CN109406528B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明涉及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，属于岩土工程技术领域。本发明包括钢筋、至少一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块、光纤光栅温度补偿模块、光纤信号传输模块、介质层、保护层和传感器外壳。所述的介质层环绕且包裹住钢筋；所述的一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块放置在所测钢筋的两侧且连接于介质层上方，成对称结构，所述的保护层包裹住一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块；所述的光纤光栅温度补偿模块和钢筋的一侧连接；所述的光纤信号传输模块分别与一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块和光纤光栅温度补偿模块的一侧相连接。本发明可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测，具有较好的经济效益和社会效益。

Description

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

技术领域

本发明涉及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，属于岩土工程技术领域。

背景技术

钢筋混凝土结构的耐久性是指结构在设计要求的目标使用期内，在各种力学和非力学因素的长期作用下，不需要进行大量的加固处理而能保证其安全性和适用性的能力。即结构潜在的抵抗其自身或外界环境因素长期破坏作用的能力。钢筋混凝土中的钢筋腐蚀是影响结构耐久性的主要影响因素之一。与混凝土保护层碳化引起的钢筋腐蚀相比，氯离子入侵引起的钢筋腐蚀速度更快、造成的损失更大，已引起工程界和学术界的广泛关注。与钢筋腐蚀后采取防腐措施相比，通过一定的监测手段监测钢筋腐蚀危险性的情况并在钢筋腐蚀前采取防腐措施，经济消耗更少，防腐效果更好。

目前，常用的钢筋腐蚀检/监测方法主要有:钻芯取样法、半电池电位法、线性极化法、宏电流法、脉冲电流法等。钻芯取样法能较准确地测量钢筋腐蚀率，但这种方法会破坏结构的完整性。半电池电位法对结构破坏较小，但其只能定性判断钢筋腐蚀状况。其它三种技术与半电池电位法一样，属于电化学测试技术，理论上讲能够定量测量钢筋腐蚀率。然而实际上，由于混凝土介质中引起钢筋腐蚀的因素很多(包括CI^-浓度、O₂含量、pH值等)，而且电化学测试容易受介质条件影响，导致单种电化学测试技术往往很难真实反映钢筋腐蚀状况，必须将多种技术和参数结合综合分析才能合理地判断真实状况。此外，传统的检测方法需要逐点检测，工作量大，而且易受人为因素和自然条件(如风浪、天气等)的影响，耗费人力物力。而且，由于是人工定时采集数据，可能会导致腐蚀监测在时间上的不连续性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供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，其检测原理为设置一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变，同时单独设置一个光纤光栅温度补偿模块3来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变，进而分离出钢筋1由于锈蚀所引起的体积变化。通过监测波长的漂移可以直接测量钢筋1锈蚀程度，并且不受锈蚀因素的影响，可用于混凝土结构中钢筋1锈蚀的早期监测。

本发明采用的技术方案是：一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，包括钢筋1、至少一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2、光纤光栅温度补偿模块3、光纤信号传输模块4、介质层5、保护层6和传感器外壳7，所述的介质层5环绕且包裹住钢筋1；所述的一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2放置在所测钢筋的两侧且连接于介质层5上方，成对称结构，所述的保护层6包裹住一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2；所述的光纤光栅温度补偿模块3和钢筋1的一侧连接；所述的光纤信号传输模块4分别与一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3的一侧相连接。

每一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2成差动式对称结构，所述的光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3的感应元件采用光纤布拉格Bragg光栅。

所述的光纤布拉格Bragg光栅的测量精度优于±0.1μm，测量范围约12μm。

所述的介质层5的形状为多孔型介质垫层，材料选用聚四氟乙烯。

所述的保护层6为实心结构，采用的材料为水泥砂浆，其厚度保持在3--5mm之间。

所述的传感器外壳7采用金属制外壳。

一种根据所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置的温度补偿方法，

利用钢筋1腐蚀后体积膨胀而使光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2中光纤光栅发生波长漂移的原理来测量钢筋1的腐蚀程度，当温度、应变发生变化时，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2中光纤Bragg光栅中心反射波长的变化量表示为：

Δλ＝λ·[(1-P_ε)ε+(α+β)ΔT]

其中，λ为光栅的初始中心波长；Δλ为中心波长位移量；ε为整个光纤光栅区域的轴向应变；P_ε为光纤的有效弹光系数；α为光纤的热膨胀系数；β为光纤的热光系数；ΔT是温度变化量；

令：

则光栅中心波长位移为：

Δλ＝k₁ε+k₂ΔT

式中，k1为应变敏感系数，k2为温度敏感系数。

具体步骤如下：

假设钢筋1均匀腐蚀，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3与钢筋1的连接端能保持很好的固定效果，由于光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3中光栅材质相同，初始中心波长一样，则它们的P_ε、α、β相同，即两者的k₁、k₂一致，与此同时，两传感器中温度相同，ΔT也相等；

