CN108181229B - D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法和应用，包括D形聚合物光纤，D形聚合物光纤设置在钢筋元件的表面，D形聚合物光纤的拉应力随钢筋元件的腐蚀集中，通过D形聚合物光纤D形截面变化确定钢筋元件的腐蚀情况。本发明将D形聚合物光纤设置在钢筋元件的表面，D形聚合物光纤的拉应力随钢筋元件的腐蚀集中，通过D形聚合物光纤D形截面变化确定钢筋元件的腐蚀情况。采用与工程用钢同材质的钢筋元件，更加贴近实际情况；传感器灵敏度好、准确度高、抗电磁干扰强，可以实现混凝土中钢筋的无损、定量和在线监测，为及早发现腐蚀及时采取措施提供条件。

Description

D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法和应用。
背景技术
在世界范围内钢筋的诱蚀被视为导致混凝土结构过早破坏的最重要的一个因素，钢筋腐蚀会降低混凝土结构的延性并会降低其承载能力，这样的结果是直接影响了结构的安全性能和耐久性能，较为严重的腐蚀还会直接造成结构的破坏，从而导致高额的维护成本。对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀状态的监测是一个亟待解决的重要问题，如果能够实时掌握钢筋的腐蚀信息并对结构进行耐久性评估，就可以作为结构加固、维修和防护的依据，从而避免恶性事故的发生，因此钢筋锈蚀监测具有重要的实际意义。
钢筋腐蚀监测就是对钢筋腐蚀速度及某些与腐蚀速度有关的参数进行连续或断续的测量，同时根据测量结果对有关条件进行控制。其目的在于揭示钢筋腐蚀过程以及了解如何对钢筋腐蚀进行控制及控制效果，钢筋腐蚀监测获得的数据为结构的耐久性评估提供重要依据，同时腐蚀监测也是监控、评价腐蚀效果的有效手段。钢筋锈蚀的检测/监测方法很多，可以分为物理检测法、电化学检测法、光纤腐烛传感器监测法。
物理检测法主要有破损检测法外观检查法、钢筋探头称量法、电阻探头法、声发射法、磁通减量法、涡流法等。物理检测法由于对结构有损害、测量精度低、只能用于较严重锈蚀的钢筋检测，而不能起到防范作用等原因，这种检测方法在工程中应用较少。
钢筋锈蚀本质上是电化学过程，因此电化学方法成为检测钢筋锈蚀的基本方法，也是目前技术比较成熟的方法。电化学方法常用的主要有半电池电位法、混凝土电阻率法、线性极化法。化学检测法只能定性判断钢筋的锈蚀状态，测量精度低、且容易受到混凝土含水率等外界因素的干扰。
物理检测法和电化学检测法通常是定期检测，而光纤腐蚀传感器监测法能够在线实时监测。光纤腐蚀传感器轻便简洁、体积小、测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、适合于隐蔽部位以及危险区域等特定部位的监测，因此光纤腐蚀传感器在钢筋锈蚀监测领域得到了广泛应用和研究。
目前，国内外开发的钢筋腐蚀光纤传感器基于的原理大致包括：对腐蚀环境参数监测、“腐蚀保险丝”、铁锈颜色的检测、弹簧锈蚀、金属腐蚀敏感膜、钢筋腐蚀体积膨胀等。
1995年，K.D.Bennett设计的“腐蚀保险丝”传感方案，其原理是保险丝未断开时，光纤弯曲，当腐蚀传感器处于腐蚀介质中时,腐蚀“保险丝”会生锈变细而断裂，弯曲光纤失去约束而弹开，恢复自然状态，其曲率将变小甚至为零，从而使通过光纤的光能量迅速增加，通过设计不同粗细的保险丝可反映不同程度的腐蚀情况，再通过钢筋与保险丝的腐蚀对比实验就可推断出钢筋腐蚀程度及速率。该传感器能较好地反映出腐蚀“保险丝”是否断裂，但是对腐蚀“保险丝”发生腐蚀而未断裂的情况并无响应。
