基于光纤光栅的微渗流检测装置及制备方法

1.本发明涉及水利工程技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅的微渗流检测装置及制备方法。


背景技术：

2.在水利建设工程中，渗流问题对于大坝的安全来说至关重要，因此需要实时监测大坝内部是否存在渗流现象，现有的检测方法一般通过渗压计等传统的传感器获取渗流数据并将渗流数据转变为电压信号或电流信号，随后通过采集设备对这些转变为电压信号或电流信号的渗流数据进行存储和分析，但是，渗压计等传统的传感器的灵敏度有限，无法检测微渗流现象，即无法第一时间发现大坝内部的渗流现象，导致大坝内部的渗流现象在被渗压计等传统的传感器检测到并反馈给工作人员之前持续恶化，增加了溃坝的风险。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种基于光纤光栅的微渗流检测装置，具有较高的灵敏度，从而能够检测微渗流现象，有利于第一时间发现大坝内部的渗流现象，以便于工作人员及时对大坝进行维护，从而有利于降低溃坝的风险。
4.本发明还提出一种应用于上述基于光纤光栅的微渗流检测装置的制备方法。
5.根据本发明的第一方面实施例的基于光纤光栅的微渗流检测装置，包括：外壳，所述外壳内具有容纳腔，所述容纳腔内设置有分隔件，所述分隔件将所述容纳腔分隔为相互独立的第一腔室和第二腔室，所述外壳上间隔设置有多个连通于所述第二腔室的通孔；光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器设置于所述第一腔室内；粉剂，所述粉剂设置于所述第二腔室内，所述粉剂溶解于水时能够吸收大量的热量，所述容纳腔的内壁对应所述第二腔室的部分设置有能够供水流通过的防漏层，所述防漏层能够限制所述粉剂由所述通孔撒漏。
6.根据本发明实施例的基于光纤光栅的微渗流检测装置，至少具有如下有益效果：岩土体中的渗流场与温度场会相互作用、相互影响，使双场耦合到达某一动平衡状态，形成温度场影响下的渗流场以及渗流场影响下的温度场，其中，渗流场对温度场的影响更为明显，当大坝内部发生渗流时，会引起渗流区域原有的温度场的改变，渗流区域水流的流速越大，渗流区域温度场的变化越大。当光纤光栅传感器所处的区域未发生渗流现象时,光纤光栅传感器周围的温度场处于稳定状态，当光纤光栅传感器所处的区域发生渗流现象时，水流通过所述壳体上的通孔以及所述防漏层进入所述第二腔室内，所述粉剂溶解于进入所述第二腔室内的水并吸收大量的热量，使得光纤光栅传感器周围的温度发生较大的波动，从而放大了渗流现象所引起的光纤光栅传感器周围的温度场的变化，使得对环境温度的变化较为敏感的光纤光栅传感器能够轻松准确地捕捉到放大后的温度场的变化，从而能够检测微渗流现象，有利于第一时间发现大坝内部的渗流现象，以便于工作人员及时对大坝进行
维护，从而有利于降低溃坝的风险。
7.根据本发明的一些实施例，所述第一腔室内设置有加热装置，所述加热装置用于使所述光纤光栅传感器周围的温度动态维持在预设值。
8.根据本发明的一些实施例，所述加热装置包括电热丝和温度开关，所述电热丝用于与外部电源相连，所述温度开关与所述电热丝串联。
9.根据本发明的一些实施例，多个所述通孔均匀分布于所述第二腔室的周侧。
10.根据本发明的一些实施例，所述粉剂为硝酸铵。
11.根据本发明的一些实施例，所述外壳包括外壳主体、上盖和下盖，所述外壳主体的顶部和底部均设置有连通于所述容纳腔的开口，所述上盖可拆卸地设置于所述外壳主体顶部的开口处，所述下盖可拆卸地设置于所述外壳主体底部的开口处，所述分隔件为仅顶部开口的圆筒状结构，所述分隔件的顶部连接于所述上盖，所述分隔件与所述上盖围合形成所述第一腔室，所述光纤光栅传感器设置于所述分隔件的内壁上，所述通孔设置于所述外壳主体上。
12.根据本发明的一些实施例，所述分隔件由金属制成。
13.根据本发明的一些实施例，所述分隔件由不锈钢制成。
14.根据本发明的一些实施例，所述外壳由聚乳酸制成。
