CN112098310A - 一种腐蚀监测传感元件、干涉传感器及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明所提供的一种腐蚀监测传感元件、干涉传感器及方法，其中，所述腐蚀监测传感元件包括：碳纤维壳；两个单模光纤，封装于所述碳纤维壳中，两个单模光纤分别设于预设光路的两端；与待监测物体具有相同材质的金属环，至少部分所述金属环设于所述碳纤维壳外侧；当所述金属环紧固于所述碳纤维壳上时，所述金属环的环面与所述预设光路平行。通过所述金属环的腐蚀程度反映待监测物体的腐蚀程度，而所述金属环的腐蚀情况通过作用于所述碳纤维壳的力进行反馈，其中，所述碳纤维壳所受的力可通过两个单模光纤转换成光信号，进而通过对光信号进行处理可以得到，以此完成对待监测物体的腐蚀监测，且测量精度高。

Description

一种腐蚀监测传感元件、干涉传感器及方法
技术领域
本发明涉及金属质量监测技术领域，尤其涉及的是一种腐蚀监测传感元件、干涉传感器及方法。
背景技术
在工程建设方面，全国范围内的大型基础设施不断在兴建中，随着时间的推进，许多早期设施中的金属会存在不同程度的腐蚀，进而造成不同程度的工程隐患与经济损失。比如，地下管道或油气管被腐蚀，会导致路基坍塌或因油气泄露引发爆炸，严重威胁社会安全，也带来严重的经济损失。
为避免以上情况的发生，现有技术中提出了监测管道腐蚀的方法及传感器，在进行腐蚀监测时，是将腐蚀监测传感器贴在待监测物体的表面，比如，在监测钢筋的腐蚀情况时，沿钢筋轴向贴上所述腐蚀监测传感器。所述腐蚀监测传感器中设置有一根光纤光栅，当钢筋被腐蚀后，钢筋变形弯曲，对应地，光纤光栅的透射率会发生变化，进而可通过透射率得知钢筋的腐蚀情况。
但是，此种方式是基于待监测物体的变形程度推测其腐蚀程度，但两者往往并无直接关联，因此，此种监测方式并不能够保证腐蚀监测结果的精准度。
因此，现有技术存在缺陷，有待改进与发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种腐蚀监测传感元件、干涉传感器及方法，旨在解决现有技术中的进行腐蚀监测的方式不能保证监测结果的精准度的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种腐蚀监测传感元件，其中，包括：
碳纤维壳；
两个单模光纤，封装于所述碳纤维壳中，两个单模光纤分别设于预设光路的两端；
与待监测物体具有相同材质的金属环，至少部分所述金属环设于所述碳纤维壳外侧；当所述金属环紧固于所述碳纤维壳上时，所述金属环的环面与所述预设光路平行。
进一步地，所述预设光路与所述碳纤维壳的横截面或纵截面平行。
进一步地，所述碳纤维壳上设置有卡紧部，当所述金属环固定于所述碳纤维壳上，且其环面与所述预设光路平行时，所述金属环与所述卡紧部之间至少有两个间隔接触点。
进一步地，所述金属环的一端封装于所述碳纤维壳内；
所述碳纤维壳上背离封装有所述金属环的一端设置有卡紧部；
当所述金属环固定于所述碳纤维壳上，且其环面与所述预设光路平行时，所述金属环卡紧于所述卡紧部。
进一步地，所述碳纤维壳通过增材制造打印技术制成。
进一步地，所述金属环通过增材制造打印技术制成，且与所述碳纤维壳一体成型。
本发明还提供一种干涉传感器，所述干涉传感器包括激光器、耦合器和光电探测器，其中，还包括如上所述腐蚀监测传感元件和信号处理系统。
本发明还提供一种腐蚀监测方法，基于如上所述干涉传感器实现，其特征在于，在实施所述腐蚀监测方法时执行以下步骤：
检测单模光纤输出的光信号，根据所述光信号得到两个单模光纤的光程差；
根据所述光程差、金属环的变形模量、碳纤维壳的变形模量、光纤长度和金属环的直径，得到金属环的变形量。
进一步地，所述根据所述光程差、金属环的变形模量、碳纤维壳的变形模量、光纤长度和金属环的直径，得到金属环的变形量之后包括：
判断所述变形量是否大于预设阈值；
