CN110749538B - 一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法，先在待监测的金属材料上附着多芯光纤光栅，随后，金属材料会发生金属锈蚀，金属锈蚀会导致金属材料的弯曲形态发生变化，该种弯曲形态的变化会被附着的多芯光纤光栅监测所得，再以测得的弯曲形态的变化作为金属锈蚀的反应参数，从而对待监测的金属材料的金属锈蚀进行监测。本设计具有较高的可靠性和可行性、过程监控的实时性，并且相较于电化学监测方法，本设计具有较强的直观性和准确性，具有较好的工程应用潜力。

Description

一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种金属锈蚀的监测技术，尤其涉及一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法及装置。
背景技术
传统的监测混凝土钢筋锈蚀的方法主要是电化学法，通过测定混凝土钢筋腐蚀体系的电化学特性来确定锈蚀的程度或速度。这类电化学参数包括腐蚀电位、宏观腐蚀电池电流、线性极化电阻、电化学噪音和电化学阻抗谱等。电化学方法虽然很早就引入了金属锈蚀领域，并研制出相应的金属锈蚀监测系统，然而混凝土中钢筋所处的环境复杂，电化学方法本身存在数据解释困难、抗电磁干扰差、电极引线过长所致的信号损失，以及电极引线绝缘层易老化等缺点，导致电化学方法的实际应用十分困难。
光纤传感器因其诸多优点，被广泛应用于众多领域后，研究者也将其引入锈蚀监测领域。锈蚀是一种复杂的化学反应过程，金属锈蚀将带来金属材料的物理属性发生变化，例如强度、应变，也将析出一些化学产物，带来化学相关参量，例如pH值、荧光光谱的变化。光纤锈蚀传感器需要将锈蚀过程中某些物理属性或化学参量转换为光纤可传输的光参量，例如光强、波长、光谱等等。
现有技术中虽然也有将光纤传感器引入锈蚀监测领域的尝试，但或多或少都存在监测效果较差，可行性较低、实时性较弱的缺陷。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的监测效果较差、可行性较低、实时性较弱的缺陷与问题，提供一种监测效果较好、可行性较高、实时性较强的芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法及装置。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法，包括以下步骤：先在待监测的金属材料上附着多芯光纤光栅，随后，金属材料会发生金属锈蚀，金属锈蚀会导致金属材料的弯曲形态发生变化，该种弯曲形态的变化会被附着的多芯光纤光栅监测所得，再以测得的弯曲形态的变化作为金属锈蚀的反应参数，从而对待监测的金属材料的金属锈蚀进行监测。
所述多芯光纤光栅中，芯芯之间的空间距离为20-100 μm。
所述待监测的金属材料包括但不限于混凝土钢筋。
一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测装置，包括多芯光纤光栅、易蚀金属层与惰性金属骨架，所述惰性金属骨架的顶面上附着有多芯光纤光栅，惰性金属骨架的底面上连接有易蚀金属层，且惰性金属骨架被易蚀金属层力学钳制，直至惰性金属骨架处于弯曲形态。
一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测装置，包括由上至下依次设置的多芯光纤光栅、惰性金属骨架、易蚀金属保险丝层，所述易蚀金属保险丝层的数量至少为两层，相邻的易蚀金属保险丝层上下设置；
所述惰性金属骨架的顶面上附着有多芯光纤光栅，每层易蚀金属保险丝层的两端都与惰性金属骨架的两端对应连接，且惰性金属骨架的两端被易蚀金属保险丝层力学钳制，直至惰性金属骨架处于弯曲形态。
所述易蚀金属保险丝层的数量为四层，相邻的易蚀金属保险丝层之间存在层层间隙。
