CN110849278A - 一种基于法珀光纤阵列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法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，属于结构健康监测技术领域。所述的基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器包括单模光纤、钢袖珍盖、环氧树脂和保护软管。该装置基于菲涅尔反射理论和具有与钢筋成分相同的钢袖珍盖，通过法珀光纤传感阵列里多个不同顶端面厚度的钢袖珍盖所包裹的光纤反射信号的先后变化监测，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。本发明制作成本低、结构简单，适用性强，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于混凝土结构的基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，属于结构健康监测技术领域，特别是一种基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器。
背景技术
混凝土结构结合了钢筋高抗拉强度与混凝土高抗压强度的特征，是目前土木工程行业中应用最为普遍、范围最广的结构形式。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。钢筋腐蚀堪称“混凝土耐久性危机”，已成为土木工程的一大病害。因此，必须对结构的钢筋腐蚀状况进行有效地监测，准确地判定结构耐久性能，从而保障重大重要结构物的安全，促进国民经济的快速健康发展。
目前，混凝土结构中钢腐蚀监测的方法大致可以分为电化学方法和非电化学方法两类。其中，电化学方法包括半电池电位法、线性极化法、交流阻抗法、电化学噪声法等，非电化学方法包括表观检查法、失重法、超声波法、钻芯法、涡流法、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。
光纤因具有径细、质轻、抗强电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、集信息感知与传输于一体、易集成于混凝土结构体内等优点，有希望克服传统电信号探针的缺陷，在混凝土钢筋腐蚀监测中有显著优越性。
因此，针对混凝土结构中钢筋腐蚀状况的监测，从新的技术角度提供一种长期、实时、无损的光纤传感器是十分有必要的，从而为混凝土结构的安全服役提供重要保障。
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法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，其目的是实现对钢筋局部腐蚀程度的长期实时定量监测，实现对结构腐蚀状况的早期预警。
本发明的技术方案：
一种基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，包括单模光纤1、钢袖珍盖2、环氧树脂3和保护软管4；
所述的单模光纤1插入在钢袖珍盖2内，单模光纤1在钢袖珍盖2的开口处由环氧树脂3完全密封固定；
所述的单模光纤1、钢袖珍盖2和环氧树脂3组成一个法珀光纤传感单元，多个法珀光纤传感单元组装成法珀光纤传感阵列；
所述的所有单模光纤1未插入钢袖珍盖2的剩余部分被保护软管4嵌套保护；
所述的多个法珀光纤传感单元与保护软管4均由环氧树脂3粘结固定在一起。
所述的单模光纤1的端面被切割地平整且尽量保证端面的完整度；
所述的钢袖珍盖2由常用钢筋制作而成，钢袖珍盖2内部空芯，钢袖珍盖2的内径大于单模光纤1的直径；
所述的钢袖珍盖2的高度根据待测钢筋调整；
所述的法珀光纤传感阵列里的多个钢袖珍盖2的顶端面厚度之间存在阶跃性变化，钢袖珍盖2顶端面的具体厚度根据传感器敏感性来调整；
所述的法珀光纤传感阵列里的法珀光纤传感单元的数量可根据待测钢筋直径来确定。
本发明工作原理：
本发明的监测方法是基于光的反射原理，根据菲涅尔反射理论，当光从一种介质(原介质)传递到与另一种介质的分界面时，由于两种介质的折射率不同，一部分光将被反射回原介质，其反射率为
式中，R为总反射率，Rs为输入光s分量的反射率，Rp为输入光p分量的反射率，n1为光纤纤芯折射率，n2为光纤末端外侧环境折射率，θi为输入光的角度。回波损耗(ReturnLoss)可以表示为
Return Loss(dB)＝-Clog(1-R) (2)
式中，C为常数，取决于界面类型。
当光纤末端被钢袖珍盖包裹时，环境介质最初是空气(折射率为n2)，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′2)穿透钢袖珍盖顶端面，污染了光纤末端，如图5(b)所示。根据公式(1)和公式(2)，由于光纤末端外侧环境折射率从n2变为n′2，从而导致光反射信号的变化。
本发明的多个钢袖珍盖的顶端面厚度之间存在阶跃性变化，多个钢袖珍盖的顶端面厚度依次为c1、c2、c3、……、cn(c1<c2<c3<……<cn)，当腐蚀开始后，最小顶端面厚度c1的钢袖珍盖的顶端面首先被腐蚀穿透，该钢袖珍盖包裹的的光纤采集到变化的光反射信号，随着腐蚀的进行，顶端面厚度c2、c3、……、cn的钢袖珍盖的顶端面依次被腐蚀穿透，引起相应所包裹的光纤的反射信号也依次发生变化。所以，通过法珀光纤传感阵列里多个不同顶端面厚度的钢袖珍盖所包裹的光纤反射信号的先后变化监测，可以得出腐蚀厚度随时间的变化。
因此，将本发明基于法珀光纤阵列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，由于钢袖珍盖由被测同类钢筋制作而成，即钢袖珍盖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法珀光纤阵列里的多个光纤反射信号的先后变化监测而实现。
