一种高聚物光纤基质吸力传感器、系统、制作方法及测定方法

本发明涉及岩土工程，尤其是涉及一种高聚物光纤基质吸力传感器、系统、制作方法及测定方法。

背景技术：

1、自然界中大部分的土体均为非饱和状态，与仅存在固-液的二相体即饱和土不同，非饱和状态的土是固-液-气的三相体，除了具有饱和土的一些特性外，非饱和土存在气-液分界面即收缩膜，收缩膜内外应力之差即为基质吸力。基质吸力是非饱和土中最为重要的参数之一，也是研究非饱和土的重要工具。基质吸力会影响非饱和土体的强度、变形与渗流，几乎贯穿了非饱和土研究的全部问题，例如降雨使边坡土体饱和度增加，基质吸力降低导致发生滑坡，给人类的生命财产安全带来危害。因此，对基质吸力的研究，一直是非饱和土体特性研究的核心。

2、基质吸力作为气-液分界面的应力差，难以直接测定。目前，存在许多对非饱和土基质吸力的间接测定方法，例如压力板仪法、张力计法、滤纸法、离心机法、盐溶液气相法等。但这些间接测定方法都存在其一定局限性：如张力计法虽然能够对原状土进行现场测定，但其测定量程很小，基本低于100kpa，即便一些改良后的先进设备也只有500kpa的量程，而对于黄土、膨胀土等一些黏土，基质吸力可达到105kpa以上，张力计无法满足测定要求；压力板仪法或离心机法设备较为昂贵，并且仅能在实验室内进行测定；滤纸法是最为普遍的测定方法，其具有成本较低、结果较为精确、测定范围广等优势，但测定周期通常在14天以上，并且只能在实验室内测定，技术难度也较高。

3、现有技术中，公布号为cn110793940a的中国专利公开了一种基于光纤光栅的土体基质吸力准分布式原位测量方法及装置，该发明运用光纤光栅的温度敏感特征，对脉冲加热的陶土棒进行温度感测，通过棒体的升温曲线来确定温度变化值，从而测量陶土棒的内部饱和度。但该发明采用的光纤光栅的价格比较昂贵，抗压性能一般，抗剪性能较差，不适用于大型土木工程，容易损坏，因此，本发明提供一种高聚物光纤基质吸力传感器、系统、制作方法及测定方法。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高聚物光纤基质吸力传感器、系统、制作方法及测定方法。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供一种高聚物光纤基质吸力传感器，包括第一高聚物光纤、第二高聚物光纤、湿敏薄膜和包层；其中，所述第一高聚物光纤和第二高聚物光纤的顶端均为45°角，二者形成直角三棱镜，所述湿敏薄膜涂覆在所述直角三棱镜上，所述包层分别套在第一高聚物光纤和第二高聚物光纤尾端。

4、进一步地，所述第一高聚物光纤和第二高聚物光纤的材料包括plastic opticalfiber高聚物光纤。

5、进一步地，所述湿敏薄膜的材料包括纳米纤维素、聚酰亚胺、氧化石墨烯。

6、进一步地，所述湿敏薄膜的厚度范围为5～10μm。

7、进一步地，所述直角三棱镜上安装疏水透气的保护壳。

8、第二方面，本发明提供一种高聚物光纤基质吸力传感器制作方法，所述方法用于制作上述所述的高聚物光纤基质吸力传感器，包括以下步骤：

9、步骤s1、将两根高聚物光纤的末端切割为平整的45°角，使其末端紧密贴合，形成直角三棱镜，并用酒精清洁后进行打磨；

10、步骤s2、将湿敏溶液涂抹在干燥的高聚物光纤镀膜机上；

11、步骤s3、通过高聚物光纤镀膜机的纳米喷头将湿敏溶液喷涂在直角三棱镜上，并放置使其干燥；

12、步骤s4、将包层分别套在第一高聚物光纤和第二高聚物光纤尾端，得到高聚物光纤基质吸力传感器。

13、第三方面，本发明提供一种基于高聚物光纤基质吸力传感器的系统，包括上述所述的高聚物光纤基质吸力传感器、高聚物光纤解调仪和计算机；其中，所述高聚物光纤基质吸力传感器尾端与高聚物光纤解调仪连接，所述高聚物光纤解调仪与计算机连接。