1997年，美国的ASTM委员会(美国试验和材料学会)于在Vermont地区的Waterbury-Duxbury桥上采取埋置式方法，安装了光纤氯离子腐蚀监测系统，非破坏性地直接监测混凝土中氯离子渗透浓度。由于其信号响应慢、范围窄、耐久性差等，在混凝土结构中运用还存在许多实际问题。
1997年Greene J.A.等人设计一种监测钢筋腐蚀体积膨胀的腐蚀传感器，其原理是在金属板表面用透明合成树脂板包裹，两端用螺栓固定，当金属腐蚀后，体积膨胀，螺栓中间部分金属体积膨胀而使树脂板变形发生"垫枕效应"，在树脂板外表面安置法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪，由于树脂板的应变与光纤F-P腔传感器的腔长同步变化，采用光电探测器可监测到光纤输出光强的改变，从而推断出可测得金属腐蚀的程度及速率，这种方法精度很高且可重复。
1997年，Greene J A等设计一种基于预拉应力松弛的光纤光栅腐蚀传感器，其原理是用光栅外套毛细管状金属管，光纤光栅预先拉伸并粘贴在金属管两端，因此光栅存在一定的预应变，当金属管腐蚀后，厚度减小，对光栅产生的预拉应力松弛，光栅应变减小，通过监测波长漂移过程则可推断钢筋腐蚀程度及速率，这种方法精度高，而且金属管可以任意形状，容易制作。由于光栅预先拉伸，即使没有腐蚀发生，应变也会因预应力松弛及环氧的蠕变而有所减小，不利于钢筋腐蚀的长期监测。
1998年，Fuhr P.L等人设计一种监测钢筋表面颜色的变化来推断钢筋腐蚀的传感器。混凝土结构中，钢筋腐蚀生成铁锈，其主要成分是氧化亚铁(红棕色)。在光纤端面通过不同试剂对铁锈的变色，采用光谱分析仪探测钢筋腐蚀和未腐蚀情况下反射光谱信号的变化，来推断钢筋是否腐蚀。这种方法简单、方便，但是其缺点是监测钢筋腐蚀程度不连续，只能根据预先设定的试剂监测铁锈是否生成，作阈值判断，反映早期腐蚀。
1999年，黎学明等人采用Fe-C合金腐蚀敏感膜取代光纤原有石英包层。其原理是包层在腐蚀环境作用下厚度减小，从而改变了光纤的波导条件，探测其光能量或偏振态的变化即可实现对Fe-C合金膜腐蚀过程的监测。这种方法测量精度很高，但是由于镀膜厚度较小，只能监测钢筋的早期腐蚀，不能监测整个腐蚀过程。
2006年，严云和江毅等人利用FBG应变传感原理来直接监测钢筋体积变化而设计的一种光纤布喇格光栅(FBG)腐蚀传感器。具体方法是将光纤光栅固定在圆形钢筋的表面，钢筋腐蚀后，直径增大，光纤光栅所受到的拉伸应变将增大，使光纤光栅的反射光波长发生变化，通过测量光纤光栅的波长移动就可以测得钢筋腐蚀程度。这种方法很直接，测量精度高，但是由于光栅的有效极限拉应变有限，故监测范围有限，也只能用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测。
2011年，赵雪峰等人基于布里渊散射和光时域反射仪技术提出了一种新的光纤腐烛传感器，其原理是把光纤在抛光处理的钢筋表面上紧紧缠绕若干圈后，用胶固定住其两端。为保证实验效果，使用的光纤是抗折光纤，此外，为防止光纤遭到破坏，对光纤采取双重保护措施：在光纤外侧用透水材料加以保护；在透水材料层外侧再设置铁丝网保护。钢筋锈烛后体积膨胀，使光纤受拉而产生拉应变，通过光时域反射仪检测到布里渊频移就可以推算出光纤和钢筋的应变。该传感器的缺点是光纤固定点容易脱落、光纤缠绕过密以及透水材料保护层等还会影响钢筋真实的锈蚀状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法和应用，将传感器和信号传输集于一体，体积小，测量精度高，可靠性好，耐腐蚀，抗电磁干扰，抗雷电，寿命长等优点，以提高钢筋腐蚀传感器监测的准确性、灵敏性和可靠性，使其更好地实现混凝土中钢筋腐蚀的无损、定量、在线监测。
