CN112284270B - 一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置，属于光纤传感技术领域，包括L形基座、对称安装于L形基座两侧的四支光纤Bragg光栅传感器、两支测试杆和两个拉簧以及保护罩，所述测试杆位于两个光纤Bragg光栅传感器中间并和两个光纤Bragg光栅传感器连接，测试杆通过旋转轴转动连接在L形基座侧壁，测试杆一端和拉簧相连,另一端和待测金属板相接触，拉簧的另一端固定在L形基座上。本发明可满足金属表面长期实时监测、便于安装、耐腐蚀、测量精度高、稳定性好、灵敏度和测量范围可调、能够对测量的腐蚀信号进行放大、能够进行温度自补偿、具有较好的经济效益和社会效益。

Description

一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置
技术领域
本发明涉及光纤光栅技术，属于光纤传感技术领域，具体是一种用于长期实时监测金属腐蚀的装置。
背景技术
在飞行器、桥梁、船舶、油气管道、海底隧道等许多领域需要对金属材料腐蚀进行监测。金属腐蚀是一个长期的过程，尤其是当接近或超过设计寿命时，腐蚀的监测就成了强烈的需要。现行的腐蚀监测方法大致可分为电化学法和非电化学法两类。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，非电化学的方法包括表观检查法、失重法、超声波法、涡流法、声发射法等，然而，上述监测方法，大多数存在着操作不便、监测过程复杂、监测执行时间长、监测准确度低等问题。而光纤光栅传感器具有测量灵敏度高、质量轻、抗干扰、耐腐蚀、可实现远程测量等独特优点，基于光纤光栅设计腐蚀监测传感器，可以较好地克服传统方法所存在的缺点。通过光纤光栅的远程测量，可以安全无损地实现腐蚀监测，因此，长期实时监测金属腐蚀状态的光纤光栅传感器很有必要。
发明内容
本发明可满足金属表面长期实时监测、耐腐蚀、便于安装、体积可做得很小、测量精度高、稳定性好、灵敏度和测量范围可调、能够对测量的腐蚀信号进行放大、能够进行温度自补偿、具有较好的经济效益和社会效益。
本发明所采用的技术方案是：
一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置， 包括L形基座、对称安装于L形基座两侧的四支光纤Bragg光栅传感器、两支测试杆和两个拉簧以及保护罩，所述测试杆位于两个光纤Bragg光栅传感器中间并和两个光纤Bragg光栅传感器连接，测试杆通过旋转轴转动，连接在L形基座侧壁，测试杆一端和拉簧相连, 另一端和待测金属板相接触，拉簧的另一端固定在L形基座上。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述L形基座两侧壁对称设置着两个阶梯型圆柱体、两个带有圆形通孔的卡扣、一个圆形凹槽以及设置有一个圆孔和凹槽的L型凸体块，阶梯型圆柱体和L型凸体块分别设置在光纤Bragg光栅传感器的两侧，卡扣设置于测试杆的一侧，圆形通孔和圆形凹槽同轴并且内径相同，所述测试杆通过旋转轴连接在圆形凹槽和卡扣的圆形通孔中，光纤Bragg光栅1传感器和光纤Bragg光栅4传感器一端通过胶接的方式固定于测试杆顶端的圆形槽内，另一端通过胶接的方式分别固定于L形凸体块的凹槽内；光纤Bragg光栅2传感器和光纤Bragg光栅3传感器的一端通过胶接的方式分别固定于L形基座两侧的两节阶梯型圆柱体上，另一端固定于测试杆顶端的圆形槽内。
本发明技术方案的进一步改进在于：光纤Bragg光栅传感器1和光纤Bragg光栅传感器2串接在一起，光纤Bragg光栅传感器3和光纤Bragg光栅传感器4串接在一起，光纤Bragg光栅传感器1和光纤Bragg光栅传感器4中心波长相同，光纤Bragg光栅传感器2和光纤Bragg光栅传感器3中心波长相同。
本发明技术方案的进一步改进在于：L形基座外侧面、圆形凹槽的垂直下方设置有一个半圆形柱体，底板上靠近L形基座内侧壁开一个贯通底板的矩形槽，L形基座内侧的测试杆伸入矩形槽内。
本发明技术方案的进一步改进在于：两测试杆包括长度相同和长度不同两种。
本发明技术方案的进一步改进在于：两个拉簧一端钩挂于测试杆顶端开设的圆孔上，另一端挂于L形凸体块的圆孔上。
本发明技术方案的进一步改进在于：底板上有若干个固定孔，L型基座通过固定孔固定到待测金属板上。
本发明技术方案的进一步改进在于：L型基座通过胶黏剂固定到待测金属板上。
