CN110940284B - 一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法。内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器包括钢筋圆柱、光纤光栅锈胀应变传感器、光纤光栅温度传感器、承压块、毛细不锈钢管、滤纸、砂浆保护层，钢筋圆柱的中间高度处设置径向通孔，在径向通孔内固定毛细不锈钢管，在毛细不锈钢管内安装光纤光栅锈胀应变传感器，光纤光栅锈胀应变传感器两端固定于承压块；钢筋圆柱设置用于放置光纤光栅温度传感器的轴向通孔。本发明具有钢筋腐蚀率和温度双重测量功能；通过改变承压块厚度和钢筋圆柱直径可以得到不同量程的钢筋腐蚀传感器；制作方法简单可靠，提高了传感器的成活率和耐久性；传感器体积小，结构简单，布设方便，不影响结构受力性能。

Description

一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法

技术领域

本发明属于结构健康监测和光纤光栅传感器领域，具体涉及一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法。

背景技术

钢筋混凝土结构因其可塑性好、造价低、可就地取材等优点，成为土木工程领域应用最为广泛的结构形式。在一般服役环境下钢筋混凝土结构具有良好的耐久性，但在海水、除冰盐等侵蚀性环境下，混凝土中钢筋极易腐蚀，导致混凝土保护层开裂、剥落，降低钢筋和混凝土之间的粘结性能，甚至导致结构的承载力下降引起结构倒塌。

常用的钢筋腐蚀检测方法有剔凿检测法、钻孔取样法、半电池电位法、混凝土电阻率测量法和综合分析判断法等。其中剔凿检测法和钻孔取样法能够准确地观测钢筋腐蚀状况，但这两种方法都会破坏结构的完整性，半电池电位法、混凝土电阻率测量法和综合分析判断法对结构的完整性影响较小，但这三种方法只能定性地判断钢筋腐蚀状态。

由于光纤体积小、精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、波长编码等优点，光纤腐蚀传感器在钢筋锈蚀监测领域具有较大的研究和应用价值。

目前，工程中可用的光纤腐蚀传感器较少，且存在一些缺陷，诸如易受外界环境影响、只能测量早期腐蚀、封装保护不完善难以用于实际工程、不能持续监测等。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种集锈胀应变测量与温度测量于一体的内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器及其制作方法，安装方便、成活率高，不受外界因素影响、性能稳定，量程可调，可长期定量实时监测。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器，其特征在于：包括钢筋圆柱、光纤光栅锈胀应变传感器、光纤光栅温度传感器、毛细不锈钢管和两个承压块，所述钢筋圆柱中部高度设有径向贯穿的径向通孔，钢筋圆柱的偏心处设有上下轴向贯穿的轴向通孔，所述光纤光栅锈胀应变传感器套上一个毛细不锈钢管后安装在径向通孔内，所述光纤光栅温度传感器套上另一个毛细不锈钢管后安装在轴向通孔内，所述光纤光栅温度传感器与其相应的毛细不锈钢管两端通过胶黏固定保持预拉力，两个承压块分别安装在径向通孔的两端，并且承压块中部设有供光纤穿过的光纤通孔，所述光纤光栅锈胀应变传感器两端分别穿过相应的承压块后与相应的承压块固定，使得光纤光栅锈胀应变传感器保持预拉力。

作为改进，所述承压块与钢筋圆柱的结合面处通过透水的慢速滤纸进行保护。

作为改进，所述内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器封装在作为保护层的水泥砂浆内。

作为改进，所述承压块外端设有与光纤通孔同轴的白套管固定槽，所述白套管固定槽直径大于光纤通孔，白套管固定槽内安装用于保护光纤的白套管。

作为改进，所述光纤光栅锈胀应变传感器在白套管固定槽内通过胶黏固定，从而保持预拉力。

一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制作准备钢筋圆柱、两个毛细不锈钢管和两个承压垫块，在钢筋圆柱中部高度开设径向贯穿的径向通孔，在钢筋圆柱的偏心处开设上下轴向贯穿的轴向通孔，承压块中部开设供光纤穿过的光纤通孔，承压块一侧开设与光纤通孔同轴的毛细钢管槽，另一侧开设与光纤通孔同轴的白套管固定槽和光缆固定槽；

