CN101865815A - 一种基于镀有敏感膜的光栅金属锈蚀的监测方法及其传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于镀有敏感膜的光栅金属锈蚀的监测方法及其传感器。本发明是利用光栅表面的金属敏感膜在腐蚀物质作用下具有改变光栅布拉格波长的特点，通过检测仪器显示并监测光栅布拉格波长的漂移，达到监测腐蚀的发生和发展的目的。该传感器是在写有光栅的光纤表面镀有一层金属锈蚀敏感膜，所述的金属锈蚀敏感膜具有因锈蚀导致光栅布拉格波长变化的特性，金属锈蚀敏感膜的厚度为1-100微米。该传感器结构简单，成本低，高灵敏度，高精度，环境适应力好，可实现非接触、非破坏性测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光栅的金属锈蚀监测方法及传感器。主要应用于桥梁、船舶、建筑工程、航空航天等领域的金属腐蚀监测。属于光纤传感领域。
背景技术
金属材料的腐蚀是一个长期而复杂的过程。在建筑工程中，混凝土结构内部钢筋易遭受腐蚀而造成巨大的损失或事故。在海底工程中，海水介质中的任意一种金属都要遭受不同程度的腐蚀。在航空航天工程中，一般采用预先抑制的办法预防航天器金属的腐蚀，但这种预防办法仍然无法取代早期腐蚀监测手段。由于这些金属所处环境特殊(如难以接触、无法更换、取样常常破坏结构整体性)，传统腐蚀监测方法，如目测法、机械(力学)试验、取样法，以及基于电化学技术的一些监测方法，存在较大局限性。
光纤腐蚀传感器是光纤传感技术与腐蚀监测相结合的产物。它具有体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射、集信息传输与传感于一体、易于集成等一系列优点。
目前，现有光纤金属腐蚀传感器有很多种，包括在光纤上制备金属敏感膜的传感方法和基于光栅的传感方法。
董飒英(董飒英等，光纤传感腐蚀监测研究[J]，光纤传感腐蚀监测研究，2005，29(7)：94-96)提出了一种金属腐蚀敏感膜光纤传感器，通过监测光信号泄漏模导致的衰减来判断被测金属的锈蚀程度。该类方法采用光强作为调制信号，存在重复性稳定性较差的缺点。
Bennett等人(Bennett，McLaughlin，Monitoring of corrosion in steel structures usingoptical fiber sensors[C].SPIE 1995，2446：48-59)和方祖捷(监测金属锈蚀的光纤传感装置，中国专利200510024176.1(2005.8.24公开))提出一种保险丝式的光纤腐蚀传感器，基于光纤断裂造成的光损耗，该方法只能作为腐蚀后期的判断，不能作为早期的监测手段，并且涉及装置较为复杂，影响因素较多。
江毅等人(光纤光栅腐蚀传感器[J].光子学报，2006，35(1)：96-99)提出一种利用光栅测量钢筋直径变化的装置来监测腐蚀，其需要将光栅紧紧缠绕在钢筋环周，在实际应用中安装比较困难。
发明内容
为了克服以上所述技术的缺点，本发明提出了一种利用光栅监测难以测量环境中的金属腐蚀的传感器及监测方法。设计一种监测金属锈蚀的基于金属敏感膜的光栅传感器及其制备方法，该传感器结构简单，成本低，灵敏度较高，环境适应力好，可实现非接触、非破坏性多参量的分布式测量。
本发明中采用的光纤布拉格光栅是一种本征的光学传感器，它具有下列特点：检出量是波长变化、输出线性范围宽、易于实现波分复用、空间分辨率高、可实现参数的分布测量。
基于金属腐蚀敏感膜的光栅传感技术的基本原理是，用光栅原有的涂敷层，使其在模拟锈蚀环境下遭受腐蚀，因此光栅的金属膜在腐蚀物质作用下会改变光栅所受环境的应力，从而导致光栅布拉格波长漂移，通过相应的传输设备传输至检测仪器，该仪器显示并监测腐蚀的发生和发展。本发明的关键是在光栅的表面镀上被监测的金属材料的敏感膜，该膜组织均匀致密地分布在外表面上。
本发明的一种镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器，它是在写有光栅的光纤表面镀有一层金属锈蚀敏感膜，所述的金属锈蚀敏感膜具有因锈蚀导致光栅布拉格波长变化的特性，金属锈蚀敏感膜的厚度为1-100微米。
所述的金属锈蚀敏感膜在锈蚀后导致光栅的波长发生漂移10-3-1nm。
本发明的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器的制备方法，按如下步骤进行：
1)、取一根写有光栅的光纤，将写有光栅处的涂敷层剥除，裸光纤长度为10-30mm，用酒精棉球擦拭裸光纤表面，去除表面的杂质与油脂；
2)、采用真空沉积设备，在光纤表面镀一层导电金属层——金膜或银膜，膜层厚度为1-200nm；
3)、采用电镀方法或真空沉积设备，在镀有导电金属层的光纤表面镀金属锈蚀敏感膜，膜层厚度为1-100微米。
所述的步骤1)中剥除涂敷层后的裸光纤或者采用氢氟酸腐蚀，去掉部分光纤包层。
所述的步骤3)中当制备与光纤结合力强的金属锈蚀敏感膜时可以省去步骤2)。
所述的步骤3)中，被监测金属材质是以铁碳合金膜为耙材的，沉积方法采用电镀方法，电镀液的配比为：FeSO4·7H2O 10～50g/L，柠檬酸0.5～10g/L，抗坏血酸1～5g/L，pH值1～5；电镀电流10～50mA/cm2，温度25℃，电镀时间10～120min。
被监测金属材质是以纯度99.85％纯铝为耙材的，沉积方法为真空溅射镀膜机或真空蒸镀机。
本发明的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器的用法，将该传感器的金属锈蚀敏感膜和所测金属同步锈蚀，锈蚀导致光栅的布拉格波长产生漂移，通过仪器对波长的漂移进行监测，从而间接监测所测金属锈蚀进程。
本发明的优点在于：
制备简单，容易实现机器化标准化，体积小，可应用于空间狭窄的环境，可实现可分布式多参量检测和在线监测，抗电磁干扰，在恶劣环境下具有超越传统机械和电磁监测方法的优点。
附图说明
图1未去除光纤表面包层的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器结构示意图
图2经过包层腐蚀的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器结构示意图
图3镀有敏感膜的光栅金属锈蚀传感器的监测应用实例示意图
图中标号：1光纤，2光纤表面包层，3光栅，4敏感膜，5被测金属，6腐蚀环境，7光源，8光谱测量仪器。
具体实施方式
实施例1
用镀有敏感膜的光栅金属锈蚀传感器监测金属锈蚀的方法，按以下步骤进行：
一、镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器的制备
1.光栅的预处理
a去除光纤外面包裹的硅烷树脂或环氧树脂等类保护层，方法是用手工刀具剥除，或是用浓硫酸或丙酮浸泡；
b在镀膜之前，用酒精棉球擦拭裸光纤表面数次，去除表面的杂质与油脂，增强光栅与膜层间的结合力；
c以5wt％-30wt％的氢氟酸腐蚀去除部分包层，去除包层后光纤直径为60-110μm；
2.对于被测金属为铁碳合金如钢筋，先在已处理的光栅的表面镀一层很薄的导电膜(如银或金)，本实验采用真空溅射或真空蒸镀设备在光栅的表面镀银导电膜，银导电膜的厚度为1-200nm，然后采用电镀的方法在光纤银膜上镀铁碳膜层；
电镀液的配比：FeSO4·7H2O 10～50g/L，柠檬酸0.5～10g/L，抗坏血酸1～5g/L，pH值1～5，电镀电流10～50mA/cm2，温度25℃，电镀时间10～120min；
对于被测金属为铝，采用真空沉积的方法在裸光纤表面镀纯铝膜，制备仪器为真空溅射或真空蒸镀设备；
经过上述步骤制得镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器；
二.用镀有敏感膜的光栅金属锈蚀传感器监测金属锈蚀
将镀上金属敏感膜的光栅放入模拟的腐蚀环境中进行监测，以NaCl溶液为腐蚀溶液，NaCl浓度为0.1～20mol/L；给传感器提供合适波长的光源7用光谱测量仪器8不断监测光栅的中心波长变化，并且将其与参考光栅(图中未示出)的光栅中心波长相比较，剔除温度和其他因素的影响，得到因金属锈蚀后导致的波长变化曲线。
实施例2
不去除光纤表面包层制备的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器结构如图1所示。
制备过程为：
去除写有光栅3的光纤1外面包裹的硅烷树脂或环氧树脂等类保护层；
去除表面的杂质与油脂；
采用电镀或真空溅射方法制备光纤表面敏感膜4。
实施例3
去除光纤表面包层制备的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器结构如图2所示。制备过程为：
去除写有光栅3的光纤1外面包裹的硅烷树脂或环氧树脂等类保护层；
去除表面的杂质与油脂；
氢氟酸腐蚀去除光纤部分包层2；
采用电镀或真空溅射方法制备光纤表面敏感膜4。
实施例4
镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器监测应用实例，如图3所示。
具体实施过程为：按实施例2、实施例3在光栅表面制备出金属锈蚀敏感膜(图1或图2)后，将其与被测金属5一起放置在腐蚀环境6中，给传感器提供合适波长的光源7，用光谱测量仪器8不断监测光栅的中心波长变化，并且将其与参考光栅(图中未示出)的光栅中心波长相比较，剔除温度和其他因素的影响，得到因金属锈蚀后导致的波长变化曲线，揭示金属的锈蚀过程。
本领域的普通技术人员都会理解，在本发明的保护范围内，对于上述实施例进行修改，添加和替换都是可能的，但其都没有超出本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器，其特征在于，该传感器是在写有光栅(3)的光纤(1)表面镀有一层金属锈蚀敏感膜(4)，所述的金属锈蚀敏感膜具有因锈蚀导致光栅布拉格波长变化的特性，金属锈蚀敏感膜的厚度为1-100μm。
2.根据权利要求1所述的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器，其特征在于，所述的金属锈蚀敏感膜在锈蚀后导致光栅的波长发生漂移10-3-1nm。
3.权利要求1所述的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：
1)、取一根写有光栅的光纤，将写有光栅处的涂敷层剥除，剥除后的裸光纤长度为10-30mm，用酒精棉球擦拭裸光纤表面，去除表面的杂质与油脂；
2)、采用真空沉积设备，在光纤表面镀一层导电金属层——金膜或银膜，膜层厚度为1-200nm；
3)、采用电镀方法或真空沉积设备，在镀有导电金属层的光纤表面镀金属锈蚀敏感膜，膜层厚度为1-100μm。
4.根据权利要求3所述的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)中剥除涂敷层后的裸光纤，或者采用氢氟酸腐蚀，去掉部分光纤包层，腐蚀时间为15-180min，腐蚀后光纤直径为30-120μm。
5.根据权利要求3所述的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器的制备方法，其特征在于，步骤3)中当制备与光纤结合力强的金属锈蚀敏感膜时可以省去步骤2)。
6.根据权利要求3所述的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器的制备方法，其特征在于，步骤3)中，被监测金属材质是以铁碳合金膜为耙材的，沉积方法采用电镀方法，电镀液的配比为：FeSO4·7H2O 10～50g/L，柠檬酸0.5～10g/L，抗坏血酸1～5g/L，pH值1～5；电镀电流10～50mA/cm2，温度25℃，电镀时间10～120min。
7.根据权利要求3所述的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器的制备方法，其特征在于，步骤3)中，被监测金属材质是以纯度99.85％纯铝为耙材的，沉积方法为真空溅射镀膜机或真空蒸镀机，并且步骤2)可被省略。
8.权利要求1所述的镀有敏感膜的光栅金属锈蚀监测传感器的用法，其特征在于，将该传感器的金属锈蚀敏感膜和所测金属同步锈蚀，锈蚀导致光栅的布拉格波长产生漂移，通过仪器对波长的漂移进行监测，从而间接监测所测金属锈蚀进程。
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