15.根据本发明的第二方面实施例的制备方法，其应用于根据本发明上述第一方面实施例的基于光纤光栅的微渗流检测装置，包括以下步骤：采用3d打印技术制备所述外壳。
16.根据本发明实施例的制备方法，至少具有如下有益效果：采用3d打印技术制备所述外壳，有利于降低制备难度，从而有利于提高制备效率，进而有利于缩短制备周期。
17.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
18.本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
19.图1是本发明实施例的基于光纤光栅的微渗流检测装置的结构示意图；
20.图2是本发明实施例的基于光纤光栅的微渗流检测装置的剖视示意图。
21.附图标记：
22.外壳100、外壳主体110、通孔111、上盖120、下盖130、分隔件200、第一腔室300、第二腔室400、光纤光栅传感器500、防漏层600、电热丝700、温度开关800。
具体实施方式
23.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
24.在本发明的描述中，需要理解的是，如果涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构
造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
25.在本发明的描述中，如果出现若干、大于、小于、超过、以上、以下、以内等词，其中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。
26.在本发明的描述中，如果出现第一、第二等词，只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
27.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
28.参照图1和图2，根据本发明的实施例的基于光纤光栅的微渗流检测装置，包括外壳100、光纤光栅传感器500和粉剂(图中未示出)。
29.外壳100内具有容纳腔，容纳腔内设置有分隔件200，分隔件200将容纳腔分隔为相互独立的第一腔室300和第二腔室400，外壳100上间隔设置有多个连通于第二腔室400的通孔111，具体的，外壳100呈圆柱体，当然，外壳100也可以呈长方体，在此不作限定，光纤光栅传感器500设置于第一腔室300内，外壳100上设置有连通于第一腔室300并用于穿设光纤光栅传感器500的光纤尾纤的第一布线孔(图中未示出)，粉剂设置于第二腔室400内，粉剂溶解于水时能够吸收大量的热量，容纳腔的内壁对应第二腔室400的部分设置有能够供水流通过的防漏层600，防漏层600能够限制粉剂由通孔111撒漏，具体的，防漏层600为透水薄膜，当然，防漏层600也可以为无纺布，在此不作限定。
30.岩土体中的渗流场与温度场会相互作用、相互影响，使双场耦合到达某一动平衡状态，形成温度场影响下的渗流场以及渗流场影响下的温度场，其中，渗流场对温度场的影响更为明显，当大坝内部发生渗流时，会引起渗流区域原有的温度场的改变，渗流区域水流的流速越大，渗流区域温度场的变化越大。当光纤光栅传感器500所处的区域未发生渗流现象时,光纤光栅传感器500周围的温度场处于稳定状态，当光纤光栅传感器500所处的区域发生渗流现象时，水流通过壳体上的通孔111以及防漏层600进入第二腔室400内，粉剂溶解于进入第二腔室400内的水并吸收大量的热量，使得光纤光栅传感器500周围的温度发生较大的波动，从而放大了渗流现象所引起的光纤光栅传感器500周围的温度场的变化，使得对环境温度的变化较为敏感的光纤光栅传感器500能够轻松准确地捕捉到放大后的温度场的变化，从而能够检测微渗流现象，有利于第一时间发现大坝内部的渗流现象，以便于工作人员及时对大坝进行维护，从而有利于降低溃坝的风险。