步骤2、将光纤光栅温度传感器安装于毛细不锈钢管中进行增/减敏和保护，依次用502胶和环氧树脂胶黏剂将光纤光栅温度传感器两端固定于毛细不锈钢管；

步骤3、将封装后的光纤光栅温度传感器放置在钢筋圆柱的轴向通孔中，用铠装光缆对光纤光栅温度传感器的尾纤进行保护，并将铠装光缆固定在钢筋圆柱的光缆固定槽内；

步骤4、用环氧树脂胶黏剂封涂钢筋圆柱上下两表面，模拟钢筋无限长假定条件；

步骤5、依次用502胶和环氧树脂胶黏剂将另取的一根毛细不锈钢管固定于钢筋圆柱的径向通孔内，使得毛细钢管伸出钢筋圆柱表面的长度符合要求；

步骤6、将光纤光栅锈胀应变传感器穿过承压块的光纤通孔，剥除光纤固定点处的涂覆层，露出纤芯，依次用502胶和环氧树脂胶黏剂将光纤固定于承压块的白套管固定槽内；

步骤7、将光纤光栅锈胀应变传感器另一端依次穿过径向通孔中的毛细不锈钢管和另一个承压块，采用步骤6中方法将光纤光栅锈胀应变传感器另一端固定在承压块的白套管固定槽内，依次用白套管和铠装光缆对光纤光栅锈胀应变传感器的尾纤进行保护，分别将白套管和铠装光缆固定在承压块的白套管固定槽和光缆固定槽内；

步骤8、用滤纸保护承压块和钢筋圆柱的接触面处，滤纸四周均用环氧树脂胶黏剂密封；

步骤9、在承压块外均匀封涂一定厚度的发泡剂；

步骤10、将制作好的内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器用砂浆进行封装保护。

作为改进，所述滤纸为慢性滤纸，慢性滤纸孔径为1～3μm。

作为改进，所述光纤光栅锈胀应变传感器和光纤光栅温度传感器分别用于测量钢筋锈胀应变和环境温度，均采用带涂覆层的短周期布拉格光纤光栅，光栅中心波长间隔不小于2nm。

作为改进，所述的承压块采用电木加工而成。

作为改进，所述径向通孔内的的毛细不锈钢管长于钢筋圆柱直径4～7mm。

本发明有益效果是：

传感元件为光纤光栅，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可实现波分/时分复用。

可以同时监测钢筋腐蚀率和环境温度，在施工阶段可用于混凝土内部温度测量，在服役阶段可用于钢筋腐蚀率监测和外界环境温度监测。

传感器封装及安装流程简单可靠，提高了传感器的成活率和耐久性。

附图说明

图1为本发明的轴向剖面图；

图2为本发明的径向剖面图；

图3为承压块沿钢筋圆柱轴向剖面图；

图4为承压块沿钢筋圆柱径向剖面图；

图5为砂浆件封装图；

图6为传感器实际工程应用布置图；

图7为本发明承压块为圆柱形的实施例示意图；

图8为本发明承压块为立方体的实施例示意图。

附图标号说明：1-钢筋圆柱，2-滤纸，3-发泡剂，4-铠装光缆，5-白套管，6-径向通孔，7-毛细不锈钢管，8-光纤光栅锈胀应变传感器，9-轴向通孔，10-承压块，11-砂浆保护层，12-结构钢筋，13-钢丝，14-光纤光栅温度传感器，15-光缆固定槽，16-白套管固定槽，17-毛细钢管槽，18-毛细不锈钢管，19-光缆固定槽，20-光纤通孔。

具体实施方式

结合附图，通过具体实施方式对本发明的技术方案进一步说明。

一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器，包括：钢筋圆柱1、光纤光栅锈胀应变传感器8、光纤光栅温度传感器14、承压块10、毛细不锈钢管、滤纸2和砂浆保护层11。

所述钢筋圆柱1以实际工程中的结构钢筋12为原材料，精细加工成短圆柱；在钢筋圆柱1的中间高度处沿直径加工通过轴心的径向通孔6，用于安放光纤光栅锈胀应变传感器8；在直径四分之一分点处平行钢筋圆柱1的中心轴加工轴向通孔9，用于安放光纤光栅温度传感器14，轴向通孔9两端扩孔作为安装铠装光缆4的光缆固定槽19。

所述光纤光栅锈胀应变传感器8和光纤光栅温度传感器14分别用于测量钢筋锈胀应变和环境温度，均采用带涂覆层的短周期布拉格光纤光栅，光栅中心波长间隔不小于2nm，以免波峰重叠。

