CN105842148B - 一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法 - Google Patents

一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法 Download PDF

Info

Publication number
CN105842148B
CN105842148B CN201610410965.7A CN201610410965A CN105842148B CN 105842148 B CN105842148 B CN 105842148B CN 201610410965 A CN201610410965 A CN 201610410965A CN 105842148 B CN105842148 B CN 105842148B
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber grating
section
tail end
fiber
end section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610410965.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN105842148A (zh
Inventor
王彦
刘加萍
孔正义
章家岩
王兵
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Anhui University of Technology AHUT
Original Assignee
Anhui University of Technology AHUT
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Anhui University of Technology AHUT filed Critical Anhui University of Technology AHUT
Priority to CN201610410965.7A priority Critical patent/CN105842148B/zh
Publication of CN105842148A publication Critical patent/CN105842148A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN105842148B publication Critical patent/CN105842148B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G01N17/004—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light to light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • G01N17/006—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light of metals

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biodiversity & Conservation Biology (AREA)
  • Ecology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Environmental Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明公开了一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法，属于结构工程和光纤传感技术领域。它包括长周期光纤光栅传感，长周期光纤光栅传感包括光纤光栅段、光纤段和尾端段，还包括基座、钢筋和水泥砂浆，从左到右依次为光纤光栅段、光纤段和尾端段，光纤光栅段的表面上设有一层光纤光栅段金属膜，尾端段的表面上设有一层尾端段金属膜，尾端段的端面上设有一层尾端段端面金属膜；钢筋和长周期光纤光栅传感均放置在基座内，基座的外部为一层水泥砂浆。光纤光栅段金属膜、尾端段金属膜和尾端段端面金属膜均为钯金膜。本发明的单端反射式长周期光纤光栅通过折射率来监测钢筋周围环境的变化，来判断钢筋锈蚀的状态。

