一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法-9479威尼斯

专利名称：一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法

专利类型：发明专利

专利申请号：cn202210590239.3

专利申请（专利权）人：哈尔滨工业大学
权利人地址：黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号

专利发明（设计）人：肖会刚,陈思远,李惠

专利摘要：一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，属于传感器安置方法技术领域。所述方法为：在浇注水泥基材料前，将内孔径微大于柔性传感器尺寸的高刚度空心管按照预先设计好的传感器的位置进行安放，然后进行水泥基材料的浇注，在振捣完成后，将柔性传感器于空心管中定位，在传感器放置入口的反向将空心管缓慢抽出。本发明极大程度上提高了柔性传感器在水泥基材料中安置的成活率。保证了传感器安置位置的精度。提高了传感器与水泥基材料的粘结范围，进而提高了测试的准确性。该发明可以减少传感器外包装带来的附加经济付出。可以联合温度测试进行变形的温度补偿。

主权利要求：
1.一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，其特征在于：所述方法为：在浇注水泥基材料前，将内孔径微大于柔性传感器尺寸的高刚度空心管按照预先设计好的传感器的位置进行安放，然后进行水泥基材料的浇注，在振捣完成后，将柔性传感器于空心管中定位，在传感器放置入口的反向将空心管缓慢抽出；当选择光纤光栅作为传感器时，所述方法具体为：步骤一：在模具底部按照设计进行钻孔以及在传感器上做高度标记；
步骤二：将空心钢管插入模具底侧已钻好的孔中并使用尼龙线在模具顶部固定；
步骤三：向模具中浇注混凝土并振捣；
步骤四：向空心钢管中插入传感器；
步骤五：从模具底层拔出钢管，当钢管与混凝土表层齐平时，核对传感器表层标记是否与混凝土顶平面等高，若不是则需上下移动至齐平。
2.根据权利要求1所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，其特征在于：所述模具使用可拆卸式的塑料模具，其大小只需匹配试件的大小即可。
3.根据权利要求1所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，其特征在于：所述空心钢管的长度需大于模具高度5cm，且其内径需要微大于传感器小尺寸直径，其内外径之间的厚度根据空心钢管刚度视情况确定。
4.根据权利要求1所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，其特征在于：使用尼龙线或其他可伸缩性较弱、受拉不易变形的线进行固定。
5.根据权利要求1所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，其特征在于：在距离光栅中心一定的距离处做标记，该标记点为与混凝土上表面齐平的位置点。
6.根据权利要求1所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，其特征在于：所述在模具底面根据预定位置进行钻孔，孔径需要微大于空心钢管外径，但是不能过大，以防混凝土外渗。 说明书 : 一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用
埋置方法技术领域[0001] 本发明属于传感器安置方法技术领域，具体涉及一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法。背景技术[0002] 在水泥基材料的试验过程中，无论是强度试验或者是耐久性试验，试件的变形能力都是非常重要的一个监测方向。目前常用的变形监测传感器可以分为有外部封装和无外部封装的传感器两类。有外部封装的如振弦式位移计、lvdt等。这些变形传感器一般固定于水泥基试件外侧进行变形的测试，如图1所示。该类传感器刚度较大，一般情况下不易损伤，但是受构造影响，该类传感器的尺寸偏大，大多作为区段变形的测试。无外部封装的传感器，如应变片，光纤光栅等。该类传感器的优势在于尺寸小，可以更好的测试小区域范围内的变形(该变形更接近于某一点的变形)，对于某点的变形监测具有更高的精确度。但是这类传感器显著存在一维或者两维尺寸明显大于剩余维，也就是该种传感器呈现片状(图2)或线状(图3)的表观形态，因此小尺寸方向具有易折易损的性质。