一种基于光纤传感的无应力计的制作方法

本实用新型涉及测量混凝土自生体积变形的无应力计技术领域，尤其涉及一种基于光纤传感的无应力计。

背景技术：

高混凝土坝的失事风险本质上讲是由于坝基或坝体的应力超过材料的强度造成的，因此对大坝进行应力应变监测十分必要。在大体积混凝土构筑物的应力应变观测中，一般采用无应力计来测量除外力作用下的由于混凝土自身物理化学因素及温度湿度变化引起的变形，这部分非外部应力产生的变形也被称为自由体积变形。进一步讲，无应力计测得的变形包括四部分：(1)混凝土在恒温绝湿和不受外力作用条件下，仅仅由于混凝土自身物理化学因素引起的变形，即自生体积变形；(2)由于温度的改变引起的混凝土膨胀收缩变形，即自由温度变形；(3)由于混凝土内温度分布的不均匀产生温度应力，即温度应力变形；(4)由于混凝土试件内湿度的变化引起的体积变形，即湿度变形。

混凝土自生体积变形的计算一般是通过无应力计测量出试件的自由体积变形然后扣除混凝土的自由温度变形、温度应力变形以及湿度变形。自由温度变形是根据短时间内温度下降所产生的体积变形求出；湿度变形由于无应力套桶及混凝土本身的导湿性较低一般忽略不计；温度应力变形，由于当前的设备未能实现多点测温，无法建立混凝土试件内的温度梯度变化，因此常常为监测人员所忽略。

目前混凝土自生体积变形的室内试验一般按照《水工混凝土试验规程》(S L352-2006)的有关规定进行，工程现场采用同样的双层套桶装置埋设在混凝土结构中，中心垂直向埋设应变计。

室内试验可以很好的控制试件所处的温度及湿度状况，但在工程现场很难全面了解无应力计所处环境的温度场情况，尤其在大坝工程中，坝体内温度分布常常不均匀，这种不均匀会使混凝土产生温度应力变形，此时，很难从测量结果中分辨出该变形是由于温度应力产生的还是自生体积变形产生的，这经常造成测量结果出现波动和不规律的变化。另外，常规无应力计中采用的振弦式应变计只能感测一个应变值和一个温度值，无法获得无应力桶内混凝土的三维应变分布的监测结果，因此对于传统无应力计的测量结果常认为与外力没有关系，但桶内的混凝土与周围的混凝土接触的敞口区域必然存在一定的应力过渡区，该过渡区的影响范围目前无法确定，因此应变计的测量结果可能会受到影响，目前《水工混凝土试验规程》(S L352-2006)推荐的设备无法评估其影响程度。

为更准确的了解混凝土的自生体积变形，有必要全面了解无应力套桶内混凝土试样的三维温度和应变信息，光纤传感技术的日趋成熟，可以为无应力计装置的改进提供帮助。首先光纤传感器具有很高的灵敏度，完全可以满足测量的需要；其次分布式光纤传感技术可以实现分布式测量，光纤上每一点的温度、应变均可获得，空间分辨率可达1mm；最后光纤本身很纤细，很容易植入混凝土结构中而不对结构产生影响。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于光纤传感的无应力计，利用该无应力计能够获得可靠的混凝土自生体积变形数据。

本实用新型提供一种基于光纤传感的无应力计，包括内桶、外桶和光纤传感器，所述内桶和外桶均为顶端敞口的中空结构，所述内桶套设在外桶的内部，所述内桶的顶端边缘向外延伸连接延伸部，所述延伸部与外桶的顶端边缘接触连接，所述内桶的桶壁上开设若干第一小孔，所述延伸部上开设两个对称的第二小孔，所述光纤传感器先穿过一个第二小孔到达内桶和外桶之间，然后依次穿过所有的第一小孔，最后从另一个第二小孔穿出，所述光纤传感器用来测量内桶内盛放的混凝土的温度和应变信息。

进一步地，所述第一小孔和第二小孔处均安装隔水塞，所述隔水塞包括螺栓和与其配合连接的螺母，所述螺栓插入第一小孔或第二小孔后被螺母紧固，所述螺栓的中心开设通孔，所述通孔允许光纤传感器穿过。

