缆等电磁环境。因此可以把采集装置10放置在数千米(高达15千米)之外。

作为选择，单个集成系统既可以执行刺激，又可以执行采集。因此，所以检测到的不是穿过光纤8传输的光学信号，而是该信号的反射。

测量装置还包括计算单元11。例如，在比如计算机或其它可编程机器的印刷电路中实现该计算单元11，而且所述计算单元能够处理由采集系统10检测到的信号，下文将对此进行更详细的说明。

计算单元11可以处理信息，比如储存在存储器12中的数据，与采集装置10检测到的信号相对应，从而确定在测量光纤7的部分71处由结构1经受的变形。如果测量光纤7的部分71固定在测试体5中，变形则与沿着测量光纤7的部分71的轴的平均变形相对应。

如果与结构的尺寸相比，测试体5的尺寸较小(在土木工程中通常就是这种情况，例如，测试体5的尺寸约为0.5厘米至10厘米之间，而结构的尺寸至少等于一米，有时大于10米乃至100米)，在结构1的比例获得局部测量。

计算单元11也能够根据光纤8中的变形在测量光纤7的部分71的位置确定结构1中的收缩变形。计算单元11可具有储存在存储器中的表，其包含测试体5的力学性能。所述性能通常包括针对材料每个主方向的弹性模量，或者该参考系统中的一个或多个泊松比，在适当的情况下根据一定数量的外部参数(温度等)。将适当等式编程到计算单元11中。

在单轴测试体5中有单个测量光纤的这个实例中，测得的变形可能与沿着测试体5的方向的平均张力状态(牵引或压缩)相关联。

在力学方面，空间被认为具有六个维度。所述维度是主轴的三个维度以及与这些轴对相关的三个维度。因此，如图5中所示，测量装置可包括多个测试体5，最好包括六个测试体5。

测量装置进一步包括支架3。支架3由在第一端31a与第二端31b之间延伸的多个单轴腿31构成。例如，其中一个腿31的第一端31a与第二端31b之间的距离介于10至100毫米之间，最好在20至60毫米之间。每个腿31可大体呈圆柱形，例如，其直径约为4至12毫米。每个腿31可由柔性材料制成，最好为塑料，而且其刚性介于2至5吉帕斯卡之间。每个腿31的表面于是具有不规则突出，所述突出相对于腿的轴倾斜，或者具有不规则凹处，以便有助于腿31粘附在结构1内。

支架的每个腿31通过第一端和第二端31a和31b之中一端连接到支架3的至少另一个腿31。如图3中所示，多个相互连接的腿31给出支架3的大体立方体形状。

支架3的立方体形状使之能够进一步把测量装置的侵入性降到最低，从而避免形成会导致结构1开裂的应力集中，从而得到相关测量。支架3的立方体形状还有助于在倾倒结构的步骤中把支架3包括在结构1中，从而很好地控制支架3的定向。

支架3包括最少六个腿31以及最多十五个腿31。

支架3的至少一个腿31包括测试体5。

可选地，按照单独方向延伸的支架3多个腿31中的至少三个腿31包括三个测试体5。三个腿31分别沿着第一个方向x、沿着垂直于第一个方向x的第二方向y以及沿着垂直于第一个方向x和第二个方向y的第三个方向z延伸。每个所述腿31包括最多一个测试体5。

通过执行三次独立测量，可以直接确定支架3处结构1中的应变张量的三个分量。

这三个分量的总和追踪应变张量，从而获得体积收缩。

可选地，支架3的多个腿31中的至少三个附加腿31包括三个附加测试体5。于是，结构包括六个测试体5。三个附加腿31分别沿着第四个方向xy、沿着第五个方向yz以及沿着第六个方向xz延伸，所述第四个方向xy在包括第一个方向x和第二个方向y的第一个平面(x；y)内，所述第五个方向yz在包括第二个方向y和第三个方向z的第二个平面(y；z)内，所述第六个方向xz在包括第一个方向和第三个方向z的第三个平面(x；z)内。包括这六个测试体5的支架3是三维的。

通过获得六个独立测量，如图4所示，可以得到六个数据项，所述数据项使之能够确定在放置支架3的位置处的结构1中应变张量的六个分量。

此外，多个腿31之中的一个腿可包括温度传感器35。温度传感器35可由测量光纤7承载。在与一定温度下的变形传感器(应变计、布拉格光栅或法布里-珀罗腔)的敏感性相关的测量校正中可以考虑所述温度。

每个腿31可以被至少一个通道36穿透，所述通道在腿31的第一端31a与第二端31b之间纵向延伸。在腿31装有测试体5的情况下，腿31的通道36以及测试体5的通道6至少部分重合。

测量光纤7的至少一部分71在通道36内延伸。测量光纤7的至少一部分71固定到多个腿31的内部，以至于把支架3的每个腿31经受变形传递到测量光纤7。例如，测量光纤7的至少一部分71通向通道36的内部。

测量光纤7是连续的，并且至少穿过支架3的所有腿31的一部分，以便形成图5中所示的环。测量光纤7进入支架3的部分因此与离开支架3的测量光纤7相邻，以便把测量装置的侵入性降到最低。光纤8的使用使之能够复用测量光纤7，所述测量光纤包括沿着测量光纤7放置的多个传感器(布拉格光栅、应变计、法布里-珀罗腔、温度传感器等)。测量光纤7可以在支架3的多个腿31中的所有腿31内运行。

在图4所示的实例中，支架3包括九个腿31、六个测试体5以及一个温度传感器35。

因此可以按照以下方式实施并使用刚刚所述的测量装置：模具100，其包括在其壁102中的一个或两个开口101，用结构1的组成材料部分地填充所述模具(图6a)。材料处于液态或粘性状态。把支架3放在模具100中的材料的表面上，并且按照预期的方向定向(图6b)。测量光纤7的两个部分72通过一个或两个开口101旋入，并且分别连接到刺激装置9和采集系统10。然后，把支架3嵌入液态形式的结构1的组成材料中。

一旦凝固阶段开始，例如激光这样的刺激装置9便把光学信号发射到光纤8中。光学信号沿着光纤8通过测量光纤7传播，其中，根据测量光纤7经受的变形对其进行调制。调制的光学信号沿着光纤8b传输到采集系统10，在此对信号进行检测，然后将其储存在计算单元的存储器12中。计算单元处理信息，以便确定支架3处的结构1中变形。

可以随着时间的推移重复该测试，例如周期性地重复。因此，计算单元能够从结构1的最早期开始监测局部内生变形随着时间的变化。在所检测到的变形与预定的变形的比较不符合要求的情况下，计算单元可以偶接到警报装置。

因此可以映射应变张量，而且，当然可以在结构1凝结过程中或之后监测所述变形随着时间的演变，像单个局部传感器的情况一样。