Description

一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监 测方法
技术领域
本发明涉及的是结构工程和光纤传感技术领域，尤其涉及一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法。
背景技术
如今，钢筋混凝土结构凭借其具有良好的耐用性能，应用越来越广泛，但当它工作在海水等侵蚀的环境中时，会导致钢筋混凝土结构中的钢筋很容易发生锈蚀。钢筋锈蚀的问题不仅会给社会带来不可估量的经济损失，造成资源材料的浪费，还会在一定程度上降低钢筋的使用年限及其承负载能力，损坏钢筋混凝土的结构，甚至会影响到人身安全。所以，关于研究钢筋锈蚀的问题具有重要的理论意义和实际意义。目前，钢筋锈蚀监测的方法很多，大概可以分为物理检测法、电化学检测法、光纤腐蚀传感器监测法这三种。物理检测法和电化学检测通常是作为定期检测使用的，而光纤腐蚀传感器监测法能够实时监测钢筋锈蚀的状态，并且又可以分为间接监测和直接监测。间接监测意思是通过对钢筋锈蚀周围环境的监测，从而推断出钢筋的锈蚀状态；直接监测则是通过直接监测钢筋本身或者锈蚀产物等的变化来得到钢筋的锈蚀程度的信息。
光纤光栅传感具有较高的灵敏度，几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器，可以制造传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件，也可以用于高压、电气噪声、腐蚀、或其它的恶劣环境，而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。目前光纤光栅传感已开始应用于混凝土钢筋锈蚀监测领域，这逐渐成为一个越来越让研究人员关注的问题。
在现今的光纤腐蚀传感器技术中，李俊等人提出了一种新的钢筋腐蚀光纤光栅传感器及温度补偿方法，研究利用光纤布喇格光栅测量钢筋的应变来监测钢筋锈蚀的状态，同时单独设置一个不锈钢光纤光栅传感器来测量由于温度引起的应变，但只能用于钢筋锈蚀的早期监测；刘宏月等人利用长周期光纤光栅敏感的折射率的特性来监测钢筋锈蚀的程度和速度，发现长周期光纤光栅比光纤布喇格光栅探测的范围大，灵敏度也较高；王彦等人利用长周期光纤光栅的微弯特性来监测混凝土结构中的钢筋锈蚀。但是以上采用的长周期光纤光栅都是透射式结构，所采用的仪器设备较多，且成本高，在实际监测过程非常不方便，导致工程应用并不广泛。
中国发明专利，授权公告号：CN 101042328 B，授权公告日2010.10.06，涉及长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器，属于结构工程领域和光纤传感技术领域。该发明是利用贴着钢筋的位置平直地放置一根长周期光纤光栅，定期由光谱仪观察长周期光纤光栅的透射谱变化，以此判断光栅是否发生了弯曲，并推断钢筋腐蚀的程度与速率。该发明通过对埋入的长周期光纤光栅的透射谱监测，可以实现在不损伤混凝土表面的前提下，对任何环境下钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀情况进行长期监测，准确确定引起钢筋腐蚀的程度及速率，应用于结构工程领域中钢筋混凝土结构的耐久性检测和评估。其不足之处在于：1)该发明中是通过光栅的微弯特性来监测钢筋锈蚀的状态，钢筋锈蚀引致光栅的微弯已是钢筋锈蚀的早中期阶段，该方法无法对钢筋锈蚀的早期阶段提前进行监测及预警；2)该发明需要使用宽带光源及光谱仪这种大型昂贵设备进行定期监测，使用不便，成本较高。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中光纤光栅传感器在监测钢筋锈蚀中存在的问题，本发明提处了一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法。它克服长周期光纤光栅在监测过程中探测不方便的困难，进一步改善长周期光纤光栅监测的性能。
2.技术方案
为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，包括长周期光纤光栅传感，长周期光纤光栅传感包括光纤光栅段、光纤段和尾端段，还包括基座、钢筋和水泥砂浆，从左到右依次为光纤光栅段、光纤段和尾端段，光纤光栅段的表面上设有一层光纤光栅段金属膜，尾端段的表面上设有一层尾端段金属膜，尾端段的端面上设有一层尾端段端面金属膜；钢筋和长周期光纤光栅传感均放置在基座内，基座的外部为一层水泥砂浆。
优选地，所述的光纤光栅段金属膜、尾端段金属膜和尾端段端面金属膜均为钯金膜。
优选地，光纤光栅段由内至外依次为光纤光栅段纤芯和光纤光栅段金属膜。
优选地，尾端段由内至外依次为尾端段纤芯和尾端段金属膜，尾端段的端面有尾端段端面金属膜。
优选地，基座内设有支架，长周期光纤光栅传感放置在支架上，两端固定在基座内。
优选地，光纤光栅段金属膜的厚度为50-100nm，尾端段金属膜、尾端段端面金属膜的厚度均为700-1000nm。
优选地，所述光纤光栅段的长度为4-6cm，光纤段的长度为1-2cm，尾端段的长度为1-6cm。
一种监测钢筋锈蚀状态的传感器制作工艺，其步骤为：
A、根据以上所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，将长周期光纤光栅的一端切平，形成光纤光栅段和光纤段；
B、光纤光栅段内部是光纤光栅段纤芯，在光纤光栅段表面镀一层光纤光栅段金属膜，长周期光纤光栅表面形成等离子体共振效应；