光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3的中心波长位移可分别表示为

因此，两者的光栅中心波长位移差为

Δλ_1-2＝Δλ₁-Δλ₂＝k₁(ε₁-ε₂)

式中，ε₁为光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2的轴向应变，ε₂为光纤光栅温度补偿模块3的轴向应变；

在此传感器装置中，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2的应变是由钢筋1径向尺寸的变化以及周围温度变化产生的，因此，对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2的应变而言，温度有双重影响，一方面钢筋随温度体积变化会造成光栅应变，从而引起波长的移动；另一方面是温度的变化也会使光栅产生应变，从而导致光栅波长的移动，而影响光纤光栅温度补偿模块3应变的因素只有一个，即传感装置中温度的变化；

设ε_c为腐蚀产生的应变，ε_T为温度引起的应变，设温度为增加，则

其中，α₁与α₂分别为钢筋1两处的热膨胀系数，α₁≈α₂，因此有

ε_T1＝ε_T2

由联立上式得

若不考虑钢筋1体积膨胀后与周围混凝土的相瓦作用，假设钢筋1初始直径为d₀，腐蚀后名义直径为d₁，而钢筋1净直径为d_p，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2中光纤光栅初始粘贴长度为l₀，拉伸后光纤光栅长度为l₁，则

设钢筋1腐蚀的体积膨胀率为n，钢筋1腐蚀率为ρ，则

由联立上式得

从上式可以看出，通过在线监测传感器中光栅波长移动，可以直接推算出钢筋腐蚀率。

本发明的有益效果是：

(1)本发明通过对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块1的合理设计，使其成差动式对称结构。可使传感装置的腐蚀检测精度得到提高，同时提升了传感装置的检测准确率。

(2)与现有技术相比，本发明单独设置一个光纤光栅温度补偿模块3来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变，进而分离出钢筋1由于锈蚀所引起的体积变化。通过监测波长的漂移可以直接测量钢筋1锈蚀程度，使本传感装置不会受到外界温度的影响，进一步提升本发明检测钢筋1腐蚀的正确率。量。

附图说明

图1为本发明一种用于检测钢筋腐蚀的差动式光纤传感装置的结构图；

图2为本发明一种用于检测钢筋腐蚀的差动式光纤传感装置的左视图；

图3为本发明图光纤Bragg光栅的结构示意图；

图4为本发明一种用于检测钢筋腐蚀的差动式光纤传感装置的工作实图。

图中各标号为：钢筋—1、光纤光栅腐蚀膨胀检测模块—2、光纤光栅温度补偿模块—3、光纤信号传输模块—4、介质层—5、保护层—6、岩石层—8、涂敷层—9、光纤纤芯—10、光纤包层—11。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1：如图1-4所示，一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，包括钢筋1、至少一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2、光纤光栅温度补偿模块3、光纤信号传输模块4、介质层5、保护层6和传感器外壳7组成。所述的介质层5环绕且包裹住钢筋1；所述的一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块5放置在所测钢筋的两侧且连接于介质层5上方，成对称结构，所述的保护层6包裹住一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块5；所述的光纤光栅温度补偿模块3和钢筋1的一侧连接；所述的光纤信号传输模块4分别与一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3的一侧相连接，本装置通过监测光纤光栅波长的漂移可以直接测量钢筋1的腐蚀程度，而且不受腐蚀因素的影响，同时提出了相应的温度补偿方法，监测由于钢筋1腐蚀和温度变化引起的光栅应变，进而分离出钢筋1由于锈蚀所引起的体积变化。本发明可用于混凝土结构中钢筋1腐蚀的早期监测。

进一步地，所述的光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2至少采用两个，成差动式对称结构，可将其检测腐蚀速率值提升一倍。所述的光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3的感应元件采用光纤布拉格Bragg光栅。

进一步地，将光纤光纤布拉格Bragg光栅用于测量混凝土中钢筋的腐蚀，测量精度优于±0.1μm，测量范围约12μm,特别适用于混凝土中钢筋1腐蚀的早期监测。

进一步地，所述的介质层5的形状为多孔型介质垫层，材料选用耐腐蚀性能良好的聚四氟乙烯。

进一步地，所述的保护层6为实心结构，采用的材料为水泥砂浆，其厚度保持在3--5mm之间。

进一步地，所述的传感器外壳7采用一般的金属制外壳。

光纤光栅温度补偿模块3具体的温度补偿方法为：

一种根据所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置的温度补偿方法，本发明提供的光纤传感装置利用了钢筋腐蚀膨胀原理与光纤布拉格光栅传感原理，其基本过程是通过钢筋1腐蚀所产生的直径变化对光纤布拉格光栅的中心波长进行调制来获得钢筋1的腐蚀信息。光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2中心波长的偏移由两部分组成，一部分是钢筋1腐蚀膨胀造成的应变所引起的，另一部是环境温度变化引起的。为了得到准确的腐蚀信息，有必要对因温度温度变化引起的波长偏移进行补偿。