本发明技术方案的进一步改进在于：L形基座、测试杆、卡扣的材质选用钢号为316L的不锈钢、钛合金、电木材料的任一种。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的有益效果是：
可对金属表面进行全寿命周期腐蚀监测；耐腐蚀，便于安装，由于L形基座的底板可根据使用环境的不同进行调整，所以能够满足不同监测条件的需求，同时便于安装；测量精度高，稳定性好，由于L形基座两侧是对称测量，可以选择两个相同的测试杆，可以判断测量过程中某个是否出现故障，正常的情况下两侧测量的数据应该是同步变化的，这样可进一步确保测量数据的准确性和测量过程的稳定性；当两测试杆旋转轴到待测金属表面这部分结构长度不同时，其它部分完全相同，上面作用也是满足的，增大测试杆到待测金属表面这部分的距离，那么它能监测的金属腐蚀厚度就会增加，所以就扩大了测量的范围，因为测试杆旋转轴到待测金属表面这部分距离越大，测量范围越大，在前期金属腐蚀不明显时，测试杆旋转轴到待测金属表面这部分距离短的更灵敏，但它的测量范围小，另一个测试杆旋转轴到待测金属表面这部分距离长一点的测试杆在监测时正好能够补充它量程小的缺陷。
灵敏度和测量范围可调，由于腐蚀会引起金属表面厚度的微弱变化，这种变化将使测试杆旋转一定弧度，当测试杆与竖直方向的夹角比较小时，金属厚度的变化引起测试杆转动的弧度变化较明显，初始的角度越小，金属腐蚀相同的厚度引起测试杆弧度变化就越大，测量也就越灵敏，但测量范围变小，因为旋转轴中心到金属表面高度是一定的，测试杆所能感应金属厚度变化的最大值为旋转轴中心到测试杆接触金属表面的一端的长度减去旋转轴中心到待测金属表面的高度值。所以可以通过改变测试杆旋转轴中心到测试杆接触金属表面的一端的距离来改变测试杆与竖直方向的初始角度，进而改变传感器的灵敏度，同时改变了测量金属腐蚀厚度的范围。
测试杆的长度根据需要进行选择，测试杆能够对测量的腐蚀信号进行放大，通过将厚度的变化转化为测试杆弧度的变化，实现了第一步的放大，测试杆旋转的过程中角度变化是相同的，所以测试杆非接触金属的一端到旋转轴的距离越大，这一端点扫过的弧度越大，这样将信号的幅度进一步放大。
能够进行温度自补偿，L形基座每一侧面都分布着两个光纤Bragg光栅传感器，这每侧的两个光栅在测试杆旋转的过程中能够对彼此进行温度互补偿。
附图说明
图1是本发明的内部结构主视示意图；
图2是本发明的L形基座后向结构示意图；
图3是本发明的内部结构后向结构示意图；
图4是本发明的内部结构俯视结构示意图；
其中，1、L形基座，2、阶梯型圆柱体，4、圆孔，5、凹槽，6、L形凸体块，7、圆形凹槽，8、半圆形柱体，9、底板，10、待测金属板，11、矩形槽，12、固定孔，15、测试杆，23、卡扣，24、圆形通孔，25、光纤Bragg光栅传感器1，26、光纤Bragg光栅传感器2，27、拉簧，28、光纤Bragg光栅传感器3，29、光纤Bragg光栅传感器4。
具体实施方式
如图所示，一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置，包括：L形基座1，四支光纤Bragg光栅传感器，两支测试杆和两个卡扣23，两个拉簧27，L形基座1外套有保护罩。
所述L形基座1两侧壁对称分布着一个两节阶梯型圆柱体2，一个圆形凹槽7和一个通有圆孔13和凹槽5的L型凸体块6，两侧不同之处是，L型基座1外侧面有一个半圆形柱体8，底板9上靠近L型基座内侧壁开一个贯通底板的矩形槽11，L型基座1内侧的测试杆20伸入矩形槽11内，底板9上有五个固定孔12，L型基座1通过底板9的五个固定孔12固接到待测金属板10上或直接胶粘到金属板上。
阶梯型圆柱体2和L型凸体块6分别设置在光纤Bragg光栅传感器的两侧，卡扣23设置于测试杆的一侧，圆形通孔24和圆形凹槽7同轴并且内径相同，所述测试杆通过旋转轴连接在圆形凹槽7和卡扣23的圆形通孔24中，光纤Bragg光栅传感器125和光纤Bragg光栅传感器429一端通过胶接的方式固定于测试杆15顶端的圆形槽内，另一端通过胶接的方式分别固定于L型凸体块6的凹槽5内；光纤Bragg光栅传感器226和光纤Bragg光栅传感器328的一端通过胶接的方式分别固定于L形基座1两侧的两节阶梯型圆柱体2直角槽中，另一端固定于测试杆15顶端的圆形槽内，胶粘后光纤Bragg光栅传感器处于恰好拉伸的状态。
光纤Bragg光栅传感器1和光纤Bragg光栅传感器4中心波长相同，光纤Bragg光栅传感器2和光纤Bragg光栅传感器3中心波长相同，两对中心波长不同的光纤Bragg光栅传感器的位置任意。
两个拉簧27一端通过自带的钩挂于测试杆顶端的圆孔上，另一端分别挂于L形基座两侧的L形突体块的圆孔上。