本发明采用以下技术方案：
一种D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器，包括D形聚合物光纤，D形聚合物光纤的一端用于接收光源发出的入射光，另一端与数据采集模块连接，D形聚合物光纤包括外部设置有涂覆层的光纤内核，光纤内核由内向外依次包括纤芯和包层，在D形聚合物光纤上设置有横截面呈规则的D形结构面用于形成D形柱状结构。
进一步的，纤芯的两端为圆柱状结构，中部为双锥形耦合区段。
进一步的，耦合区段中部D形锥区的纤芯半径为240～600μm。
进一步的，耦合区段的长度为10～100mm。
进一步的，D形结构面设置在D形聚合物光纤的任意一段上。
一种利用D形缠绕式聚合物光纤传感器应用于钢筋腐蚀监测，将D形聚合物光纤通过钢筋元件两端的固定点等间距缠绕在钢筋元件的表面，D形聚合物光纤的拉应力随钢筋元件的腐蚀集中，通过D形聚合物光纤D形截面变化确定钢筋元件的腐蚀情况。
一种D形缠绕式聚合物腐蚀光纤传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、选择D形聚合物光纤上任意一段，用剥线钳去除涂覆层；
S2、将去除涂覆层后裸露的纤芯表面的一侧用砂纸来回打磨直至形成D形柱且直径粗细均匀的D形结构面，然后用砂纸来回打磨弧形所在的侧面，去除纤芯的外包层；
S3、对加工完成形成的D形区域进行清洗。
进一步的，步骤S2中，采用单侧打磨的方式，保证加工的D形结构部分截面保持粗细均匀，中心区域采用粗一级磨细后再用细砂纸重复打磨光滑，打磨过程中用游标卡尺测量中心区域尺寸，直到形成粗细均匀并符合目标直径尺寸的D形结构面。
进一步的，步骤S3中，D形区域采用异丙醇进行清洗。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
一种D形聚合物光纤，D形聚合物光纤一端用于接收光源发出的入射光，另一端与数据采集模块连接，将传感器和信号传输集于一体，体积小，测量精度高，可靠性好，耐腐蚀，抗电磁干扰，抗雷电，寿命长，目前在土木工程方面的研究及运用较为广泛，D形聚合物光纤包括外部设置有涂覆层的光纤内核，光纤内核由内向外依次包括纤芯和包层，结构简单、取材方便、容易制作、成本低廉、适合大批量生产，聚合物光纤传感器灵敏度受温度、应变等外界因素的影响很大，传感的工作原理是通过沿光纤内部多次反射衰减全内反射，在光纤探头和外部环境的界面中，形成了一个衰减的电场，称为衰减波。环境折射率的变化会影响到衰减场的强度。通过光纤传播的不同模式具有不同的消失场，这是指在核外辐射的光场。随着模态的增加，渐近场将会增加，因此，高阶模态在渐近区具有更大的光功率分布。
进一步地，D形耦合区段中半径为240～600μm，经实验证明，D形耦合区段的半径越小灵敏度越高，D形结构区域长度L越长，灵敏度越高。
进一步的，D形聚合物光纤等间距缠绕在钢筋元件上，通过固定点与钢筋元件固定连接，传感器布设方便、安装简易，易于将多个传感器联网，实现对结构中钢筋的全面腐蚀实时监测。
一种D形缠绕式聚合物光纤传感器的应用，将D形聚合物光纤设置在钢筋元件的表面，D形聚合物光纤的拉应力随钢筋元件的腐蚀集中，通过D形聚合物光纤D形截面变化确定钢筋元件的腐蚀情况。采用与工程用钢同材质的钢筋元件，更加贴近实际情况；传感器灵敏度好、准确度高、抗电磁干扰强，可以实现混凝土中钢筋的无损、定量和在线监测，为及早发现腐蚀及时采取措施提供条件。
