CN110823113A - 一种基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，属于结构健康监测技术领域。所述的基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器包括长周期光纤光栅、钢袖管、环氧树脂和保护软管。该装置基于长周期光纤光栅对外界环境折射率的高度敏感性和具有与钢筋成分相同的钢袖管，通过套筒结构里多个不同径向长度钢袖管所包裹的长周期光纤光栅的谐振波长λ0的先后变化监测，实现被测钢筋腐蚀厚度随时间变化的无损、长期、定量监测，从而对钢筋腐蚀状态进行早期预警，保障重大工程结构的安全。本发明结构简单、容易制作，监测过程不需要复杂的测试设备，适用性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于混凝土结构的基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，属于结构健康监测技术领域，特别是一种基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器。
背景技术
混凝土结构因其充分发挥了钢筋高抗拉和混凝土高抗压两种力学性能而在土木工程建设中得到广泛应用，是当今世界应用最多的结构形式。然而，混凝土结构中的钢筋腐蚀已成为威胁全世界混凝土结构耐久性的最主要灾害。国内、外大量事实表明，混凝土结构因钢筋腐蚀破坏而不得不停止使用、大修或拆除重建，甚至导致结构突然垮塌的灾难性事故，不仅引起巨大的经济损失，更造成资源能源的大量浪费与建筑垃圾的大量排放。因此，必须对结构的钢筋腐蚀状况进行有效地监测，实时掌握腐蚀速度及其变化规律，为结构耐久性评定、剩余寿命预测以及加固维修提供重要保障。
传统的混凝土结构钢筋腐蚀监测的方法包括半电池电位法、线性极化法、电化学噪声法、表观检查法、失重法、超声波法、声发射法等。然而，这些传统方法普遍存在着难以接触被测钢筋，监测对整体结构具有破坏性，以及无法长期实时监测等诸多缺点。目前在工程中采用的主要是电化学腐蚀监测方法，但电化学监测易受环境中的湿度、温度和外在电场等干扰。
光纤传感器由于具有体积小、重量轻、柔软、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，在结构健康监测中受到了高度重视。与普通光纤传感技术相比，长周期光纤光栅具有波长调制、对外界环境折射率具有高度敏感性等特点，更好地适用于混凝土结构内部钢筋腐蚀监测。
因此，针对混凝土结构钢筋腐蚀状况的监测，提供一种高度灵敏、准确可靠的长周期光纤光栅传感器是十分有必要的，从而为混凝土结构的腐蚀损伤预警提供重要保障。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，其目的是实现对混凝土结构钢筋腐蚀状况的长期、无损、定量监测，从而对结构的腐蚀损伤进行早期预警，保障工程结构的安全。
本发明的技术方案：
一种基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，包括长周期光纤光栅1、钢袖管2、环氧树脂3和保护软管4；
所述的多个钢袖管2遵循“大环套小环”的原则嵌套在一起，组成套筒结构；
所述的多个长周期光纤光栅1分别插入在相邻钢袖管2之间，有一个长周期光纤光栅1直接插入在最内侧钢袖管2内，上述钢袖管2的两端开口处由环氧树脂3完全密封固定；
所述的所有长周期光纤光栅1未插入钢袖管2的剩余部分被保护软管4嵌套保护；
所述的套筒结构两端与保护软管4由环氧树脂3粘结固定在一起。
所述的钢袖管2由常用钢筋制作而成，均为圆环体结构，壁厚相同，径向长度不同，轴向长度相同；
所述的钢袖管2的数量可根据待测钢筋直径进行调整；
所述的钢袖管2的壁厚可根据传感器灵敏性进行调整；
所述的长周期光纤光栅1的光栅长度略微小于上述钢袖管2的轴向长度。
本发明工作原理：
长周期光纤光栅的光栅被写入在光纤纤芯上，形成一种纤芯折射率轴向周期性调制的分布结构。光栅使在纤芯基模中传导的入射光与同向传播的包层模耦合，从而在透射光谱中产生一系列由于吸收和散射而产生的衰减带。透射光谱中衰减带的谐振波长取决于光栅周期和纤芯、包层以及周围介质的折射率，可以表示为
式中，λ0为谐振波长，
为纤芯基模的有效折射率，
为第m次包层模式的有效折射率，Λ为光栅周期；
是纤芯折射率n1、包层折射率n2及其光栅周围介质折射率n3的函数。
当长周期光纤光栅被钢袖管包裹时，光栅周围介质最初是空气(折射率为n3)，如图5(a)所示。随着腐蚀的进行，腐蚀产物或腐蚀介质(折射率为n′ 3)穿透钢袖管管壁，如图5(b)所示。根据公式(1)，由于长周期光纤光栅的光栅周围介质折射率从n3变为n′ 3，从而导致谐振波长λ0的改变。
本发明的多个钢袖管的壁厚相同但径向长度不同，多个钢袖管的径向长度依次为d1、d2、……、dn-2、dn-1、dn(d1<d2<……<dn-2<dn-1<dn)，当腐蚀开始后，最大径向长度dn(即最外侧)的钢袖管的管壁首先被腐蚀穿透，该钢袖管包裹的的长周期光纤光栅的谐振波长λ0发生改变，随着腐蚀的进行，径向长度dn-1、dn-2、……、d1的钢袖管的管壁依次被腐蚀穿透，引起相应所包裹的长周期光纤光栅的谐振波长λ0也依次发生变化。所以，通过套筒结构里多个不同径向长度钢袖管所包裹的长周期光纤光栅的谐振波长λ0的先后变化监测，可以得出腐蚀厚度随时间的变化。
因此，将本发明基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器布置在混凝土结构中钢筋周围，由于钢袖管由被测同类钢筋制作而成，即钢袖管的组成成分与被测钢筋完全相同，所以，被测钢筋腐蚀厚度随时间变化的定量监测也由套筒结构里的多个长周期光纤光栅的谐振波长λ0的先后变化监测而实现。