进一步地，所述通孔与光纤传感器之间填充环氧树脂胶，所述环氧树脂胶密封和固定光纤传感器。

进一步地，所述光纤传感器包括光纤温度传感器和光纤应变传感器，所述光纤温度传感器用来测量内桶内盛放的混凝土的温度信息，所述光纤应变传感器用来测量内桶内盛放的混凝土的应变信息。

进一步地，所述光纤温度传感器和光纤应变传感器均被封装在护套内，所述光纤温度传感器被放置在空心管内，所述光纤温度传感器能在空心管内活动，所述空心管与护套贴合，所述光纤应变传感器直接与护套贴合。

进一步地，位于所述内桶的内部的光纤传感器呈线性伸直状态，位于所述内桶的外部的光纤传感器呈自由伸展状态。

进一步地，所述内桶的顶端与外桶的顶端齐平，所述内桶的高度小于外桶的高度，所述内桶的外径小于外桶的内径。

进一步地，所述内桶的刚度小于外桶的刚度。

本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型提供的基于光纤传感的无应力计通过外桶和内桶的设计，在发生外力挤压时，外桶可以起到支撑保护内桶的作用，外桶的轻微变形也不会影响到内桶，内桶发生变形时亦不影响外桶；本实用新型提供的基于光纤传感的无应力计在内桶中混凝土发生自由体积变形时，埋设在其中的光纤传感器可以感测出其不同位置的应变及温度信息，获得桶内混凝土应变和温度的三维分布信息，进而更准确的分析混凝土的自生体积变形；本实用新型提供的基于光纤传感的无应力计通过设置隔水塞，能够在光纤传感器穿过内桶和其延伸部时阻止浆液渗漏以及固定光纤传感器的作用。

附图说明

图1是本实用新型一种基于光纤传感的无应力计的结构示意图。

图2是本实用新型一种基于光纤传感的无应力计的横截面示意图。

图3是本实用新型一种基于光纤传感的无应力计的螺栓的主视图。

图4是本实用新型一种基于光纤传感的无应力计的螺栓的左视图。

图5是本实用新型一种基于光纤传感的无应力计的螺母的左视图。

图6是本实用新型一种基于光纤传感的无应力计的光纤传感器的横截面示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地描述。

请参考图1和图2，本实用新型的实施例提供了一种基于光纤传感的无应力计，包括内桶1、外桶2和光纤传感器3，内桶1和外桶2的形状可以为圆柱状、圆台状、长方体状等，内桶1和外桶2均为顶端敞口的中空结构，内桶1位于外桶2的内部，内桶1的顶端边缘向外延伸连接延伸部11，延伸部11与外桶2的顶端边缘通过焊接密封，内桶1的顶端与外桶2的顶端齐平，内桶1的高度小于外桶2的高度，内桶1的外径小于外桶2的内径使得内桶1与外桶2之间有一定的间距，内桶1的刚度远小于外桶2的刚度。

外桶2可以选用强度与刚度均较大的材料，使得外桶2具有一定的抗挤压与抗形变能力，高围压下变形不损坏。

内桶1选用刚度较小的材料，内桶1的内壁可以为平滑曲面也可以为波纹曲面，内桶1的桶壁上可喷涂或粘贴具有一定厚度的柔性防水材料，柔性防水材料既可以吸收混凝土自由体积变形带来的体积空间变化，也可以为内桶1内的混凝土保湿。

内桶1的桶壁上开设若干第一小孔12，延伸部11上开设两个对称的第二小孔13，两个第二小孔13以内桶1的顶端的中心为对称中心，第一小孔12和第二小孔13处均安装隔水塞4。

参考图1、图3、图4和图5，隔水塞4包括螺栓41和与其配合连接的螺母42，螺栓41的中心开设通孔411，通孔411的长度等于螺栓41的长度，通孔411贯穿整个螺栓41，通孔411允许光纤传感器3穿过，螺栓41插入第一小孔12或第二小孔13后被螺母42紧固，第一小孔12和第二小孔13的尺寸与螺栓41的螺杆部分的尺寸相适配，螺母42位于内桶1的外壁，螺栓41与螺母42之间设有两个止水垫片43，两个止水垫片43分别位于内桶1的桶壁的内侧和外侧。