所述惰性金属骨架下方的四层易蚀金属保险丝层的厚度由上至下依次为由薄到厚分梯次分布。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法及装置中，以金属锈蚀时金属材料的弯曲形态变化为监测对象，以多芯光纤光栅作为监测的传感器，利用多芯光栅兼具曲率敏感性、自补偿能力的优点，提高监测效果，而且可以具备实时性的监测能力，非常利于实际应用。因此，本发明不仅监测效果较好，可行性较高，而且实时性较强，易于操作。
2、本发明一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法及装置中，对于可应用的监测装置提供了两种构思，其一为在附着有多芯光纤光栅的惰性金属骨架的底面上附着有易蚀金属层，其二为在附着有多芯光纤光栅的惰性金属骨架的下方设置有多层易蚀金属保险丝层，以利用多芯光栅捕捉金属锈蚀所致的弯曲形态变化，实现金属锈蚀的实时监测。因此，本发明不仅可行性较高，而且实时性较强。
附图说明
图1是本发明中多芯光纤光栅的结构示意图。
图2是本发明中第一种监测装置在应用时的各种演变示意图。
图3是本发明中第二种监测装置的结构示意图。
图4是图3的俯视图。
图5是图3中A处的放大示意图。
图中：多芯光纤光栅1、内芯11、惰性金属骨架2、易蚀金属层3、易蚀金属保险丝层4、层层间隙41。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图5，一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法，包括以下步骤：先在待监测的金属材料上附着多芯光纤光栅1，随后，金属材料会发生金属锈蚀，金属锈蚀会导致金属材料的弯曲形态发生变化，该种弯曲形态的变化会被附着的多芯光纤光栅1监测所得，再以测得的弯曲形态的变化作为金属锈蚀的反应参数，从而对待监测的金属材料的金属锈蚀进行监测。
所述多芯光纤光栅1中，芯芯之间的空间距离为20-100 μm，优选30-55 μm。
所述待监测的金属材料包括但不限于混凝土钢筋。
一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测装置，包括多芯光纤光栅1、易蚀金属层3与惰性金属骨架2，所述惰性金属骨架2的顶面上附着有多芯光纤光栅1，惰性金属骨架2的底面上连接有易蚀金属层3，且惰性金属骨架2被易蚀金属层3力学钳制，直至惰性金属骨架2处于弯曲形态。
一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测装置，包括由上至下依次设置的多芯光纤光栅1、惰性金属骨架2、易蚀金属保险丝层4，所述易蚀金属保险丝层4的数量至少为两层，相邻的易蚀金属保险丝层4上下设置；
所述惰性金属骨架2的顶面上附着有多芯光纤光栅1，每层易蚀金属保险丝层4的两端都与惰性金属骨架2的两端对应连接，且惰性金属骨架2的两端被易蚀金属保险丝层4力学钳制，直至惰性金属骨架2处于弯曲形态。
所述易蚀金属保险丝层4的数量为四层，相邻的易蚀金属保险丝层4之间存在层层间隙41。
所述惰性金属骨架2下方的四层易蚀金属保险丝层4的厚度由上至下依次为由薄到厚分梯次分布。
本发明的原理说明如下：
本发明采用的多芯光纤光栅的弯曲传感利用了多根纤芯上同位置点的光栅存在着拉伸和压缩应变差异，通过捕捉拉伸和收缩径向方向的芯的动态位置推演出弯曲方向，利用芯芯之间（20-100 μm）的空间距离，通过实时捕捉弯曲形变下弧顶拉伸应变和弧底收缩应之间的应变之差，来推算弯曲曲率，结合弯曲方向和曲率即可实现空间形变反演。多芯光栅的曲率敏感性与芯芯间距线性相关。
多芯光纤光栅曲率传感机理决定了其特有的补偿能力，由于曲率的反演必须通过计算弧顶与弧底应变之差得到，因此两两相减之后，非弯曲导致的应变均被消除，独留与弯曲相关的应变。可见，多芯光纤光栅本身带有自补偿特性，在同一位置区域内与弯曲无关的外界应力、温度变化均被自动剔除掉了。