由于水泥基材料浇注时存在振捣，因此该类传感器大多不能安置于试件内部。目前大多数研究将该类传感器贴于试件表面或将传感器固定于高刚度垫板上再进行埋置，以确保传感器的正常使用以及存活率。[0003] 对于需要测试小范围处变形的水泥基试件，尤其是为了获得试件内部变形场而进行多布点测试，应变片及光纤光栅无疑是首选的传感器。其中光纤光栅更具有良好的测试稳定性及精度，但是由于裸光纤光栅尤其是光栅区段的抗折能力十分差，光栅光纤制作的传感器价格昂贵的缺点。目前利用光纤光栅进行实验室测试大多将光纤光栅缠绕或贴在打磨光滑的试件表面(如图4所示)，该方法限制了光纤光栅对试件内部变形的测量。此外也有少部分学者将光纤光栅粘贴在钢丝上埋置于混凝土内部，该方法通过钢丝提高光纤光栅的刚度。但是钢丝作为良好的导热体，一定程度上影响了光纤光栅的温度变形，降低了测试的精确程度。同样的，应变片在水泥基材料内部的埋置使用也存在相应的问题。发明内容[0004] 本发明的目的是为了解决三维尺寸大差异柔性传感器无法有效测试水泥基材料内部变形的问题，提供一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法。[0005] 为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：[0006] 一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，所述方法为：在浇注水泥基材料前，将内孔径微大于柔性传感器尺寸的高刚度空心管按照预先设计好的传感器的位置进行安放，然后进行水泥基材料的浇注，在振捣完成后，将柔性传感器于空心管中定位，在传感器放置入口的反向将空心管缓慢抽出。[0007] 本发明相对于现有技术的有益效果为：[0008] 1、极大程度上提高了柔性传感器在水泥基材料中安置的成活率。[0009] 2、保证了传感器安置位置的精度。[0010] 3、提高了传感器与水泥基材料的粘结范围，进而提高了测试的准确性。[0011] 4、该发明可以减少传感器外包装带来的附加经济付出。[0012] 5、可以联合温度测试进行变形的温度补偿。附图说明[0013] 图1为位移计示意图；[0014] 图2为应变片示意图；[0015] 图3为光纤光栅示意图，其中两个黑色的部分是光栅；[0016] 图4为缠绕在试件表面的光纤示意图；[0017] 图5为平面二维定位示意图；[0018] 图6为高度方向上定位示意图；[0019] 图7为空心钢管拔出过程中传感器受力示意图；[0020] 图8为模具及安置装置示意图；[0021] 图9为已定位的光纤光栅示意图；[0022] 图10为实物图；[0023] 图11为混凝土中心位置在空气中冻融变形的应变‑时间图。具体实施方式[0024] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。[0025] 关于本发明题目中的尺寸大差异的解释：传感器是一个三维物体，其具有x，y，z三个方向的尺寸。当这三个尺寸中任意一个尺寸远大于或远小于另外两个方向尺寸时，称之为尺寸差异大。例如应变片的厚度(也就是z方向)尺寸一般是宽度和长度方向的几十甚至是几百分之一；光纤的长度方向尺寸是其直径方向尺寸的几十到几千倍。由于传感器有一个方向的尺寸远大于或远小于另外两个尺寸。因此传感器将丧失刚度，在小尺寸方向上受干扰易变行，该变形极易引起损伤造成传感器的破坏。[0026] 本发明可以精准埋置柔性传感器的原理。首先空心钢管依靠模具进行二维平面内的准确定位(图5)。其次，光纤光栅等传感器会提前标注与试件表面齐平定位线以保证第三个方向上位置的准确度(图6)。再介绍一下该技术在埋置过程中对柔性传感器保护的原理。该过程中，空心管硬度比柔性传感器高，因此可以在水泥基材料浇注及振捣过程中受剪切而不发生大变形以确保定位的准确性，并且由于空心钢管无剪切变形，因此柔性传感器也不会受到剪切力的影响。在空心管向外拔出的过程中，由于外界水泥基材料向柔性传感器靠近的方式是均匀的(图7)，因此垂直于传感器的剪切力很大一部分会自行抵消掉。因此在缓慢拔出的过程中也较好的保护了传感器。当试件初凝后，由于丧失了流动性，此时柔性传感器已经准确且安全的固定于试件内。[0027] 具体实施方式一：本实施方式记载的是一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，所述方法为：在浇注水泥基材料前，将内孔径微大于柔性传感器尺寸的高刚度空心管按照预先设计好的传感器的位置进行安放，然后进行水泥基材料的浇注，在振捣完成后，将柔性传感器于空心管中定位，在传感器放置入口的反向将空心管缓慢抽出。