所述承压块10采用硬度高、绝缘好、易加工的材料加工而成，包括但不限于电木，承压块10为圆柱形、长方体或者立方体，如图7和图8所示，承压块10中部设有贯穿的光纤通孔20，用于供光纤穿过，承压块10靠近钢筋圆柱1一侧设有与光纤通孔20同轴的毛细钢管槽17，压块远离钢筋圆柱1一侧设有与光纤通孔20同轴的白套管固定槽16和光缆固定槽15。

所述滤纸2采用孔径为1～3μm的慢速滤纸，用于隔绝砂石骨料。

所述的毛细不锈钢管7长于钢筋圆柱1直径4～7mm。所述的承压块10采用电木加工而成。

光纤光栅温度传感器14和光纤光栅锈胀应变传感器8采用中心波长间隔不小于2nm的FBG，并将两根FBG熔接串联，减少光损，重复利用光纤光栅解调仪通道，光纤光栅温度传感器14和光纤光栅锈胀均采用普通单模单芯光纤，易于同其他类型的光纤传感器进行波分/时分复用。

所述砂浆保护层11采的配比与被测实际工程中混凝土相同，但不加粗骨料，保护层厚度2～30mm。

一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器的制作方法，具体包括以下步骤：

S1.将光纤光栅温度传感器14安装在毛细不锈钢管18中进行增(减)敏和保护，使光纤光栅温度传感器14保持一定的预拉力，依此用502胶和环氧树脂胶黏剂将光纤光栅温度传感器14两端固定于毛细不锈钢管18；

S2.将经过增(减)敏过的光纤光栅温度传感器14安装在钢筋圆柱1的轴向通孔9中，依次用白套管5和铠装光缆4对光纤光栅温度传感器14两端的尾纤进行保护，用环氧树脂胶黏剂将铠装光缆4固定在钢筋圆柱1的铠装光缆4固定槽；

S3.用环氧树脂胶黏剂封涂钢筋圆柱1上下表面；

S4.依次用502胶和环氧树脂胶黏剂将毛细不锈钢管7固定于钢筋圆柱1的径向通孔6，使毛细不锈钢管7两端突出钢筋圆柱1直径等长距离；

S5.将光纤光栅锈胀应变传感器8穿过承压块10，剥除光纤固定点涂覆层，得到1-5mm长的裸光纤，先后用502胶和环氧树脂胶黏剂将裸光纤固定于承压块10的白套管固定槽16内；

S6.将光纤光栅锈胀应变传感器8另一端依次穿过径向通孔6中的毛细不锈钢管7和另一个承压块10，给光纤光栅锈胀应变传感器8施加适当的预拉力，先后用502胶和环氧树脂胶黏剂将其固定在承压块10的白套管固定槽16内，依次用白套管5和铠装光缆4对光纤光栅锈胀应变传感器8两端的尾纤进行保护，并用502胶和环氧树脂胶黏剂将白套管5和铠装光缆4分别固定在承压块10的白套管固定槽16和铠装光缆4固定槽内；

S7.用慢速滤纸2保护承压块10和钢筋圆柱1的接触面处，四周用环氧树脂胶黏剂密封，使水分子和氯离子可以通过，阻隔水泥和粗细骨料；

S8.在承压块10外均匀封涂一定厚度的松软的发泡剂3；

S9.用砂浆保护层11对制作好的内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器进行封装保护，经过封装保护的传感器可以用与工程中，具体安装方式是，采用钢丝13将传感器绑扎于结构钢筋12十字节点处。

一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器，其工作原理如下：

光纤光栅温度传感器14中心波长漂移公式：

Δλ_Β2＝k_Τ2ΔΤ

式中，k_Τ2为毛细金属管增(减)敏后的温度敏感系数，ΔΤ为温度变化量。

光纤光栅锈胀应变传感器8中心波长漂移公式：

Δλ_Β1＝k₁ε_Β+k_Τ1ΔΤ

式中，Δλ_Β1为光纤光栅锈胀应变传感器8的中心波长漂移，k₁为应变敏感系数，k_Τ1为温度敏感系数，ε_Β为光纤固定点之间的光纤光栅轴向应变，即锈胀应变，由于所处环境温度相同，温度变化量ΔΤ与光纤光栅温度传感器14的温度变化量相同。