一种D形缠绕式聚合物光纤传感器的制备方法，采用磨砂打磨的方式，可以实时量测，便于精确控制D形结构长度、D形截面尺寸，磨砂单侧打磨的方式能够有效提高精确度。同时，通过磨砂打磨的方式，能够去掉光纤的外包层，提高其传感灵敏度。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明D形聚合物光纤剖面结构示意图；
图2为本发明传感器结构示意图。
其中：1.纤芯；2.包层；3.涂覆层；4.D形聚合物光纤；5.钢筋元件；6.固定点。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“左”、“右”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
混凝土中钢筋腐蚀的机理与特点：
钢筋在高碱性的环境条件，表面存在一层致密的、分子和离子难以穿过薄膜，即“钝化膜”，防止钢筋进一步的氧化、腐蚀。但当氯离子侵蚀时(海水或氯盐等)，氯离子通过混凝土固有的孔隙和微裂缝到达钢筋表面，并吸附于局部钝化膜表面，使该处的pH值降低，从而使钢筋表面钝化膜被溶解、破坏，在钢筋表面形成了腐蚀电池，使得钢筋表面产生局部腐蚀，随后，更多的局部腐蚀点的出现使得腐蚀开始布满钢筋表面，最后导致钢筋整个表面腐蚀，混凝土出现胀裂，又进一步加快钢筋腐蚀。钢筋锈蚀生成的绣烛产物体积膨胀倍且为疏松片状结构，这使得一方面钢筋的截面积减小，强度和延性降低；另一方面混凝土的保护层因为钢筋的锈蚀而产生开裂、脱落的情况，使得混凝土的有效截面积变小，同时钢筋与混凝土的粘结性能降低或丧失。
本发明提供了一种用于钢筋腐蚀监测的D形缠绕式聚合物光纤传感器，利用钢筋锈蚀体积膨胀原理，当传感器处于腐蚀环境中，钢筋锈蚀生成的绣烛产物体积膨胀，两端被固定的光纤紧贴着钢筋元件，会随着钢筋一起变形，光纤受到拉应力，检测通过光纤的光强度变化，进而可以实时监测钢筋腐蚀的程度和速率。
光纤工作的基本原理：
基于光的全反射现象，根据几何光学原理，所有的光传播均遵循斯涅耳(snell)原理。由于纤芯折射率n1大于包层折射率n2，内部全反射的条件是满足临界角θ0。
其中，n1，n2是纤芯和包层各自的折射率，θ0是相对于光纤轴线的。
即要求的光线传播到光纤界面时，根据菲涅尔折射定律可知，入射角大于临界角时，入射光将不发生折射，全部沿着纤芯反射向前传播。因此，光纤能将以光形式出现的电磁波能量利用全反射的原理约束在其纤芯内，并引导光波沿着光纤轴线的方向前进。
请参阅图1，本发明用于钢筋腐蚀监测的D形缠绕式聚合物光纤传感器，包括D形聚合物光纤4，D形聚合物光纤4设置在钢筋元件5的表面，等间距缠绕在钢筋元件5上，通过分布在钢筋元件5两端的固定点6与钢筋元件5固定连接。
D形聚合物光纤4包括纤芯1、包层2和涂覆层3，纤芯1的一侧被打磨成水平面，与钢筋元件5紧贴设置，包层2设置在纤芯1的外部，涂覆层3设置在包层2的表面。
钢筋元件5是与工程所用钢筋等直径同材质的圆钢，其长度为圆钢半径的π倍，两端圆截面用涂料涂装，固定点6贯穿设置在钢筋元件5的两端。
钢筋腐蚀后体积变大使得D形结构光纤受到的拉应力更加集中，D型截面变小，通过光纤的光损增大。
描述光纤模式数的表达式被定义为V值，具体如下：
其中，λ代表光源的波长；r代表纤芯的有效半径；n1代表纤芯的折射率；n2代表外界环境的折射率。
D形聚合物光纤的具体制作方法如下：
S1、D形聚合物光纤包括光纤内核和涂覆层3，光纤内核由纤芯1和包层2组成，选择光纤探头上任意一段，用剥线钳去除涂覆层3；