若大于预设阈值，控制所述干涉传感器报警。
本发明还提供一种存储介质，其中，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序能够被执行以用于实现如上所述的腐蚀监测方法。
本发明所提供的一种腐蚀监测传感元件、干涉传感器及方法，其中，所述腐蚀监测传感元件包括：碳纤维壳；两个单模光纤，封装于所述碳纤维壳中，两个单模光纤分别设于预设光路的两端；与待监测物体具有相同材质的金属环，至少部分所述金属环设于所述碳纤维壳外侧；当所述金属环紧固于所述碳纤维壳上时，所述金属环的环面与所述预设光路平行。通过所述金属环的腐蚀程度反映待监测物体的腐蚀程度，而所述金属环的腐蚀情况通过作用于所述碳纤维壳的力进行反馈，其中，所述碳纤维壳所受的力可通过两个单模光纤转换成光信号，进而通过对光信号进行处理可以得到，以此完成对待监测物体的腐蚀监测，且测量精度高。
附图说明
图1是本发明所述腐蚀监测传感元件的较佳实施例的主视图。
图2是本发明所述腐蚀监测传感元件的较佳实施例的侧视图。
图3是本发明所述腐蚀监测传感元件在进行腐蚀监测时的较佳实施例的结构图示意图。
图4是本发明所述腐蚀监测方法的较佳实施例的流程图。
图5是本发明所述腐蚀监测方法中进行监测预警的较佳实施例的流程图。
标注说明：1、单模光纤；2、金属环；3、碳纤维壳；4、卡紧部；5、铠装保护；6、腐蚀监测传感元件；7、待监测物体。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2所示，是本发明中一种腐蚀监测传感元件的结构图，所述腐蚀监测传感元件包括：碳纤维壳3、两个单模光纤1和金属环2；两个单模光纤1均封装于所述碳纤维壳3中，且分别设置于预设光路的两端；所述金属环2部分或全部设置于所述碳纤维壳3外侧，且其材质与待监测物体7的材质相同，当所述金属环2固定于所述碳纤维壳3上时，所述金属环2的环面与所述预设光路平行。
其中，如图3所示，所述金属环2的材质与待监测物体7的材质相同，当将本发明所述腐蚀监测传感元件6与所述待监测物体7放置于同一环境中时，所述金属环2被腐蚀的情况与所述待监测物体7被腐蚀情况一致，进而可以通过测量所述金属环2被腐蚀的情况，以间接得知所述待监测物体7被腐蚀的情况。
具体地，此处进行举例说明，以详细描述本发明所述腐蚀监测传感元件6的使用方式，比如，若所述待监测物体7为油气管道，此处以监测油气管道内部腐蚀情况进行举例，当监测油气管道内壁腐蚀情况时，则将所述腐蚀监测传感元件6放置于管道中，而具体的放置方式此处并不做过多限制，只要能够保证所述腐蚀监测传感元件6被放置在所述油气管道内且能够与油气接触即可，而当监测油气管道外壁腐蚀情况时，则将所述腐蚀监测传感元件6设置在所述油气管道的外部，只要能够保证所述金属环2与油气管道外壁所处环境相同即可。更进一步地，可以理解为，凡是通过将本发明所述金属环2与所述待监测物体7放置于同一环境，以实现所述金属环2与待监测物体7被同时腐蚀的方式，均为本发明所述腐蚀监测传感元件6所能够实现的方式。
而本发明通过将所述金属环2与待监测物体7设置于同一环境中，能够实现通过监测金属环2的腐蚀情况，以了解到待监测物体7腐蚀情况。其中，金属环2的腐蚀情况通过金属环2腐蚀后对所述碳纤维壳3的压力间接获得，而碳纤维壳3所承受的压力则由置于碳纤维壳3内部的两个单模光纤1直接得到。具体地，当金属环2被固定于所述碳纤维壳3上后，所述金属环2的环面与所述预设光路平行，即与两个单模光纤1均平行；当所述金属环2被腐蚀后，其体积发生膨胀，即环面增大，对应地，所述金属环2产生对所述碳纤维壳3沿所述预设光路方向的压力，当所述碳纤维壳3承受压力后，所述碳纤维壳3被挤压变形，而其中的两个单模光纤1也受到与所述碳纤维壳3同样的压力，进而导致所述预设光路发生光的衍射，之后通过对光信号所传达的衍射信息进行分析，即可得知所述碳纤维壳3的变形情况，进而可推导得到所述金属环2的腐蚀情况，以达到对所述待监测物体7进行腐蚀监测的效果。且本发明所使用的碳纤维壳3防腐性能优良，能够很好地保护设于其中的单模光纤1的性能，以达到长久监测腐蚀情况的目的，同时，本发明利用光的衍射原理间接得到所述金属环2的腐蚀情况，通过此种方式能够保证监测结果的高灵敏度和高精度。