[0028] 微大于是指传感器在钢管中心移动时不会产生摩擦，但又确保传感器位中心轴线在空心管中央附近，不会产生大的偏差(根据传感器自身刚度和尺寸的不同，与钢管内壁间距的具体值会有不同的数值。因此，不合适给出具体范围。如果是光纤光栅，建议该值不大于1mm)。高刚度是相对于新拌水泥基材料讲的，只要在新拌水泥基材料振捣过程中不会发生受剪变形的均为高刚度。因此，根据不同配合比的水泥基材料或不同的装料大小来讲，其振捣过程中的剪切力大小不等，因此无法给出具体数值。[0029] 本发明中先使用二维小尺寸大刚度的空心钢管在新拌水泥基材料中隔离出微大于柔性传感器体积的空白位置，后利用振捣作用保证水泥基材料的均匀性，反向拔出空心钢管后利用新拌水泥基材料良好的流动性将柔性传感器包裹，即利用先安置后拔出的方法对三维尺寸存在较大差异的柔性传感器进行定位埋置。[0030] 具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，当选择光纤光栅作为传感器时，所述方法步骤为：[0031] 步骤一：在模具底部按照设计进行钻孔(限制空心钢管底部移动)以及在传感器上做高度标记；[0032] 步骤二：将空心钢管插入模具底侧已钻好的孔中并使用尼龙线在模具顶部固定；尼龙线绕空心钢管一周后粘在一起起到限制钢管上部移动的作用；[0033] 步骤三：向模具中浇注混凝土并振捣；[0034] 步骤四：向空心钢管中插入传感器；[0035] 步骤五：从模具底层缓缓完全拔出钢管，当钢管与混凝土表层齐平时，核对传感器表层标记是否与混凝土顶平面等高，若不是则需上下移动至齐平。[0036] 具体实施方式三：具体实施方式二所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，所述模具使用可拆卸式的塑料模具，其大小只需匹配试件的大小即可。[0037] 具体实施方式四：具体实施方式二所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，所述空心钢管的长度需大于模具高度5cm，且其内径需要微大于传感器小尺寸直径，其内外径之间的厚度根据空心钢管刚度视情况确定。[0038] 具体实施方式五：具体实施方式二所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，使用尼龙线或其他可伸缩性较弱、受拉不易变形的的线进行固定。尼龙线弹性小，受拉力不易发生变形。[0039] 具体实施方式六：具体实施方式二所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，使用记号笔距离光栅中心一定的距离处做标记，该标记点为与混凝土上表面齐平的位置点。[0040] 具体实施方式七：具体实施方式二所述的一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，所述在模具底面根据预定位置进行钻孔，孔径需要微大于空心钢管外径，但是不能过大，以防混凝土外渗。微大于指预钻孔孔径要保证空心钢管能够插入，又不能使空心钢管在其中可以晃动。[0041] 实施例1：[0042] 一种三维尺寸大差异柔性传感器在水泥基材料中的实验室用埋置方法，当选择光纤光栅作为传感器时，所述方法步骤为：[0043] 步骤一：对模具底面进行定位钻孔；[0044] 步骤二：选择适当孔径的空心钢管，将空心钢管插入模具底侧已钻好的孔中，起到限制空心钢管底部移动的作用；[0045] 步骤三：尼龙线绕空心钢管一周后粘在一起起到限制钢管上部移动的作用；[0046] 步骤四：对光纤传感器进行定位标记；如果光纤光栅定位要求是在试件高度的中心的话，该距离等于模具高度的一半，如果定位在试件上部三分之一的话则应等于模具高度的三分之一。以此类推。[0047] 步骤五：向模具中浇注混凝土并振捣，然后向空心钢管中插入传感器；[0048] 步骤六：从模具底层拔出钢管，当钢管与混凝土表层齐平时，核对传感器表层标记是否与混凝土顶平面等高，若不是则需上下移动至齐平；光栅是光纤光栅传感器中的监测部分，是最为脆弱的地方，是要保护的重点。[0049] 实施例2：[0050] 本实施例与实施例1不同的是，当选择应变片传感器时，步骤二中，选择适当厚度的方形亚克力管来保护应变片。

专利地区：黑龙江

专利申请日期：2022-05-26

专利公开日期：2024-07-09

专利公告号：cn114953159b