C、选取普通圆柱形单模光纤，在该单模光纤的端面镀一层尾端段端面金属膜，以形成高反射率镜面，在该单模光纤的表面镀一层尾端段金属膜，该单模光纤为尾端段；
D、将光纤段与尾端段熔接，形成探头传感结构，构成长周期光纤光栅传感；
E、选取一根钢筋，将钢筋放置在基座内，在基底内部填充酚醛树脂，同时将钢筋混凝土孔隙液渗透到酚醛树脂内；
F、基座内设有支架，长周期光纤光栅传感放置在支架上，两端固定在基座内；
G、基座用水泥砂浆浇筑。
优选地，长周期光纤光栅传感的两端采用环氧树脂胶进行固定。
一种监测钢筋锈蚀状态的传感器的钢筋锈蚀监测方法，其步骤为：
A、根据以上所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，将光纤光栅段1引出的传输线缆与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪的精度与光谱仪的精度对比连接；
B、光纤光栅解调仪通道内部发出的光依次经过光纤光栅段、光纤段和尾端段；
C、光在光纤光栅段上发生SPR效应，通过光纤段到达探头传感端面；
D、光从探头传感端面被反射回来，依次经过尾端段、光纤段和光纤光栅段，发生SPR效应，且与前向传输的光发生自干涉效应，返回到光纤光栅解调仪通道内；
E、光纤光栅解调仪将光传输过程中的光谱显示出来；
F、把钢筋锈蚀的状态和光谱的谐振峰波长的偏移联系起来，从而计算出实际中钢筋锈蚀的状态。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明的长周期光纤光栅折射率的敏感性，能够监测出钢筋周围环境的变化，而环境中的氯离子浓度是影响钢筋锈蚀状态的主要原因，本发明的传感器能够检测出钢筋所在环境中的氯离子浓度，光谱的谐振峰波长的偏移反映出钢筋所在环境中的氯离子浓度值，根据氯离子浓度与钢筋锈蚀之间的关系，进而从光谱的谐振峰波长的偏移，判断出钢筋锈蚀的状态；
(2)本发明利用酚醛树脂的透水性，保证传感器内的钢筋与外界钢筋所处的环境相同，基座的材料为不锈钢；结构简单，易于操作，抗振动，抗冲击，解决了长周期光纤光栅在实际使用过程中监测不方便的问题；
(3)本发明在光纤光栅段表面镀一层光纤光栅段金属膜，在尾端段的端面镀一层尾端段端面金属膜，以形成高反射率镜面，在尾端段的表面镀一层尾端段金属膜，镀膜的方法是：采用镀膜设备HUMMER离子镀膜仪，镀膜材料为钯金，选择钯金的原因是由于其具有高反射率、不易氧化，从而提高了监测的灵敏度，极易与光纤附着粘合，镀膜时间为5min，镀膜后端面反射率可达75％，尾端段端面金属膜作为全波段的端面反射镜，并且光纤光栅段到尾端段端面金属膜的中间存在一定的距离，这样就形成一种单端反射式长周期光纤光栅；
(4)本发明通过光纤光栅解调仪通道内部发出的光经过本发明的传感器后，被反射回光纤光栅解调仪并显示光谱，不需要采用宽带光源及光谱仪进行测量，从而节省了成本，便于在实践中推广使用，且不要占用较多人力；
(5)本发明的这种光纤段和尾端段分开式的结构，使得尾端段能够选择具有一些特殊性质的光纤，且在使用过程中，端部容易受外界碰触而损坏，而分段式结构易于更换端部结构；
(6)光从探头传感端面被反射回来，依次经过尾端段、光纤段和光纤光栅段，发生SPR效应，且与前向传输的光发生自干涉效应，返回到光纤光栅解调仪通道内；前向传输的光与反向传输的光发生自干涉效应，使谐振峰值更大，起到了信号放大的作用，提高了测量的精度和检测的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的长周期光纤光栅结构示意图；
图2为应用本发明的传感器的监测系统图；
图3为本发明的传感器俯视结构图；
图4为本发明的传感器的侧面图；
图5为水泥砂浆封装图。
图中标号名称：
1、光纤光栅段；2、光纤段；3、尾端段；4、光纤光栅段纤芯；5、光纤段纤芯；6、尾端段纤芯；61、探头传感端面；7、光纤光栅段金属膜；8、尾端段金属膜；9、尾端段端面金属膜；10、光纤光栅解调仪；11、长周期光纤光栅传感；111、支架；12、基座；121、酚醛树脂；13、钢筋；14、水泥砂浆。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1-5，一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，包括长周期光纤光栅传感11，长周期光纤光栅传感11包括光纤光栅段1、光纤段2和尾端段3，还包括支架111、基座12、钢筋13和水泥砂浆14，从左到右依次为光纤光栅段1、光纤段2和尾端段3，光纤光栅段1的表面上设有一层光纤光栅段金属膜7，光纤光栅段1由内至外依次为光纤光栅段纤芯4和光纤光栅段金属膜7。尾端段3的表面上设有一层尾端段金属膜8，尾端段3的端面上设有一层尾端段端面金属膜9；尾端段3由内至外依次为尾端段纤芯6和尾端段金属膜8，尾端段3的端面有尾端段端面金属膜9。光纤光栅段纤芯4与光纤段纤芯5为整体纤芯，选择用单模光纤；尾端段纤芯6也为单模光纤。光纤光栅段1的长度为4-6cm，光纤段2的长度为1-2cm，尾端段3的长度为1-6cm。
光纤光栅段金属膜7、尾端段金属膜8和尾端段端面金属膜9均为钯金膜，光纤光栅段金属膜7的厚度为50-100nm，尾端段金属膜8、尾端段端面金属膜9的厚度均为700-1000nm。
钢筋13放置在基座12内，基座12内设有支架111，长周期光纤光栅传感11放置在支架111，两端固定在基座12内，基座12的外部为一层水泥砂浆14，水泥砂浆14封装的厚度为15-30mm。