其中，所述碳纤维壳3采用碳纤维材质，其质地较轻、具有良好的延展性和防腐蚀性，便于对单模光纤1进行封装，且能够通过变形反映所述金属环2的腐蚀情况。
在一具体实施例中，所述预设光路与所述碳纤维壳3的横截面或纵截面平行。具体地，所述单模光纤1和金属环2相对所述碳纤维壳3的设置方式有两种，具体如下：
一种为：两个单模光纤1沿所述碳纤维壳3长度方向设置，且两个单模光纤1之间形成的所述预设光路与碳纤维壳3长度方向的截面平行，此时，当所述金属环2固定于所述碳纤维壳3上时，所述金属环2沿所述碳纤维壳3长度方向设置，且其环面与所述碳纤维壳3长度方向的截面平行，即在进行测量时，两个单模光纤1和所述金属环2均处于所述碳纤维壳3长度方向上。
另一种设置方式为：两个单模光纤1沿所述碳纤维壳3宽度方向设置，且两个单模光纤1之间形成的所述预设光路与碳纤维壳3宽度方向的截面平行，此时，当所述金属环2固定于所述碳纤维壳3上时，所述金属环2沿所述碳纤维壳3宽度方向设置，其环面与所述碳纤维壳3宽度方向的截面平行，也就是说，可以将所述金属环2套设在所述碳纤维壳3上。
其中，所述碳纤维壳3可为平板或圆柱等规则形体，也可为不规则形体，具体可根据实际需求而定，此处并不做过多限定。碳纤维壳3具有良好的抗腐蚀性、延展性和柔性，能够精准地反应所述金属环2带来的压力，且能够起到保护单模光纤1的作用。
在一具体实施例中，所述碳纤维壳3上设置有卡紧部4，当所述金属环2固定于所述碳纤维壳3上，且其环面与所述预设光路平行时，所述金属环2与所述卡紧部4之间至少有两个间隔接触点。
具体地，所述卡紧部4设置有多个，以所述金属环2的周向为分布依据，分布于所述碳纤维壳3外侧，所述金属环2可与所述卡紧部4固定连接或一体设置；也可将所述金属环2单独设置，当需要使用金属环2进行监测时，则将所述金属固定在所述卡紧部4中。可以理解地，只要能够实现将所述金属环2的一部分设置于所述碳纤维壳3外部，部分金属环2与所述待监测物体7处于同一环境中的设置方式均能够用于本实施例中。
进一步地，可将所述金属环2的一端封装于所述碳纤维壳3内，实现将所述金属环2固定在所述碳纤维壳3上，当然地，所述金属环2并未被紧固，此种设置利于保护所述金属环2不易脱落。在所述碳纤维壳3上背离封装有所述金属环2的一端设置有卡紧部4，当进行腐蚀监测时，可将所述金属环2的另一端卡紧在所述卡紧部4中，以实现金属环2紧固于所述碳纤维壳3上。
更进一步地，所述卡紧部4可设置有多个，以便于使用不同规格的金属环2进行腐蚀监测。
在一具体实施例中，所述碳纤维壳3通过增材制造打印技术制成，即在制作所述腐蚀监测传感元件6时，可用过将两个单模光纤1打印在所述碳纤维壳3中，实现所述单模光纤1和碳纤维壳3的一体设计，有效地实现对所述单模光纤1的封装，进而保证监测精度。
进一步地，所述卡紧部4和金属环2也可采用增材制造打印技术制成，以保证所述金属环2与所述碳纤维壳3接触的部分不被腐蚀，进而保持所述金属环2不因被腐蚀而从所述碳纤维壳3上脱落，保证了本发明所述腐蚀监测传感元件6监测效果的时效性。
具体地，在通过增材制造打印技术打印碳纤维壳3时，可预先对碳纤维耗材进行高温熔化处理，进而通过打印仪器进行打印，而金属环2的制作方式则类似，此处不再赘述。
进一步地，与所述单模光纤1连接的线缆部分通过铠装保护5从所述碳纤维壳3中引出，从而保护了单模光纤1。
本发明还公开一种干涉传感器，所述干涉传感器包括激光器、耦合器和光电探测器，其中，所述干涉传感器还包括本发明所述腐蚀监测传感元件6。
具体地，将本发明所述腐蚀监测传感元件6中的两个单模光纤1分别作为参考臂和测量臂，在所述干涉传感器中还设置有两个反光镜，分别与两个单模光纤1连接。