由上述公式，钢筋锈胀应变引起的中心波长漂移为：

式中，钢筋锈胀应变ε_Β为：

式中，D₀为钢筋圆柱1的初始直径，D₁为钢筋圆柱1腐蚀膨胀后的直径，D₀+2L为FBG锈胀传感器的标距。

锈蚀钢筋圆柱1的径向应变ε_s为：

钢筋锈胀应变ε_Β与径向应变ε_s的关系为：

锈蚀钢筋的体积膨胀系数n为：

式中，D_ρ为钢筋圆柱1除锈后的净直径。

钢筋圆柱1的体积锈蚀率ρ_v为：

钢筋件质量锈蚀率ρ_m为：

由上述公式，可得钢筋圆柱1质量腐蚀率的计算公式：

本申请中的一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法具有如下技术效果：

钢筋圆柱1与被测结构钢筋12的材料相同，所处环境相同，从源头上确保了钢筋腐蚀率的一致性。

采用砂浆保护层11对传感器进行封装保护，可以确保传感器在粗犷的混凝土浇筑施工过程中不损坏，提高了传感器的施工环境适应性。

传感元件为光纤光栅，使得传感器本身具有抗电磁干扰、耐腐蚀、灵敏度高、可实现波分/时分复用的优点。

两段串联的光纤光栅可以同时监测钢筋腐蚀率和环境温度，在施工阶段可用于大体积混凝土内部温度测量，在服役阶段可用于钢筋腐蚀率监测和外界环境温度监测。

传感器的封装及安装流程简单可靠，提高了传感器的成活率和耐久性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、制作准备钢筋圆柱、两个毛细不锈钢管和两个承压垫块，在钢筋圆柱中部高度开设径向贯穿的径向通孔，在钢筋圆柱的偏心处开设上下轴向贯穿的轴向通孔，承压块中部开设供光纤穿过的光纤通孔，承压块一侧开设与光纤通孔同轴的毛细钢管槽，另一侧开设与光纤通孔同轴的白套管固定槽和光缆固定槽；

步骤2、将光纤光栅温度传感器安装于毛细不锈钢管中进行增/减敏和保护，依次用502胶和环氧树脂胶黏剂将光纤光栅温度传感器两端固定于毛细不锈钢管；

步骤3、将封装后的光纤光栅温度传感器放置在钢筋圆柱的轴向通孔中，用铠装光缆对光纤光栅温度传感器的尾纤进行保护，并将铠装光缆固定在钢筋圆柱的光缆固定槽内；

步骤4、用环氧树脂胶黏剂封涂钢筋圆柱上下两表面，模拟钢筋无限长假定条件；

步骤5、依次用502胶和环氧树脂胶黏剂将另取的一根毛细不锈钢管固定于钢筋圆柱的径向通孔内，使得毛细钢管伸出钢筋圆柱表面的长度符合要求；

步骤6、将光纤光栅锈胀应变传感器穿过承压块的光纤通孔，剥除光纤固定点处的涂覆层，露出纤芯，依次用502胶和环氧树脂胶黏剂将光纤固定于承压块的白套管固定槽内；

步骤7、将光纤光栅锈胀应变传感器另一端依次穿过径向通孔中的毛细不锈钢管和另一个承压块，采用步骤6中方法将光纤光栅锈胀应变传感器另一端固定在承压块的白套管固定槽内，依次用白套管和铠装光缆对光纤光栅锈胀应变传感器的尾纤进行保护，分别将白套管和铠装光缆固定在承压块的白套管固定槽和光缆固定槽内；

步骤8、用滤纸保护承压块和钢筋圆柱的接触面处，滤纸四周均用环氧树脂胶黏剂密封；

步骤9、在承压块外均匀封涂一定厚度的发泡剂；

步骤10、将制作好的内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器用砂浆进行封装保护。

2.如权利要求1所述内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法，其特征在于：所述滤纸为慢性滤纸，慢性滤纸孔径为1～3μm。

3.如权利要求1所述内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法，其特征在于：所述光纤光栅锈胀应变传感器和光纤光栅温度传感器分别用于测量钢筋锈胀应变和环境温度，均采用带涂覆层的短周期布拉格光纤光栅，光栅中心波长间隔不小于2nm。

4.如权利要求1所述内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法，其特征在于：所述的承压块采用电木加工而成。

5.如权利要求1所述内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法，其特征在于：所述径向通孔内的的毛细不锈钢管长于钢筋圆柱直径4～7mm。

6.如权利要求1所述内埋式光纤光栅钢筋腐蚀传感器制作方法，其特征在于：所述光纤光栅锈胀应变传感器在白套管固定槽内通过胶黏固定，从而保持预拉力。

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