本发明的这种光纤段2和尾端段3分开式的结构，使得尾端段3能够选择具有一些特殊性质的光纤，如弯曲不敏感光纤、超低损耗单模光纤等，且在使用过程中，端部容易受外界碰触而损坏，而分段式结构易于更换端部结构。
实施例2
与实施例1的传感结构相同，一种监测钢筋锈蚀状态的传感器的制作工艺，其步骤为：
A、根据以上所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，将长周期光纤光栅的一端切平，形成光纤光栅段1和光纤段2；
B、光纤光栅段1内部是光纤光栅段纤芯4，在光纤光栅段1表面镀一层光纤光栅段金属膜7，长周期光纤光栅表面形成等离子体共振效应；
C、选取普通圆柱形单模光纤，在该单模光纤的端面镀一层尾端段端面金属膜9，以形成高反射率镜面，在该单模光纤的表面镀一层尾端段金属膜8，该单模光纤为尾端段3；
D、将光纤段2与尾端段3熔接，形成探头传感结构，构成长周期光纤光栅传感11；
E、选取一根钢筋13，将钢筋13放置在基座12内，在基底12内部填充酚醛树脂121，同时将钢筋混凝土孔隙液渗透到酚醛树脂121内；
F、基座12内设有支架111，长周期光纤光栅传感11放置在支架111上，两端固定在基座12内；长周期光纤光栅传感11的两端采用环氧树脂胶进行固定；
G、基座12用水泥砂浆14浇筑，水泥砂浆14封装的厚度为15-30mm，这样能够使得基座12中的钢筋13所在的环境与基座12外部环境相同，即氯离子浓度相同，如果水泥砂浆14封装的太厚，基座12外部空气进不来，检测到的基座12的氯离子浓度并非建筑物的钢筋实际所处的环境，监测数值误差较大，不具有代表性，没有参考意义；如果水泥砂浆14封装的太薄，又不能够起到固定支撑的作用，基座12以及基座12内部的结构部件将不能稳固安全的存在。
实施例3
与实施例1和2类似，一种监测钢筋锈蚀状态的传感器的钢筋锈蚀监测方法，其步骤为：
A、将光纤光栅段1引出的传输线缆与光纤光栅解调仪10连接，光纤光栅解调仪10的精度与光谱仪的精度对比连接；
B、光纤光栅解调仪10通道内部发出的光依次经过光纤光栅段1、光纤段2和尾端段3，
C、光在光纤光栅段1上发生SPR效应，通过光纤段2到达探头传感端面61；
D、光从探头传感端面61被反射回来，依次经过尾端段3、光纤段2和光纤光栅段1，发生SPR效应，且与前向传输的光发生自干涉效应，返回到光纤光栅解调仪10通道内；前向传输的光与反向传输的光发生自干涉效应，这种自干涉效应对环境折射率也尤为敏感，与本身的SPR效应相结合，能够大幅度提高传感器对环境折射率的灵敏度，即提高检测灵敏度。
E、光纤光栅解调仪10将光传输过程中的光谱显示出来；
F、把钢筋锈蚀的状态和光谱的谐振峰波长的偏移联系起来，从而计算出实际中钢筋锈蚀的状态。
对于我国沿海的混凝土结构而言，氯离子侵蚀是造成混凝土中钢筋锈蚀的主要原因之一。氯离子侵入混凝土，导致混凝土内钢筋失去钝化膜保护，是混凝土中钢筋发生锈蚀的先决条件。在氯腐蚀环境下，氯离子从混凝土外表面向内扩散，当钢筋表面氯离子浓度超过一定含量，钢筋就会以较快速度开始腐蚀，该阈值称为临界氯离子浓度。因此，若能对钢筋周围氯离子浓度进行监测，判断其是否达到临界氯离子浓度，则能够实现对钢筋的早期锈蚀监测。
文献Diamond S，chloride concentration in concrete pore solutionresulting from calcium and sodium chloride admixtures[M],cement concrete andaggregates,1986中给出了不同PH碱溶液中钢的[Cl]/[OH-]临界值，如下表：
表1 不同PH碱溶液中钢的[Cl]/[OH-]临界值
考虑到一般混凝土氢氧化钙的值为2750mol/m3，而溶解度为220mol/m3，即[OH-]为44mol/m3，如取[Cl]/[OH-]等于0.6，则相应的氯离子浓度可计算为26.4mol/m3，换算得钢筋开始锈蚀时的氯离子临界浓度为0.9372*10-6kg/cm3。由此可见，氯离子浓度与钢筋锈蚀有直接的关系。
本发明的长周期光纤光栅折射率的敏感性，能够监测出钢筋周围环境的变化，而环境中的氯离子浓度是影响钢筋锈蚀状态的主要原因，本发明的传感器能够检测出钢筋所在环境中的氯离子浓度，光谱的谐振峰波长的偏移反映出钢筋所在环境中的氯离子浓度值，根据以上所述，氯离子浓度与钢筋锈蚀之间的关系，进而从光谱的谐振峰波长的偏移，判断出钢筋锈蚀的状态。
本发明通过光纤光栅解调仪10通道内部发出的光经过本发明的传感器后，被反射回光纤光栅解调仪10并显示光谱，不需要采用宽带光源及光谱仪进行测量，从而节省了成本，便于在实践中推广使用，且不要占用较多人力。
实施例4
本实施例与实施例1类似，不同之处在于，利用酚醛树脂121的透水性，保证传感器内的钢筋13与外界钢筋所处的环境相同，基座12的材料为不锈钢；本发明结构简单，易于操作，抗振动，抗冲击，解决了长周期光纤光栅在实际使用过程中监测不方便的问题；
在长周期光纤光栅10表面涂覆的金属膜是钯金膜，钯金膜具有高反射率，不易氧化，极易与光纤附着粘合。将钢筋混凝土孔隙液渗透到酚醛树脂121内，采用温度补偿的方法，将其去敏，有效分离氯离子浓度。
采用探头传感端面61结构，是为了将透射式长周期光纤光栅变为反射式的，支架111是Y型，材料为不锈钢，并且通过焊接的方式固定在钢筋13上，两个Y型支架111之间的距离大约为15cm。支架111在同一水平面上，且与钢筋13距离大约4-6mm。水泥封装的厚度大约为15-30mm。
实施例5