原理是：

利用钢筋1腐蚀后体积膨胀而使光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2中光纤光栅发生波长漂移的原理来测量钢筋1的腐蚀程度，当温度、应变发生变化时，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2中光纤Bragg光栅中心反射波长的变化量表示为：

Δλ＝λ·[(1-P_ε)ε+(α+β)ΔT]

其中，λ为光栅的初始中心波长；Δλ为中心波长位移量；ε为整个光纤光栅区域的轴向应变；P_s为光纤的有效弹光系数；α为光纤的热膨胀系数；β为光纤的热光系数；ΔT是温度变化量；

令：

则光栅中心波长位移为：

Δλ＝k₁ε+k₂ΔT

式中，k1为应变敏感系数，k2为温度敏感系数。

具体步骤如下：

假设钢筋1均匀腐蚀，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3与钢筋1的连接端能保持很好的固定效果，由于光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3中光栅材质相同，初始中心波长一样，则它们的P_ε、α、β相同，即两者的k₁、k₂一致，与此同时，两传感器中温度相同，ΔT也相等；

光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3的中心波长位移可分别表示为

因此，两者的光栅中心波长位移差为

Δλ_1-2＝Δλ₁-Δλ₂＝k₁(ε₁-ε₂)

式中，ε₁为光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2的轴向应变，ε₂为光纤光栅温度补偿模块3的轴向应变；

在此传感器装置中，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2的应变是由钢筋1径向尺寸的变化以及周围温度变化产生的，因此，对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2的应变而言，温度有双重影响，一方面钢筋随温度体积变化会造成光栅应变，从而引起波长的移动；另一方面是温度的变化也会使光栅产生应变，从而导致光栅波长的移动，而影响光纤光栅温度补偿模块3应变的因素只有一个，即传感装置中温度的变化；

设ε_c为腐蚀产生的应变，ε_T为温度引起的应变，设温度为增加，则

其中，α₁与α₂分别为钢筋1两处的热膨胀系数，α₁≈α₂，因此有

ε_T1＝ε_T2

由联立上式得

若不考虑钢筋1体积膨胀后与周围混凝土的相瓦作用，假设钢筋1初始直径为d₀，腐蚀后名义直径为d₁，而钢筋1净直径为d_p，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2中光纤光栅初始粘贴长度为l₀，拉伸后光纤光栅长度为l₁，则

设钢筋1腐蚀的体积膨胀率为n，钢筋1腐蚀率为ρ，则

由联立上式得

从上式可以看出，通过在线监测传感器中光栅波长移动，可以直接推算出钢筋腐蚀率。

结合附图3所示，光纤光栅是利用掺杂(如锗、磷等)光纤的光敏特性，然后通过紫外光曝光的方法，将入射光的相干场图样写入到光纤纤芯中，使得光纤折射率在纤芯内沿纤芯轴向发生周期性变化，从而形成永久性的空间相位光栅，其作用的实质是在纤芯内构成一个窄带的滤波器或者反射镜。FBG结构通常为同轴圆柱体，从内层到外层依次为纤芯、包层和涂敷层，其中纤芯的折射率要比包层的折射率大，所以光在纤芯内发生的都是全反射现象，光波只在纤芯内沿其轴向进行传播，不会进入到包层中。包层对纤芯起到保护作用且对在纤芯内传输的光波发挥约束作用，涂敷层对纤芯和包层都起到保护作用。

结合附图4所示，实际使用中，在钢筋1插入钻口前，将光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3设于钢筋1的锈蚀监测处。利用光纤布里渊信号分析设备或者光纤白光干涉信号分析设备，对锈蚀膨胀监测的光纤进行信号采集。利用光信号采集设备，对温度补偿模块进行信号采集。在外界环境作用下，钢筋发生锈蚀，其表面产生的锈蚀产物的体积会明显大于锈蚀消耗的钢材料的体积，从而使得锈蚀段锚杆截面半径增大，产生的环向应变可通过垫层传递给光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2，使其产生拉应变。此拉应变利用光纤测量，并通过设置的光纤光栅温度补偿模块3进行温度补，得到的应变即反映着监测段锚杆的锈蚀状况，锈蚀越厉害，产生的拉应变越大。如此，即实现了锚杆锈蚀的全过程监测。