两测试杆15包括长度相同和长度不同两种，可根据需要监测的金属腐蚀程度进行调整，测试杆轴上部分比轴下部分的比值可根据腐蚀程度进行选择，如测试杆轴上部分比轴下部分的比值是2:1，通过将厚度的变化转化为测试杆弧度的变化，实现了第一步的放大，测试杆15旋转的过程中角度变化是相同的，所以测试杆15非接触金属的一端到旋转轴的距离越大，这一端点扫过的弧度越大，这样将信号的幅度进一步放大，最后转变为对光纤Bragg光栅传感器的拉力的变化，通过解调仪进而可以观察到Bragg光栅传感器中心波长发生漂移，通过标定腐蚀表面厚度变化量与中心波长变化量的关系，即可推算出腐蚀程度。
所述的L形基座、卡子、测试杆均可用钢号为316L的不锈钢、钛合金、电木等材料制备。本发明在实用的过程中，可根据安装环境外加不同材质的耐腐蚀的保护壳，对传感光栅进行保护。

Claims (8)

1.一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：包括L形基座（1）、对称安装于L形基座（1）的两侧的四支光纤Bragg光栅传感器、两支测试杆和两个拉簧（27）以及保护罩，所述测试杆位于两个光纤Bragg光栅传感器中间并和两个光纤Bragg光栅传感器连接，测试杆通过旋转轴转动连接在L形基座（1）侧壁，测试杆一端和拉簧（27）相连, 另一端和待测金属板（10）相接触，拉簧（27）的另一端固定在L形基座（1）上；
所述L形基座（1）两侧壁对称设置着两个阶梯型圆柱体（2）、两个带有圆形通孔（24）的卡扣（23）、一个圆形凹槽（7）以及设置有一个圆孔（4）和凹槽（5）的L形凸体块（6），阶梯型圆柱体（2）和L形凸体块（6）分别设置在光纤Bragg光栅传感器的两侧，卡扣（23）设置于测试杆的一侧，圆形通孔（24）和圆形凹槽（7）同轴并且内径相同，所述测试杆通过旋转轴连接在圆形凹槽（7）和卡扣（23）的圆形通孔（24）中，光纤Bragg光栅传感器1（25）和光纤Bragg光栅传感器4（29）一端通过胶接的方式固定于测试杆（15）顶端的圆形槽内，另一端通过胶接的方式分别固定于L形凸体块（6）的凹槽（5）内；光纤Bragg光栅传感器2（26）和光纤Bragg光栅传感器3（28）的一端通过胶接的方式分别固定于L形基座（1）两侧的两节阶梯型圆柱体（2）上，另一端固定于测试杆（15）顶端的圆形槽内。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：光纤Bragg光栅传感器1(25)和光纤Bragg光栅传感器2（26）串接在一起，光纤Bragg光栅传感器3（28）和光纤Bragg光栅传感器4（29）串接在一起，光纤Bragg光栅传感器1（25）和光纤Bragg光栅传感器4（29）中心波长相同，光纤Bragg光栅传感器2（26）和光纤Bragg光栅传感器3（28）中心波长相同。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：L形基座（1）外侧面、圆形凹槽（7）的垂直下方设置有一个半圆形柱体（8），底板（9）上靠近L形基座（1）内侧壁开一个贯通底板的矩形槽（11），L形基座（1）内侧的测试杆（15）伸入矩形槽（11）内。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：两测试杆包括长度相同和长度不同两种。
5.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：两个拉簧（27）一端钩挂于测试杆顶端开设的圆孔上，另一端挂于L形凸体块（6）的圆孔（4）上。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：底板（9）上有若干个固定孔（12），L形基座（1）通过固定孔（12）固定到待测金属板（10）上。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：L形基座（1）通过胶黏剂固定到待测金属板（10）上。
8.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅自带温度补偿的金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：L形基座（1）、测试杆（15）、卡扣（23）的材质选用钢号为316L的不锈钢、钛合金、电木材料的任一种。
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