一种基于量子点的十二面体三向应力计

摘要

本发明公开了一种基于量子点的十二面体三向应力计，包括有盒体（1），盒体为正十二面体，盒体相邻六个面为受力面（2），每个受力面（2）上有一个由盒体上盖（3）覆盖的凹槽（4），在凹槽中设有安装四针量子点多聚纳米复合物柱体（5）的固定装置（6），四针量子点多聚纳米复合物柱体顶部接触盒体上盖（3），固定装置（6）为方框形盒，固定装置相邻两侧壁上分别装有激发光导入端（9）和光波探测器（10），光谱仪（8）过通光纤（7）与光波探测器（10）连接，激发光源（11）通过光纤（7）与激发光导入端（9）连接。本发明的优点是：能够一次测量得到的六个应力分量，提高了测量的可靠性，又提高了测量的准确性。

说明书

技术领域

本发明属于岩土工程压力测试技术领域，具体涉及一种基于量子点的十二面体三向应力计。

背景技术

物体表面或内部某点的单向应力测试技术比较成熟。常规应力状态由3个正应力和3个剪应力，共6个分量组成，因此确定一点的应力状态至少需要6个单向应力计。采用单向应力计会造成工作繁杂，并且测量不准确。所以三向应力计是测量三维应力状态必需的测试装置。

目前，土木工程应力测试中可以测试三向应力状态的压力测试装置只有少量几种，这些测试装置也是至少需要两个应力计才能测得六个分量。中国专利文献CN102620870A和CN 104075944A公开了几种三向压力测试装置，这些三向压力测试装置存在以下问题：1、三向压力测试装置是基于传感式或振弦式土压力盒，该类测试装置精度不够高，易受电磁干扰，量程不够大，稳定性能差，可靠性低；2、三向压力测试装置是用两个相同仪器不同角度来得到六个分量，操作复杂，角度把控不准，使得测试精度不高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于量子点的十二面体三向应力计，它不受电磁干扰，能提高测量的可靠性，对受力敏感度高，能够测试到微观应力的变化，能提高测量的准确性；并且实现一个装置测得六个应力分量。

本发明所要解决的技术问题是通过这样的技术方案实现的，它包括有盒体，盒体为正十二面体，盒体相邻的六个面为受力面，每个受力面上有一个由盒体上盖覆盖的凹槽，在凹槽中设有安装四针量子点多聚纳米复合物柱体的固定装置，四针量子点多聚纳米复合物柱体顶部接触盒体上盖，固定装置为方框形盒，固定装置相邻两侧壁上分别装有激发光导入端和光波探测器，光谱仪过通光纤与光波探测器连接，激发光源通过光纤与激发光导入端连接。

所述四针量子点多聚纳米复合物为四针量子点加入到多聚纳米复合物中。激发光照射四针量子点多聚纳米复合物柱体，量子点吸收激发光的能量后，价带上的电子跃迁到导带，形成电子-空穴对，导带上的电子跃迁回价带，与空穴复合，然后以辐射形式放出光子。光波探测器接收量子点发出的荧光，传送至光谱仪。光谱仪与电脑连接将采集到的荧光强度进行分析，当含有量子点的多聚纳米复合物柱体受力后，量子点的荧光强度会发生变化。然后，根据荧光强度与外力间的关系，可以获得应力大小。

在待测点处钻孔，钻孔大小根据本发明的量子点十二面体三向应力计尺寸合理选择。将孔壁清理后，埋设本本发明的量子点十二面体三向应力计，三向应力计通过光谱仪与电脑相连，电脑将光谱仪采集的荧光强度数据进行分析，将荧光强度数据代入实验标定的关系式，得出应力。

本发明采用四针量子点的多聚纳米复合物，并使用光纤光谱仪进行观测，使三向应力计测量的结果精确，使用方便，而且对受力敏感。本发明还采用了十二面体的结构形式，测试过程操作简便，一个应力计就能测得六个应力分量，简单快捷。

与现有技术相比，本发明的优点是：能够一次测量得到的六个应力分量，不用调节角度来得到六个分量，操作简便，提高了测量精度；避免了电磁干扰，提高了测量的可靠性，对受力敏感度高，能够测试到微观应力的变化，进一步提高了测量的准确性。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的外部结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为固定装置的结构示意图。

图中：1.盒体；2.受力面；3. 盒体上盖；4. 凹槽；5. 四针量子点多聚纳米复合物柱体；6. 固定装置；7.光纤；8.光谱仪；9.激发光导入端；10. 光波探测器；11. 激发光源；12. 滤光片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，本发明包括有盒体1，盒体1为正十二面体，盒体1相邻六个面为受力面2，每个受力面2上有一个由盒体上盖3覆盖的凹槽4，在凹槽4中设有安装四针量子点多聚纳米复合物柱体5的固定装置6，四针量子点多聚纳米复合物柱体5顶部接触盒体上盖3，固定装置6为方框形盒，固定装置6相邻两侧壁上分别装有激发光导入端9和光波探测器10，光谱仪8过通光纤7与光波探测器10连接，激发光源11通过光纤7与激发光导入端9连接。

激发光源11一般采用脉冲氙灯，激发光采用光纤传送。光波探测器10用于检测量子点的荧光强度。如图3所示，为了避免激发光源给量子点的荧光造成干扰，在光波探测器10与四针量子点多聚纳米复合物柱体5的夹缝之间设置有滤光片12，以滤除激发光。为了实现数据采样同步，光谱仪采用六通道的光纤光谱仪，每个通道覆盖的光谱波长范围是一致的。

盒体上盖3为主要受力面，采用可变形的钢膜；非受力面为不变形的钢板钢板。将本发明埋设于岩体中或土中后，盒体相邻六个受力面2开始受到挤压，盒体的受力面受到压力作用，并产生形变。受力面受到的应变传递给四针量子点多聚纳米复合物柱体，导致四针量子点多聚纳米复合物柱体产生变形。

根据“Tetrapod Nanocrystals as Fluorescent Stress Probes of Electrospun Nanocomposites”，Shilpa N. Raja，Andrew C. K. Olson，Kari Thorkelsson， Nano Letters，2013, 13, 3915− 3922，（四针量子点多聚纳米复合纤维的荧光压力探测器，Shilpa N. Raja，Andrew C. K. Olson，Kari Thorkelsson，纳米快报，2013, 13期 第3915− 3922页）中记载了一种会发光的纳米复合纤维，这种纤维受到外力时会变形，四针量子点的荧光强度会随之改变。量子点的荧光强度与所受外力之间的关系，可以通过实验标定，得出荧光强度与所受应力的关系式及曲线。

实验标定就是将四针量子点多聚纳米复合物柱体在实验装置上加载，测量并绘制出应力与荧光强度的拟合曲线。

开始测试时，激发光源11打开，激发光导入端9传送的激发光打在量子点多聚纳米复合物柱体5上，量子点吸收激发光的能量后，价带上的电子跃迁到导带，形成电子-空穴对，导带上的电子跃迁回价带，与空穴复合，然后以辐射形式放出光子。光谱仪的光波探测器10探测到量子点发出的荧光，光谱仪8将荧光强度信号采集，再传输给电脑端进行分析处理。将光谱仪采集的荧光强度数据进行分析，将荧光强度数据代入标定实验标定的关系式，得出应力。