本发明要解决的技术问题是设计一种用于检测钢筋腐蚀的差动式光纤传感装置及其温度补偿方法，其检测原理为设置一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变，同时单独设置一个光纤光栅温度补偿模块3来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变，进而分离出钢筋1由于锈蚀所引起的体积变化。通过监测波长的漂移可以直接测量钢筋1锈蚀程度，并且不受锈蚀因素的影响，可用于混凝土结构中钢筋1锈蚀的早期监测。具有很好的经济效益和社会效益。

以上实施例仅说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：包括钢筋(1)、至少一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)、光纤光栅温度补偿模块(3)、光纤信号传输模块(4)、介质层(5)、保护层(6)和传感器外壳(7)，所述的介质层(5)环绕且包裹住钢筋(1)；所述的一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)放置在所测钢筋的两侧且连接于介质层(5)上方，成对称结构，所述的保护层(6)包裹住一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)；所述的光纤光栅温度补偿模块(3)和钢筋(1)的一侧连接；所述的光纤信号传输模块(4)分别与一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)和光纤光栅温度补偿模块(3)的一侧相连接；

所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置的温度补偿方法：

利用钢筋(1)腐蚀后体积膨胀而使光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)中光纤光栅发生波长漂移的原理来测量钢筋(1)的腐蚀程度，当温度、应变发生变化时，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)中光纤Bragg光栅中心反射波长的变化量表示为：

Δλ＝λ·[(1-P_ε)ε+(α+β)ΔT]

其中，λ为光栅的初始中心波长；Δλ为中心波长位移量；ε为整个光纤光栅区域的轴向应变；P_s为光纤的有效弹光系数；α为光纤的热膨胀系数；β为光纤的热光系数；ΔT是温度变化量；

令：

则光栅中心波长位移为：

Δλ＝k₁ε+k₂ΔT

式中，k1为应变敏感系数，k2为温度敏感系数；

具体步骤如下：

假设钢筋(1)均匀腐蚀，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)和光纤光栅温度补偿模块(3)与钢筋(1)的连接端能保持很好的固定效果，由于光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)和光纤光栅温度补偿模块(3)中光栅材质相同，初始中心波长一样，则它们的P_ε、α、β相同，即两者的k₁、k₂一致，与此同时，两传感器中温度相同，ΔT也相等；

光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)和光纤光栅温度补偿模块(3)的中心波长位移可分别表示为

因此，两者的光栅中心波长位移差为

Δλ_1-2＝Δλ₁-Δλ₂＝k₁(ε₁-ε₂)

式中，ε₁为光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)的轴向应变，ε₂为光纤光栅温度补偿模块(3)的轴向应变；

在此传感器装置中，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)的应变是由钢筋(1)径向尺寸的变化以及周围温度变化产生的，因此，对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)的应变而言，温度有双重影响，一方面钢筋随温度体积变化会造成光栅应变，从而引起波长的移动；另一方面是温度的变化也会使光栅产生应变，从而导致光栅波长的移动，而影响光纤光栅温度补偿模块(3)应变的因素只有一个，即传感装置中温度的变化；

设ε_c为腐蚀产生的应变，ε_T为温度引起的应变，设温度为增加，则

其中，α₁与α₂分别为钢筋(1)两处的热膨胀系数，α₁≈α₂，因此有

ε_T1＝ε_T2

由联立上式得

若不考虑钢筋(1)体积膨胀后与周围混凝土的相瓦作用，假设钢筋(1)初始直径为d₀，腐蚀后名义直径为d₁，而钢筋(1)净直径为d_p，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)中光纤光栅初始粘贴长度为l₀，拉伸后光纤光栅长度为l₁，则

设钢筋(1)腐蚀的体积膨胀率为n，钢筋(1)腐蚀率为ρ，则

由联立上式得

从上式可以看出，通过在线监测传感器中光栅波长移动，可以直接推算出钢筋腐蚀率。

2.根据权利要求1所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：每一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)成差动式对称结构，所述的光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)和光纤光栅温度补偿模块(3)的感应元件采用光纤布拉格Bragg光栅。

3.根据权利要求2所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：所述的光纤布拉格Bragg光栅的测量精度优于±0.1μm，测量范围约12μm。

4.根据权利要求1所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：所述的介质层(5)的形状为多孔型介质垫层，材料选用聚四氟乙烯。

5.根据权利要求1所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：所述的保护层(6)为实心结构，采用的材料为水泥砂浆，其厚度保持在3--5mm之间。

6.根据权利要求1所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：所述的传感器外壳(7)采用金属制外壳。

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