S2、将去除涂覆层3后裸露的纤芯1表面的一侧用砂纸来回打磨直至形成D形柱且直径粗细均匀的D形结构面，然后用砂纸来回打磨弧形所在的侧面，主要目的就是去除纤芯的外包层2；
裸露的纤芯1表面用320型号砂纸仔细打磨。采用单侧打磨的方式，保证加工的D形结构部分截面保持粗细均匀，中心区域可采用粗一级磨细后再用细砂纸重复打磨光滑，打磨过程中可以随时用游标卡尺测量中心区域尺寸，便于精确控制D形结构长度、截面尺寸，直到形成粗细均匀并符合目标直径尺寸的D形结构面，耦合区段中部D形锥区的纤芯1半径为240～600μm，D形耦合区段的中央区半径越小灵敏度越高。D形耦合区段长度L可以在10～100mm之间。
S3、采用异丙醇对加工完成形成的D形区域进行清洗。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
D形聚合物光纤传感器缠绕在钢筋元件上，钢筋元件处于腐蚀环境中。光源发出入射光进入光纤的一端，另一端连接数据采集模块，钢筋腐蚀后体积变大使得D形结构光纤受到的拉应力更加集中，D形截面变小，通过光纤的光损增大。利用数据采集模块实时监测通过光纤光强度的变化，绘制成曲线图，可以间接反应钢筋腐蚀的情况。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，包括D形聚合物光纤(4)，D形聚合物光纤(4)的一端用于接收光源发出的入射光，另一端与数据采集模块连接，D形聚合物光纤(4)包括纤芯(1)、包层(2)和涂覆层(3)，纤芯(1)的一侧被打磨成水平面，与钢筋元件(5)紧贴设置，包层(2)设置在纤芯(1)的外部，涂覆层(3)设置在包层(2)的表面，纤芯(1)的两端为圆柱状结构，中部为双锥形耦合区段，耦合区段中部D形锥区的纤芯(1)半径为240～600μm，耦合区段的长度为10～100mm，在D形聚合物光纤(4)上设置有横截面呈规则的D形结构面用于形成D形柱状结构，D形结构面设置在D形聚合物光纤(4)的任意一段上。
2.一种利用权利要求中1所述D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器应用于钢筋腐蚀监测，其特征在于，D形聚合物光纤(4)通过钢筋元件(5)两端的固定点(6)等间距缠绕在钢筋元件(5)的表面，D形聚合物光纤(4)的拉应力随钢筋元件(5)的腐蚀集中，通过D形聚合物光纤(4)D形截面变化确定钢筋元件(5)的腐蚀情况。
3.一种制备权利要求1所述D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选择D形聚合物光纤上任意一段，用剥线钳去除涂覆层；
S2、将去除涂覆层后裸露的纤芯表面的一侧用砂纸来回打磨直至形成D形柱且直径粗细均匀的D形结构面，然后用砂纸来回打磨弧形所在的侧面，去除纤芯的外包层，耦合区段中部D形锥区的纤芯半径为240～600μm，D形耦合区段长度L为10～100mm；
S3、对加工完成形成的D形区域进行清洗。
4.根据权利要求3所述D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于，步骤S2中，采用单侧打磨的方式，保证加工的D形结构部分截面保持粗细均匀，中心区域采用粗一级磨细后再用细砂纸重复打磨光滑，打磨过程中用游标卡尺测量中心区域尺寸，直到形成粗细均匀并符合目标直径尺寸的D形结构面。
5.根据权利要求3所述D形缠绕式聚合物光纤腐蚀传感器的制备方法，其特征在于，步骤S3中，D形区域采用异丙醇进行清洗。
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