其中，所述干涉传感器为现有技术中所提及的一类传感器，故而，本实施例并不对上述激光器、耦合器和光电探测器做详细介绍，其中，本发明是对现有技术中的传感器进行了改进，以实现基于传感器原理实现腐蚀监测的功能。具体地，所述干涉传感器进行腐蚀监测的工作原理如下：
激光器发出的激光经耦合器被分成强度相同的两束之后，分别进入两个单模光纤1；
两个单模光纤1中的光束经反射镜反射后，重新回到光纤中；当两个单模光纤1之间的光程差是光源半波长的整数倍时，产生相位增或相位减的干涉条纹；
两个单模光纤1在碳纤维壳3的作用下，其传输的光波相位会发生变化，导致两个单模光纤1所形成的干涉条纹发生光强变化；
通过检测光强的强弱变化，可获取两个单模光纤1所传递的信号量信息；
之后对信号量信息进行处理分析，即可间接得到碳纤维壳3所承受的压力，进而得知金属环2的腐蚀情况，以映射待监测物体7的腐蚀情况。
进一步地，所述干涉传感器具体为Fabry-Perot干涉型光纤传感器。
进一步地，为实现对所述金属环2的腐蚀监测，本发明还提出了一种腐蚀监测方法，所述腐蚀监测方法通过所述干涉传感器实现，如图4所示，在具体实施时，执行以下步骤：
S100、检测单模光纤1输出的光信号，根据所述光信号得到两个单模光纤1的光程差。
S200、根据所述光程差、金属环2的变形模量、碳纤维壳3的变形模量、光纤长度和金属环2的直径，得到金属环2的变形量。
具体地，当金属环2发生了腐蚀反应，会使得金属环2的体积发生膨胀，进而使得固定金属环2的碳纤维壳3被拉伸，当碳纤维壳3拉伸变形后，其中封装的两个单模光纤1也会对应发生形变，以使得通过两个单模光纤1射出的光束经反光镜反射之后会发生光的衍射，进而可通过测量经衍射形成的干涉条纹，即可得到两个单模光纤1的光程差。
其中，光程差的表达式为：Δa＝nΔS(ε1)+SΔk(ε1)，式中：ε1为应变变形，S代表光纤长度，k代表纤芯指数。
而由应变变形导致的光纤光程变化可表示为：ΔS(ε1)＝Sε1；
由应变变形导致的光纤折射率的变化可表示为：
Figure BDA0002669685590000091
式中：μ为泊松比，Q1和Q2分别为两个单模光纤1的Pockel常数；
进而，上述光程差根据应变变形量和折射率变化量，也可表示为：
Figure BDA0002669685590000092
因此，通过两个单模光纤1的Pockel常数Q1和Q2，泊松比μ，纤芯指数k，光纤长度S，以及光程差Δa，就可得知光程差Δa与应变变形ε1的关系。
此处进行举例说明，比如，标准的单模光纤1的详细参数如下：Q1＝0.12，Q2＝0.27，μ＝0.15，k＝1.46，则光程差与应变变形的关系表示为：Δa＝1.19Sε1，进而，可得到金属环2应力变形的表达方式：
Figure BDA0002669685590000093
再者，由于碳纤维壳3所受压力与金属环2所受的力是相同的，因此，存在下式：A1σ1＝A2σ2，其中，A1表示金属环2与碳纤维壳3的接触面积，A2表示两个单模光纤1所在平面的横截面面积；σ1为金属环2受到的应力，σ2为碳纤维壳3受到的应力；
其中，应力和应变的关系可用下式表示：
σ1＝E1ε1
σ2＝E2ε2
式中：E1为金属环2的变形模量，E2为碳纤维壳3的变形模量，ε2为碳纤维壳3的应变变形。
由于碳纤维板的应力变形可表示为：
Figure BDA0002669685590000094
其中，ΔD金属环2的变形量，D为金属环2的直径。
因此，在已知E1、E2、D和ε2的前提下，可以得知金属环2的变形量，具体地，可用下式表示：
Figure BDA0002669685590000101
其中，金属环2的变形量ΔD用单位毫米/年(mm/a)表示。
在一具体实施例中，如图5所示，在所述步骤S100之后还包括：
S300、判断所述变形量是否大于预设阈值。