光纤传感器3可以为光纤光栅传感器或分布式光纤传感器；光纤传感器3具有探测温度和应变的能力；光纤传感器3的探测技术可以是基于多种光学原理包括光纤布拉格光栅、布里渊光时域反射技术(BOTDR)、布里渊光时域分析技术(BOTDA)、布里渊频域分析技术(BOFDA)等。

参考图6，光纤传感器3包括光纤温度传感器31和光纤应变传感器32，光纤温度传感器31用来测量内桶1内盛放的混凝土的温度信息，光纤应变传感器32用来测量内桶1内盛放的混凝土的应变信息，光纤温度传感器31和光纤应变传感器32均被封装在护套5内，光纤温度传感器31被放置在空心管6内，且光纤温度传感器31可以在空心管6内自由活动，空心管6与护套5紧紧贴合在一起，光纤应变传感器32直接与护套5紧紧贴合在一起，护套5内植入了增强筋7以增加光纤传感器3的抗拉强度，护套5的表面设有花纹51，花纹51可以增加护套5与混凝土的接触摩阻力，能够使应变传递更有效。

利用本实用新型提供的无应力计监测混凝土的自生体积变形时，当内桶1和外桶2均为圆柱体时，如图1所示，先在内桶1的高1/4、1/2、3/4部位打三个第一小孔12，然后绕内桶1的桶壁每隔90°打一排同样的第一小孔12，再在内桶1的延伸部11上对称打两个第二小孔13，将隔水塞4的螺栓41插入到相应的第一小孔12和第二小孔13内，然后利用螺母42紧固，再将被封装在护套5内的光纤传感器3首先穿过延伸部11上的一个隔水塞4到达内桶1和外桶2之间的孔隙内，再按照一定的顺序规则依次穿过内桶1的桶壁上的所有隔水塞4，最后从延伸部11上的另一个隔水塞4穿出，应保证内桶1的内部的光纤传感器3处于线性伸直状态，内桶1的外部的光纤传感器3为自由伸展状态，从而构成了一个能够监测内桶1内的混凝土内部各部位温度及应变的监测网；在所有螺栓41的通孔411内填充环氧树脂胶，环氧树脂胶对光纤传感器3起密封和固定作用，待环氧树脂胶固结之后将内桶1整个放入外桶2中，对延伸部11和外桶2的顶端边缘进行密封焊接，形成了一个完整的基于光纤传感的无应力计，将与工程施工采用的同样规格的混凝土剔除大于40mm直径的颗粒后倒入内桶1中，并轻轻振捣均匀，将该无应力计放入工程相应位置，进行长期监测，多个基于光纤传感的无应力计可以进行串联测量，通过一次测量即可获得所有基于光纤传感的无应力计的监测结果。

内桶1内的光纤传感器3可以同时获得混凝土结构体内各点的温度及应变信息，可用于鉴别混凝土应变的原因，分离干扰因素，获得较为可靠的混凝土自生体积变形数据，例如：当测得内桶1内的混凝土温度均匀，但内桶1内的混凝土上部应变大，下部基本没有应变，则说明这部分应变是由于外部混凝土应力传递造成的；当混凝土存在某一方向的温度梯度，并同时显示该方向应变差异较大，则说明这种应变受温度应力变形影响较大，应尽量选择温度梯度较小的方向的应变值并剔除自由温度变形的值后获得混凝土自生体积变形量。

本实用新型提供的基于光纤传感的无应力计通过外桶2和内桶1的设计，在发生外力挤压时，外桶2可以起到支撑保护内桶1的作用，外桶2的轻微变形也不会影响到内桶1，内桶1发生变形时亦不影响外桶2；本实用新型提供的基于光纤传感的无应力计在内桶1中混凝土发生自由体积变形时，埋设在其中的光纤传感器3可以感测出其不同位置的应变及温度信息，获得混凝土试件应变和温度的三维分布信息，求取更准确的混凝土自生体积变形信息；本实用新型提供的基于光纤传感的无应力计通过设置隔水塞4，能够在光纤传感器3穿过内桶1和其延伸部11时阻止浆液渗漏以及固定光纤传感器3。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。