本发明的有益效果：
(1)本发明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，对钢筋实施直接监测。
(2)本发明通过监测法珀光纤阵列里的多个光纤反射信号的先后变化，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)本发明能够实时、在线、无损的监测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。
(4)本发明小巧轻便，抗干扰、耐久性强，监测过程不需要复杂的测试设备，灵敏度高、性能稳定。
(5)本发明相比于同类光纤传感器，容易制作、价格低廉，制作过程不需要进行光纤熔接，保证光纤性能更加可靠。
(6)本发明设计合理、结构简单，适用性强，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器的构造示意图图；
图2为本发明基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器的A-A截面剖视图；
图3为本发明基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器的B-B截面剖视图；
图4为本发明基于法珀光纤阵列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)钢袖珍盖顶端面被腐蚀前，(b)钢袖珍盖顶端面被腐蚀后。
图中：1单模光纤；2钢袖珍盖；3环氧树脂；4保护软管；5基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器；6钢筋；7砂浆；8空气；9输入光；10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法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，包括单模光纤1、钢袖珍盖2、环氧树脂3、保护软管4；
所述的单模光纤1插入在钢袖珍盖2内，单模光纤1在钢袖珍盖2的开口处由环氧树脂3完全密封固定；
所述的单模光纤1、钢袖珍盖2和环氧树脂3组成一个法珀光纤传感单元，多个法珀光纤传感单元组装成法珀光纤传感阵列；
所述的所有单模光纤1未插入钢袖珍盖2的剩余部分被保护软管4嵌套保护；
所述的多个法珀光纤传感单元与保护软管4均由环氧树脂3粘结固定在一起；
所述的单模光纤1的端面被切割地平整且尽量保证端面的完整度；
所述的钢袖珍盖2由常用钢筋制作而成，钢袖珍盖2内部空芯，钢袖珍盖2的内径大于单模光纤1的直径；
所述的钢袖珍盖2的高度根据待测钢筋调整；
所述的法珀光纤传感阵列里的多个钢袖珍盖2的顶端面厚度之间存在阶跃性变化，钢袖珍盖2顶端面的具体厚度根据传感器敏感性来调整；
所述的法珀光纤传感阵列里的法珀光纤传感单元的数量可根据待测钢筋直径来确定。
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)
1.一种基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，该基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器包括单模光纤(1)、钢袖珍盖(2)、环氧树脂(3)和保护软管(4)；
所述的单模光纤(1)插入在钢袖珍盖(2)内，单模光纤(1)在钢袖珍盖(2)的开口处由环氧树脂(3)完全密封固定；
所述的单模光纤(1)、钢袖珍盖(2)和环氧树脂(3)组成一个法珀光纤传感单元，多个法珀光纤传感单元组装成法珀光纤传感阵列；
所述的所有单模光纤(1)未插入钢袖珍盖(2)的剩余部分被保护软管(4)嵌套保护；
所述的多个法珀光纤传感单元与保护软管(4)均由环氧树脂(3)粘结固定在一起。
2.根据权利要求1所述的基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的单模光纤(1)的端面被切割地平整且尽量保证端面的完整度。
3.根据权利要求1或2所述的基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的钢袖珍盖(2)由钢筋制作而成，钢袖珍盖(2)内部空芯，钢袖珍盖(2)的内径大于单模光纤(1)的直径；所述的钢袖珍盖(2)的高度根据待测钢筋调整。
4.根据权利要求1或2所述的基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的法珀光纤传感阵列里的多个钢袖珍盖(2)的顶端面厚度之间存在阶跃性变化，钢袖珍盖(2)顶端面的具体厚度根据传感器敏感性来调整。
5.根据权利要求3所述的基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的法珀光纤传感阵列里的多个钢袖珍盖(2)的顶端面厚度之间存在阶跃性变化，钢袖珍盖(2)顶端面的具体厚度根据传感器敏感性来调整。
6.根据权利要求1、2或5所述的基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的法珀光纤传感阵列里的法珀光纤传感单元的数量根据待测钢筋直径来确定。
7.根据权利要求3所述的基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的法珀光纤传感阵列里的法珀光纤传感单元的数量根据待测钢筋直径来确定。
8.根据权利要求4所述的基于法珀光纤阵列的钢筋长期腐蚀监测传感器，其特征在于，所述的法珀光纤传感阵列里的法珀光纤传感单元的数量根据待测钢筋直径来确定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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