若是，则执行步骤S310、控制所述预设干涉传感器报警。具体地，当判断出所述预设金属环2的变形量较大时，说明其腐蚀程度比较严重，则反映了待监测物体7的腐蚀情况比较严重，则需要控制所述干涉传感器报警，以及时反馈待监测物体7的腐蚀情况，避免严重的腐蚀事故发生。可以理解地，所述预设阈值可根据具体需求而定，此处并不做过多限制，而控制所述干涉传感器报警，可通过在所述干涉传感器中设置报警元件，也可使得所述干涉传感器与报警器连接，进而达到报警的目的，具体的实现方式有多种，此处不再详述。
若否，则重复执行步骤S100-S300。
对应地，本发明提出了一种存储介质，其中，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序能够被执行以用于实现如上所述的腐蚀监测方法；具体如上所述。
综上所述，本发明公开的一种腐蚀监测传感元件、干涉传感器及方法，其中，所述腐蚀监测传感元件包括：碳纤维壳；两个单模光纤，封装于所述碳纤维壳中，两个单模光纤分别设于预设光路的两端；与待监测物体具有相同材质的金属环，至少部分所述金属环设于所述碳纤维壳外侧；当所述金属环紧固于所述碳纤维壳上时，所述金属环的环面与所述预设光路平行。通过所述金属环的腐蚀程度反映待监测物体的腐蚀程度，而所述金属环的腐蚀情况通过作用于所述碳纤维壳的力进行反馈，其中，所述碳纤维壳所受的力可通过两个单模光纤转换成光信号，进而通过对光信号进行处理可以得到，以此完成对待监测物体的腐蚀监测，且测量精度高。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种腐蚀监测传感元件，其特征在于，包括：
碳纤维壳；
两个单模光纤，封装于所述碳纤维壳中，两个单模光纤分别设于预设光路的两端；
与待监测物体具有相同材质的金属环，至少部分所述金属环设于所述碳纤维壳外侧；当所述金属环紧固于所述碳纤维壳上时，所述金属环的环面与所述预设光路平行。
2.根据权利要求1所述腐蚀监测传感元件，其特征在于，所述预设光路与所述碳纤维壳的横截面或纵截面平行。
3.根据权利要求1所述腐蚀监测传感元件，其特征在于，所述碳纤维壳上设置有卡紧部，当所述金属环固定于所述碳纤维壳上，且其环面与所述预设光路平行时，所述金属环与所述卡紧部之间至少有两个间隔接触点。
4.根据权利要求1所述腐蚀监测传感元件，其特征在于，所述金属环的一端封装于所述碳纤维壳内；
所述碳纤维壳上背离封装有所述金属环的一端设置有卡紧部；
当所述金属环固定于所述碳纤维壳上，且其环面与所述预设光路平行时，所述金属环卡紧于所述卡紧部。
5.根据权利要求1-4任一项所述腐蚀监测传感元件，其特征在于，所述碳纤维壳通过增材制造打印技术制成。
6.根据权利要求5所述腐蚀监测传感元件，其特征在于，所述金属环通过增材制造打印技术制成，且与所述碳纤维壳一体成型。
7.一种干涉传感器，所述干涉传感器包括激光器、耦合器和光电探测器，其特征在于，还包括如权利要求1-6任一项所述腐蚀监测传感元件和信号处理系统。
8.一种腐蚀监测方法，基于如权利要求7所述干涉传感器实现，其特征在于，在实施所述腐蚀监测方法时执行以下步骤：
检测单模光纤输出的光信号，根据所述光信号得到两个单模光纤的光程差；
根据所述光程差、金属环的变形模量、碳纤维壳的变形模量、光纤长度和金属环的直径，得到金属环的变形量。
9.根据权利要求8所述腐蚀监测方法，其特征在于，所述根据所述光程差、金属环的变形模量、碳纤维壳的变形模量、光纤长度和金属环的直径，得到金属环的变形量之后包括：
判断所述变形量是否大于预设阈值；
若大于预设阈值，控制所述干涉传感器报警。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序能够被执行以用于实现如权利要求8-9任一项所述的腐蚀监测方法。
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