一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，所需要的材料有剥线钳、光纤切割刀、熔接机、酒精泵、棉花、环氧树脂胶、酚醛树脂121、不锈钢材料、长周期光纤光栅、金属膜、Y型支架111、水泥砂浆14等。结合图1-5，以下为具体步骤：
1.选取一根直径为25mm的钢筋13，将钢筋13按照图1放置。
2.在不锈钢基座12内部填充酚醛树脂121，同时将钢筋混凝土孔隙液渗透到酚醛树脂121内，用于模拟钢筋13所在的环境。
3.用剥线钳将长周期光纤光栅10的保护层、涂覆层以及包层去除，得到4-5cm的裸光纤，用沾有酒精的棉花将纤芯表面擦拭干净，然后将长周期光纤光栅放在光纤切割刀上面把端面切平，形成光纤光栅段1和光纤段2。然后取一段纯光纤，将其端面切平，形成尾端段3，同样用酒精擦拭洁净，通过光纤熔接机将尾端段3熔接在光纤段2的端面，然后在光纤光栅段1表面镀一层光纤光栅段金属膜7，在尾端段3的端面镀一层尾端段端面金属膜9，以形成高反射率镜面，在尾端段3的表面镀一层尾端段金属膜8，镀膜的方法是：采用镀膜设备HUMMER离子镀膜仪，镀膜材料为钯金，选择钯金的原因是由于其具有高反射率、不易氧化，从而提高了监测的灵敏度，极易与光纤附着粘合，镀膜时间为5min，镀膜后端面反射率可达75％，尾端段端面金属膜9作为全波段的端面反射镜，并且光纤光栅段1到尾端段端面金属膜9的中间存在一定的距离，这样就形成一种单端反射式长周期光纤光栅。
4.将单端反射式长周期光纤光栅拉直，放置在Y型支架111上，长周期光纤光栅这一端用环氧树脂胶进行固定。
5.最后用水泥砂浆14浇注，水泥封装的厚度大约15-30mm，使其整个监测系统抗振动，抗冲击，一种单端反射式长周期光纤光栅的钢筋锈蚀监测传感器制作完成。
6.钢筋锈蚀的监测的仪器使用的是光纤光栅传感解调仪10，选用MicronopticsSM-125，从而来监测钢筋锈蚀的状态。
实施例6
下面论述单端反射长周期光纤光栅探头(Single Coating Long-period-fibergrating，SCLPG)的传感原理。
本实施例是对所有实施例的原理论述，单端反射长周期光纤光栅探头(SingleCoating Long-period-fiber grating，SCLPG)的传感原理：
LPFG的模式耦合属于纤芯基模LP01与同向传输的一阶包层模LP0m之间的耦合。由耦合模理论可知，长周期光纤光栅的相位匹配条件可由式表示：
分别为光纤纤芯和第m次包层模的有效折射率。纤芯基模的有效折射率由纤芯折射率n1和包层折射率n2决定，而包层模的有效折射率与n1，n2有关的同时，还与环境折射率nsur有关，当环境折射率变化将引起包层模有效折射率的变化，进而引起谐振波长λL的漂移。因此，LPFG的谐振波长对外界环境折射率的变化尤为敏感，对一周期固定的LPFG，有：
同时，随着环境折射率nsur的变化，LPFG在谐振波长λL处的透射率T也相应发生变化：
T＝sin2(kL)
其中：为纤芯基模与包层模之间的耦合系数，L为光栅长度。
I为纤芯区域内基模与包层模的交叉积分。其中：Ecore，Eclad分别为纤芯基模和包层模的电场幅值，Dnco为纤芯的调制率，a为纤芯半径。
由此可见，当LPFG受到外界折射率发生变化时，将引起包层模有效折射率的变化，由此使谐振波长λL发生漂移，同时，的变化也改变积分I值，从而引起耦合系数k的变化，进而使得谐振波长λL对应的透射率发生变化，即LPFG的整个透射谱发生变化。
长周期光纤光栅的光栅周期一般在100μm以上，它基于光纤内满足相位匹配条件的同向模式之间的谐振耦合，是将前向传输的导模与其他前向导模或前向辐射模之间耦合，将光波中某频带的光耦合到包层中去而损耗掉，因此无后向反射。而当在光栅端面镀上反射率高的金属膜之后，本来经过LPFG的透射光将在端面反射，形成单端反射长周期光纤光栅探头。并且经实验验证，其同样具有温度、折射率传感特性。
在环境折射率小于包层模折射率1.458左右时，谐振波长随着环境折射率的增加向短波方向偏移，在靠近包层折射率时，偏移量显著变大，此时LPFG对折射率的敏感性增加；当环境折射率增加到等于包层折射率时，此时可认为包层半径无限大，耦合峰全部消失；而当环境折射率继续增大到高于包层折射率时，谐振波长重新在初始位置出现，且随着折射率的继续增加，谐振峰位置几乎不变，但此时耦合强度降低，透射率增加，谐振峰深度变浅。通过实验可知，钢筋锈蚀较严重时，锈水折射率为1.3536，仍小于包层模的折射率1.458，即仍然处于可监测范围。
实施例7
本实施例与实施例1类似，其中不同之处在于，光纤光栅段1的长度为4cm，光纤段2的长度为1cm，尾端段3的长度为1cm；光纤光栅段金属膜7的厚度为50nm，尾端段金属膜8、尾端段端面金属膜9的厚度均为700nm；水泥砂浆14封装的厚度为15mm。
实施例8
本实施例与实施例1类似，其中不同之处在于，光纤光栅段1的长度为6cm，光纤段2的长度为2cm，尾端段3的长度为6cm；光纤光栅段金属膜7的厚度为100nm，尾端段金属膜8、尾端段端面金属膜9的厚度均为1000nm；水泥砂浆14封装的厚度为30mm。
实施例9