31.需要说明的是，在其中的一些实施例中，第一腔室300内设置有加热装置，加热装置用于使光纤光栅传感器500周围的温度动态维持在预设值。当未发生渗流时，通过加热装置使光纤光栅传感器500周围的温度保持动态平衡，有利于减少环境温度对光纤光栅传感器500的影响，从而有利于提高检测结果的准确性，当光纤光栅传感器500所处的区域发生渗流现象时，水流通过壳体上的通孔111以及防漏层600进入第二腔室400内，粉剂溶解于进入第二腔室400内的水并吸收大量的热量，使得光纤光栅传感器500周围的温度发生较大的波动，从而能够在短时间内破坏上述的动态平衡，基于此，利用对环境温度的变化较为敏感的光纤光栅传感器500能够轻松准确地判断出光纤光栅传感器500所处的区域是否发生了
渗流现象。
32.参照图2，在其中的一些实施例中，加热装置包括电热丝700和温度开关800，电热丝700用于与外部电源相连，温度开关800与电热丝700串联，外壳100上设置有连通于第一腔室300并用于穿设导线的第二布线孔(图中未示出)，其中，电热丝700不与光纤光栅传感器500相接触，具体的，温度开关800为ksd9700系列温控开关。当光纤光栅传感器500周围的温度低于预设值时，温度开关800能够接通电热丝700与外部电源所形成的回路，以使电热丝700得电并进行加热，当光纤光栅传感器500周围的温度高于预设值时，温度开关800能够断开电热丝700与外部电源所形成的回路，以使电热丝700断电，从而使电热丝700停止加热。
33.需要说明的是，在其中的一些实施例中，所有的通孔111均匀分布于第二腔室400的周侧，以使上述的基于光纤光栅的微渗流检测装置能够检测各个方向的渗流现象。
34.需要说明的是，在其中的一些实施例中，粉剂为硝酸铵，硝酸铵极易溶于水，且溶解于水时能够吸收大量的热量，当然，粉剂也可以为硝酸钠，在此不作限定。
35.参照图1和图2，在其中的一些实施例中，外壳100包括外壳主体110、上盖120和下盖130，外壳主体110的顶部和底部均设置有连通于容纳腔的开口，上盖120可拆卸地设置于外壳主体110顶部的开口处，下盖130可拆卸地设置于外壳主体110底部的开口处，分隔件200为仅顶部开口的圆筒状结构，分隔件200的顶部连接于上盖120，分隔件200与上盖120围合形成第一腔室300，光纤光栅传感器500设置于分隔件200的内壁上，从而能够对光纤光栅传感器500进行保护，通孔111设置于外壳主体110上，第一布线孔和第二布线孔均设置于上盖120上，上述的结构便于装配，而且便于更换粉剂以重复利用。
36.需要说明的是，在其中的一些实施例中，上盖120和下盖130可以通过卡接结构或者螺纹结构连接于外壳主体110，也可以通过螺钉连接于外壳主体110，在此不作限定。
37.需要说明的是，在其中的一些实施例中，分隔件200由金属制成，以使分隔件200具有较好地导热性能，以便于光纤光栅传感器500更好地捕捉到周围的温度场的变化，有利于提高上述的基于光纤光栅的微渗流检测装置的灵敏度。
38.需要说明的是，在其中的一些实施例中，分隔件200由不锈钢制成，以使分隔件200具有防腐蚀的效果，有利于延长上述的基于光纤光栅的微渗流检测装置的使用寿命。
39.需要说明的是，在其中的一些实施例中，外壳100由聚乳酸(即pla材料)制成，废弃后易于降解，有利于减少环境污染。
40.根据本发明的实施例的制备方法，其应用于上述的基于光纤光栅的微渗流检测装置，包括以下步骤：采用3d打印技术制备外壳100。
41.采用3d打印技术制备外壳100，有利于降低制备难度，从而有利于提高制备效率，进而有利于缩短制备周期。
42.在本说明书的描述中，如果涉及到“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”以及“一些示例”等参考术语的描述，意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
43.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不
脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。