本发明所监测的对象——金属锈蚀会导致明显的膨胀，利用其受锈蚀影响梯度渐变的特点，可将这种膨胀转换为弯曲形态的变化，而多芯光纤光栅兼具曲率敏感性和自补偿能力，正可作为传感媒介。因此，本发明提出将多芯光纤光栅用于金属锈蚀监测，本发明的关注点在于利用多芯光纤光栅捕捉金属锈蚀所致的弯曲形态变化，并非简单的监测锈蚀所致应变变化。
实施例1：
参见图1，一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法，包括以下步骤：先在待监测的金属材料（优选为混凝土钢筋）上附着多芯光纤光栅1，随后，金属材料会发生金属锈蚀，金属锈蚀会导致金属材料的弯曲形态发生变化，该种弯曲形态的变化会被附着的多芯光纤光栅1监测所得，再以测得的弯曲形态的变化作为金属锈蚀的反应参数，从而对待监测的金属材料的金属锈蚀进行监测。
实施例2：
参见图2，一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测装置，包括多芯光纤光栅1、易蚀金属层3与惰性金属骨架2，所述惰性金属骨架2的顶面上附着有多芯光纤光栅1（基于如今通用的光栅植入方案，制订多芯光纤光栅1嵌入惰性金属骨架2的具体方案，保证协同变形的同时避免光栅的自身扭转），惰性金属骨架2的底面上连接有易蚀金属层3，且惰性金属骨架2被易蚀金属层3力学钳制，直至惰性金属骨架2处于弯曲形态。
利用惰性金属骨架2和易蚀金属层3来设计非对称的易蚀性渐变结构，初始状态下，惰性金属骨架2在易易蚀金属层3的力学钳制下处于弯曲形态，然后将制作好的多芯光纤光栅1固定在制作好的惰性金属骨架2的结构之上。
实施例3：
参见图3至图5，一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测装置，包括由上至下依次设置的多芯光纤光栅1、惰性金属骨架2与四层易蚀金属保险丝层4，相邻的易蚀金属保险丝层4上下设置，相邻的易蚀金属保险丝层4之间存在层层间隙41，的四层易蚀金属保险丝层4的厚度由上至下依次为由薄到厚分梯次分布；所述惰性金属骨架2的顶面上附着有多芯光纤光栅1，每层易蚀金属保险丝层4的两端都与惰性金属骨架2的两端对应连接，且惰性金属骨架2的两端被易蚀金属保险丝层4力学钳制，直至惰性金属骨架2处于弯曲形态。
该实施例设计四层梯度排布的易蚀金属保险丝层4，四层易蚀金属保险丝层4的厚度由薄到厚分梯次分布，每层易蚀金属保险丝层4发生断裂，都会使惰性金属骨架2的两端应力产生改变，再由与惰性金属骨架2紧密贴合的多芯光纤光栅1测得这种变化，从而使惰性金属骨架2的弯曲形态和曲率的变化成为锈蚀程度的传递桥梁。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (2)

1.一种多芯光纤光栅金属锈蚀传感监测方法所应用的监测装置，其特征在于：所述监测装置包括由上至下依次设置的多芯光纤光栅(1)、惰性金属骨架(2)、易蚀金属保险丝层(4)，所述易蚀金属保险丝层(4)的数量至少为两层，相邻的易蚀金属保险丝层(4)上下设置；
所述惰性金属骨架(2)的顶面上附着有多芯光纤光栅(1)，每层易蚀金属保险丝层(4)的两端都与惰性金属骨架(2)的两端对应连接，且惰性金属骨架(2)的两端被易蚀金属保险丝层(4)力学钳制，直至惰性金属骨架(2)处于弯曲形态；
所述易蚀金属保险丝层(4)的数量为四层，相邻的易蚀金属保险丝层(4)之间存在层层间隙(41)；
所述惰性金属骨架(2)下方的四层易蚀金属保险丝层(4)的厚度由上至下依次为由薄到厚分梯次分布。
2.根据权利要求1所述的监测装置，其特征在于：所述多芯光纤光栅(1)中，芯芯之间的空间距离为20-100μm。
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