本发明的有益效果：
(1)本发明布设方便，适合于隐蔽部位以及人无法看到和接触到的部位，可埋入混凝土结构内部，直接接触钢筋布置，实现对钢筋腐蚀状态的在线实时监测。
(2)本发明通过监测多个长周期光纤光栅的谐振波长λ0的先后变化，实现对钢筋腐蚀厚度的长期定量监测，进而实现结构腐蚀状态的早期预警。
(3)本发明灵敏度高，因对外界环境折射率的高度敏感性使得对钢筋锈蚀状态高度灵敏。
(4)本发明不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损耗等因素影响，抗干扰、性能稳定，使用寿命长。
(5)本发明可实现非破坏性监测，能够无损的监测混凝土结构的钢筋腐蚀状况，从而对工程结构实施更好地管理和维护。
(6)本发明结构简单、容易制作，监测过程不需要复杂的测试设备，适用性强。
附图说明
图1为本发明基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器的构造示意图；
图2为本发明基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器的A-A截面剖视图；
图3为本发明基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器的B-B截面剖视图；
图4为本发明基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器应用于实际混凝土结构钢筋监测的一种布置示意图；
图5为本发明工作原理示意图，(a)钢袖管管壁被腐蚀前，(b)钢袖管管壁被腐蚀后。
图中：1长周期光栅；2钢袖管；3环氧树脂；4保护软管；5基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器；6钢筋；7砂浆；8空气；9腐蚀产物。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1～3所示，本发明提供的一种基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器的一个实施例，包括长周期光纤光栅1、钢袖管2、环氧树脂3和保护软管4；
所述的多个钢袖管2遵循“大环套小环”的原则嵌套在一起，组成套筒结构；
所述的多个长周期光纤光栅1分别插入在相邻钢袖管2之间，另外有一个长周期光纤光栅1直接插入在最内侧钢袖管2内，上述钢袖管的两端开口处由环氧树脂3完全密封固定；
所述的所有长周期光纤光栅1未插入钢袖管2的剩余部分被保护软管4嵌套保护；
所述的套筒结构两端与保护软管4由环氧树脂3粘结固定在一起；
所述的钢袖管2由常用钢筋制作而成，均为圆环体结构，壁厚相同，径向长度不同，轴向长度相同；
所述的钢袖管2的数量可根据待测钢筋直径进行调整；
所述的钢袖管2的壁厚可根据传感器灵敏性进行调整；
所述的长周期光纤光栅1的光栅长度略微小于上述钢袖管2的轴向长度。
以上实施例仅用以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 (8)
1.一种基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，该基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器包括长周期光纤光栅(1)、钢袖管(2)、环氧树脂(3)和保护软管(4)；
所述的多个钢袖管(2)遵循“大环套小环”的原则嵌套在一起，组成套筒结构；
所述的多个长周期光纤光栅(1)分别插入在相邻钢袖管(2)之间，有一个长周期光纤光栅(1)直接插入在最内侧钢袖管(2)内，上述钢袖管(2)的两端开口处由环氧树脂(3)完全密封固定；
所述的所有长周期光纤光栅(1)未插入钢袖管(2)的剩余部分被保护软管(4)嵌套保护；
所述的套筒结构两端与保护软管(4)由环氧树脂(3)粘结固定在一起。
2.根据权利要求1所述的基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的钢袖管(2)由常用钢筋制作而成，均为圆环体结构，壁厚相同，径向长度不同，轴向长度相同。
3.根据权利要求1或2所述的基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的钢袖管(2)的数量可根据待测钢筋直径进行调整。
4.根据权利要求1或2所述的基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的钢袖管(2)的壁厚可根据传感器灵敏性进行调整。
5.根据权利要求3所述的基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的钢袖管(2)的壁厚可根据传感器灵敏性进行调整。
6.根据权利要求1、2或5所述的基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的长周期光纤光栅(1)的光栅长度小于钢袖管(2)的轴向长度。
7.根据权利要求3所述的基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的长周期光纤光栅(1)的光栅长度小于钢袖管(2)的轴向长度。
8.根据权利要求4所述的基于长周期光纤光栅套筒结构的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的长周期光纤光栅(1)的光栅长度小于钢袖管(2)的轴向长度。
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