本实施例与实施例1类似，其中不同之处在于，光纤光栅段1的长度为5cm，光纤段2的长度为1.5cm，尾端段3的长度为5cm；光纤光栅段金属膜7的厚度为70nm，尾端段金属膜8、尾端段端面金属膜9的厚度均为900nm；水泥砂浆14封装的厚度为28mm。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，包括长周期光纤光栅传感(11)，其特征在于，长周期光纤光栅传感(11)包括光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)，还包括基座(12)、钢筋(13)和水泥砂浆(14)，从左到右依次为光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)，光纤光栅段(1)的表面上设有一层光纤光栅段金属膜(7)，且光纤光栅段(1)由内至外依次为光纤光栅段纤芯(4)和光纤光栅段金属膜(7)，尾端段(3)的表面上设有一层尾端段金属膜(8)，且尾端段(3)由内至外依次为尾端段纤芯(6)和尾端段金属膜(8)，尾端段(3)的端面上设有一层尾端段端面金属膜(9)；钢筋(13)和长周期光纤光栅传感(11)均放置在基座(12)内，基座(12)的外部为一层水泥砂浆(14)。
2.根据权利要求1所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，其特征在于，所述的光纤光栅段金属膜(7)、尾端段金属膜(8)和尾端段端面金属膜(9)均为钯金膜。
3.根据权利要求2所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，其特征在于，基座(12)内设有支架(111)，长周期光纤光栅传感(11)放置在支架(111)上，两端固定在基座(12)内。
4.根据权利要求3所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，其特征在于，光纤光栅段金属膜(7)的厚度为50-100nm，尾端段金属膜(8)、尾端段端面金属膜(9)的厚度均为700-1000nm。
5.根据权利要求3所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，其特征在于，所述光纤光栅段(1)的长度为4-6cm，光纤段(2)的长度为1-2cm，尾端段(3)的长度为1-6cm。
6.一种如权利要求4所述的监测钢筋锈蚀状态的传感器制作方法，其特征在于：
A、根据权利要求1所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，将长周期光纤光栅的一端切平，形成光纤光栅段(1)和光纤段(2)；
B、光纤光栅段(1)内部是光纤光栅段纤芯(4)，在光纤光栅段(1)表面镀一层光纤光栅段金属膜(7)，长周期光纤光栅表面形成等离子体共振效应；
C、选取普通圆柱形单模光纤，在该单模光纤的端面镀一层尾端段端面金属膜(9)，以形成高反射率镜面，在该单模光纤的表面镀一层尾端段金属膜(8)，该单模光纤为尾端段(3)；
D、将光纤段(2)与尾端段(3)熔接，形成探头传感结构，构成长周期光纤光栅传感(11)；
E、选取一根钢筋(13)，将钢筋(13)放置在基座(12)内，在基座(12)内部填充酚醛树脂(121)，同时将钢筋混凝土孔隙液渗透到酚醛树脂(121)内；
F、基座(12)内设有支架(111)，长周期光纤光栅传感(11)放置在支架(111)上，两端固定在基座(12)内；
G、基座(12)用水泥砂浆(14)浇筑。
7.根据权利要求6所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器制作方法，其特征在于，长周期光纤光栅传感(11)的两端采用环氧树脂胶进行固定。
8.利用如权利要求4所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器的钢筋锈蚀监测方法，其特征在于：
A、根据权利要求1所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，将光纤光栅段(1)引出的传输线缆与光纤光栅解调仪(10)连接，光纤光栅解调仪(10)的精度与光谱仪的精度对比连接；
B、光纤光栅解调仪(10)通道内部发出的光依次经过光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)；
C、光在光纤光栅段(1)上发生SPR效应，通过光纤段(2)到达探头传感端面(61)；
D、光从探头传感端面(61)被反射回来，依次经过尾端段(3)、光纤段(2)和光纤光栅段(1)，发生SPR效应，且与前向传输的光发生自干涉效应，返回到光纤光栅解调仪(10)通道内；
E、光纤光栅解调仪(10)将光传输过程中的光谱显示出来；
F、把钢筋锈蚀的状态和光谱的谐振峰波长的偏移联系起来，从而计算出实际中钢筋锈蚀的状态。
CN201610410965.7A 2016-06-03 2016-06-03 一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法 Active CN105842148B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610410965.7A CN105842148B (zh) 2016-06-03 2016-06-03 一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610410965.7A CN105842148B (zh) 2016-06-03 2016-06-03 一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN105842148A CN105842148A (zh) 2016-08-10
CN105842148B true CN105842148B (zh) 2019-02-26