14、进一步地，所述高聚物光纤解调仪的型号为：ls3d-d8c。

15、第四方面，本发明提供一种非饱和土基质吸力的实时测定方法，所述方法采用上述所述的系统，包括以下步骤：

16、步骤t1、将所述高聚物光纤基质吸力传感器埋置在非饱和土内；

17、步骤t2、将光信号发出，通过所述第一高聚物光纤，到达所述直角三棱镜，非饱和土发生折射和反射，通过第二高聚物光纤接收经过折射和反射的光信号；

18、步骤t3、分析非饱和土的饱和度与光信号强度、基质吸力的关系。

19、第五方面，本发明提供一种存储介质，其上存储有程序，所述程序被执行时实现本发明提供的一种非饱和土基质吸力的实时测定方法。

20、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

21、(1)本发明提供的高聚物光纤基质吸力传感器解决了传统基质吸力测定方法中无法同时满足量程大、实时测定以及现场测定等问题，具有测量范围广、耐电化学腐蚀、不受电磁效应影响的优点。

22、(2)本发明提供的高聚物光纤基质吸力传感器具有精度高、灵敏度高、操作较为简单的优点。

23、(3)本发明提供的高聚物光纤基质吸力传感器制作简便，成本相对低廉。

24、(4)本发明提供的高聚物光纤基质吸力传感器具有光的耦合效率高，连接简便、韧性好、抗击外力能力较强，易于在大型土木、水利工程施工中存活等优势。

技术特征：

1.一种高聚物光纤基质吸力传感器，其特征在于，包括第一高聚物光纤、第二高聚物光纤、湿敏薄膜和包层；其中，所述第一高聚物光纤和第二高聚物光纤的顶端均为45°角，二者形成直角三棱镜，所述湿敏薄膜涂覆在所述直角三棱镜上，所述包层分别套在第一高聚物光纤和第二高聚物光纤尾端。

2.根据权利要求1所述的一种高聚物光纤基质吸力传感器，其特征在于，所述第一高聚物光纤和第二高聚物光纤的材料包括plastic optical fiber高聚物光纤。

3.根据权利要求1所述的一种高聚物光纤基质吸力传感器，其特征在于，所述湿敏薄膜的材料包括纳米纤维素、聚酰亚胺、氧化石墨烯。

4.根据权利要求1所述的一种高聚物光纤基质吸力传感器，其特征在于，所述湿敏薄膜的厚度范围为5～10μm。

5.根据权利要求1所述的一种高聚物光纤基质吸力传感器，其特征在于，所述直角三棱镜上安装疏水透气的保护壳。

6.一种高聚物光纤基质吸力传感器制作方法，其特征在于，所述方法用于制作上述权利要求1—5中任意一项所述的高聚物光纤基质吸力传感器，包括以下步骤：

7.一种基于高聚物光纤基质吸力传感器的系统，其特征在于，包括权利要求1—5中任意一项所述的高聚物光纤基质吸力传感器、高聚物光纤解调仪和计算机；其中，所述高聚物光纤基质吸力传感器尾端与高聚物光纤解调仪连接，所述高聚物光纤解调仪与计算机连接。

8.根据权利要求7所述的一种基于高聚物光纤基质吸力传感器的系统，其特征在于，所述高聚物光纤解调仪的型号为：ls3d-d8c。

9.一种非饱和土基质吸力的实时测定方法，其特征在于，所述方法采用权利要求7所述的系统，包括以下步骤：

10.一种存储介质，其上存储有程序，其特征在于，所述程序被执行时实现如权利要求9所述的方法。

技术总结
本发明涉及一种高聚物光纤基质吸力传感器、系统、制作方法及测定方法，其中，该高聚物光纤基质吸力传感器包括第一高聚物光纤、第二高聚物光纤、湿敏薄膜和包层；其中，所述第一高聚物光纤和第二高聚物光纤的顶端均为45°角，二者形成直角三棱镜，所述湿敏薄膜涂覆在所述直角三棱镜上，所述包层分别套在第一高聚物光纤和第二高聚物光纤尾端。与现有技术相比，本发明具有精度高、灵敏度高、操作较为简单等优点。

技术研发人员：唐国航,张海华,马险峰,刘志斌,孙长安
受保护的技术使用者：同济大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/7