Family

ID=56575776

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610410965.7A Active CN105842148B (zh) 2016-06-03 2016-06-03 一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105842148B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106896108B (zh) * 2017-04-21 2023-05-16 青岛理工大学 一种钢筋锈蚀光纤传感监测装置
CN106932337B (zh) * 2017-05-04 2019-08-16 中交天津港湾工程研究院有限公司 多光纤光栅钢筋腐蚀传感器系统的数据处理方法
CN108426840A (zh) * 2018-05-21 2018-08-21 大连理工大学 一种实时测量混凝土内部湿度的传感器
CN109406528B (zh) * 2018-09-07 2021-03-02 昆明理工大学 一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置及其温度补偿方法
CN109443973A (zh) * 2018-12-12 2019-03-08 中国计量大学 一种基于tfbg的海洋环境中钢筋腐蚀传感器
CN110346270B (zh) * 2019-07-10 2021-07-23 中国科学院金属研究所 一种防锈包装保护状态诊断与预警方法
CN111289473A (zh) * 2020-03-11 2020-06-16 大连理工大学 一种基于光子晶体光纤探头的钢材腐蚀传感器
CN113587821A (zh) * 2021-06-30 2021-11-02 大连理工大学 一种用于监测钢混组合结构界面相对滑移的光纤传感器

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6275628B1 (en) * 1998-12-10 2001-08-14 Luna Innovations, Inc. Single-ended long period grating optical device
CN101042328A (zh) * 2007-04-26 2007-09-26 南京航空航天大学 长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器
CN101545851A (zh) * 2009-04-27 2009-09-30 浙江大学 基于长周期光纤光栅的反射型光纤生化传感器及制作方法
CN102829893A (zh) * 2012-09-20 2012-12-19 中国人民解放军国防科学技术大学 一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法
CN205665152U (zh) * 2016-06-03 2016-10-26 安徽工业大学 一种监测钢筋锈蚀状态的传感器

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9534937B2 (en) * 2013-07-30 2017-01-03 Habsonic, Llc Distributed microwave Fabry-Perot interferometer device and method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6275628B1 (en) * 1998-12-10 2001-08-14 Luna Innovations, Inc. Single-ended long period grating optical device
CN101042328A (zh) * 2007-04-26 2007-09-26 南京航空航天大学 长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器
CN101545851A (zh) * 2009-04-27 2009-09-30 浙江大学 基于长周期光纤光栅的反射型光纤生化传感器及制作方法
CN102829893A (zh) * 2012-09-20 2012-12-19 中国人民解放军国防科学技术大学 一种通过腐蚀得到不同直径光纤光栅来同时测量温度和应力的方法
CN205665152U (zh) * 2016-06-03 2016-10-26 安徽工业大学 一种监测钢筋锈蚀状态的传感器

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Single-ended LPFG Refractive Index Sensor Based on Metal-coated Surface Plasma Resonance;ZHAO Min-fu et al.;《Opto-Electronic Engineering》;20090731;第36卷(第7期);第146-147页
基于光纤光栅光谱分析的混凝土结构钢筋锈蚀监测;王彦 等;《光谱学与光谱分析》;20081130;第28卷(第11期);第2660-2664页
基于长周期光纤光栅折射率敏感特性的混凝土结构钢筋锈蚀监测;刘宏月 等;《光学学报》;20110831;第31卷(第8期);第0806009-1~0806009-4页
基于长周期光纤光栅迈克耳孙干涉仪的溶液饱和点测量;张斌 等;《光子学报》;20140930;第43卷(第9期);第0906006-1~0906006-5页

Also Published As

Publication number Publication date
CN105842148A (zh) 2016-08-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105842148B (zh) 一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法
CN105842147B (zh) 一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法
CN101566580B (zh) 混凝土中钢筋锈蚀状态的分阶段监测方法及传感器
CN205665152U (zh) 一种监测钢筋锈蚀状态的传感器
CN101825499A (zh) 一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量方法
CN106052727B (zh) 一种基于光纤微型法布里-珀罗腔的传感器装置
Bocherens et al. Damage detection in a radome sandwich material with embedded fiber optic sensors
Bing et al. A surface-plasmon-resonance sensor based on photonic-crystal-fiber with large size microfluidic channels
CN105973279B (zh) 一种单端反射式长周期光纤光栅传感器及其制作工艺
CN201765352U (zh) 一种基于光纤布里渊散射原理的海水温度剖面测量光缆
CN205665151U (zh) 一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器
CN106199824A (zh) 光纤
CN202720372U (zh) 紧套光纤光栅串传感光缆
CN108181229B (zh) D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法和应用
Liu et al. Distributed optical fiber sensing of cracks in concrete
CN103090990A (zh) 一种耐高温光纤宏弯损耗温度传感器的制造方法
Measures Smart composite structures with embedded sensors
CN212111132U (zh) 一种用于监测预应力钢绞线腐蚀断裂的智能锚具
Ansari Real-time condition monitoring of concrete structures by embedded optical fibers
CN206725132U (zh) 一种基于异质光纤的压力传感器及压力传感装置
KR100726206B1 (ko) 이상상태 검출을 위한 광섬유 이중모드 간섭형 센서와 이를이용한 이상 탐지 신호처리 방법
CN103123406A (zh) 一种光纤
CN102346078A (zh) 金属基带状分布式光纤传感器
Suopajaervi et al. Indicating cure and stress in composite containers using optical fibers
CN206772825U (zh) 一种基于pva湿敏材料的细芯迈克尔逊干涉仪的折射率传感器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Wang Yan

Inventor after: Liu Jiaping

Inventor after: Kong Zhengyi

Inventor after: Zhang Jiayan

Inventor after: Wang Bing

Inventor before: Wang Yan

Inventor before: Liu Jiaping

Inventor before: Kong Zhengyi

COR Change of bibliographic data
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant