CN112461738A - 混凝土腐蚀状态的检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土腐蚀状态的检测系统，其特征在于，包括控制检测模块、光学模块以及腔体模块；所述控制检测模块包括示波器、光电探测器、激光能量计、计算机以及光谱仪；所述示波器与光电探测器连接，用于监控激光器的输出信号，所述激光能量计用于监控激光器输出激光的实际能量；所述光学模块包括激光器、用于将部分激光传播至所述光电探测器中的第一分光镜、用于将部分激光传播至所述激光能量计中的第二分光镜、反射镜、第一平凸透镜、二向色镜、第二平凸透镜以及收集光纤，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜分别位于所述二向色镜的两侧；所述腔体模块包括密闭气室以及设置在所述密闭气室上的光学窗口。

Description

混凝土腐蚀状态的检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于激光诊断技术领域，具体涉及一种用于混凝土腐蚀状态检测的LIBS检测系统以及采用该检测系统进行混凝土腐蚀状态检测的方法。

背景技术

核电厂运行过程中，混凝土结构的腐蚀已成为影响各电厂安全稳定运行的关键因素。我国所有商用核电厂均建立在海边，而海水中的氯离子(Cl^-)会对混凝土结构产生强烈侵蚀作用，引起构筑物内部钢筋混凝土的锈蚀，导致混凝土发生开裂，破坏结构稳定性，而且一旦发生结构破坏，轻则导致异物进入管道造成设备损坏，重则导致核电厂冷却循环用水供应能力降低，对机组安全运行带来极大风险，影响核电厂的稳定运行。

传统针对混凝土Cl离子含量的测量方法为化学滴定法，需通过对混凝土进行取样测量、离线检测，不仅过程繁复，且对混凝土结构存在破坏性，因此亟需新的无损在线监检测手段对构筑物腐蚀程度进行检测、综合评估和寿命预测。

针对核电厂的高放射性环境，常规的检测手段，如X射线照相技术、超声技术、涡流技术，只能应用于停机和非操作阶段，不能实现远距离的在线测量。最近发展的新型远程在线检测技术有声发射技术和电化学技术，它们都有着各自的局限性：如有声发射技术只能检测正在遭受破坏的材料所发出的压力波信号，不能对其寿命进行评估和预测；电化学技术则需要对核电系统加入小振幅的电信号扰动，可能会对系统造成不利影响。

激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，以下简称LIBS技术)是基于高功率脉冲激光与待测样品相互作用产生瞬态等离子体，高温高密的等离子体辐射出不同波长的特征谱线，通过分析等离子体发射光谱中原子或离子的特征谱线，实现对待测样品定性或定量分析的一种光谱技术。

与常规的检测手段相比，LIBS技术强大的远程在线检测能力是常规的检测手段所不能达到的；LIBS技术在检测过程中的只有“光接触”样品表面，在检测过程中烧蚀的样品质量只有微克量级，对整个系统没有任何影响，能够实时获得分析结果，准确度高、分析速度快，在核电站的在线监测技术中，其优势明显。

发明内容

有鉴于此，为了克服现有技术的缺陷和达到上述目的，本发明的目的是提供一种混凝土腐蚀状态的检测系统，其能够在不破坏待测样品的情况下实现快速、精确的检测。

为了达到上述目的，本发明采用以下的技术方案：

一种混凝土腐蚀状态的检测系统，包括控制检测模块、光学模块以及腔体模块；

所述控制检测模块包括示波器、光电探测器、激光能量计、计算机以及光谱仪；所述示波器与光电探测器连接，用于监控激光器的输出信号，所述激光能量计用于监控激光器输出激光的实际能量；在本发明的一些实施例中，控制检测模块还包括ICCD(Intensified Charge Coupled Device；增强电荷耦合器件)以及可编程脉冲延迟发生器；

所述光学模块包括激光器、用于将部分激光传播至所述光电探测器中的第一分光镜、用于将部分激光传播至所述激光能量计中的第二分光镜、反射镜、第一平凸透镜、二向色镜、第二平凸透镜以及收集光纤，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜分别位于所述二向色镜的两侧；所述收集光纤用于将经所述第二平凸透镜传播过来的光传播至所述光谱仪中；

所述腔体模块包括密闭气室以及设置在所述密闭气室上的光学窗口。

位移平台能够带动待测样品进行水平方向和竖直方向上的移动，其安装固定于密闭气室内部底面上，并与密闭气室之外的电动控制器电信号连接。电动控制器与计算机电信号连接，可以通过软件远程电动控制位移平台在X、Y、Z三个方面上的位移，其控制精度可达10μm。采用位移平台在检测时带动待测样品进行移动，实现了对待测混凝土样品渗透面的二维扫描LIBS检测，可得到扫描精度为0.1mm(相邻扫描点之间的距离)的混凝土渗透面的二维光谱信息，能够确定氯元素含量超标的临界渗透深度。

根据本发明的一些优选实施方面，所述光学模块中的激光器、第一分光镜、第二分光镜和反射镜位于同一个光路中；所述第一分光镜和第二分光镜的镜面平行设置，所述反射镜的镜面垂直于第一分光镜或第二分光镜的镜面。具体的，第一分光镜和第二分光镜的镜面均与激光器的输出激光光轴成135°夹角，反射镜的镜面与激光器的输出激光光轴成45°夹角。

根据本发明的一些优选实施方面，所述第一平凸透镜、二向色镜和第二平凸透镜位于同一个光路中；所述第一平凸透镜和第二平凸透镜的镜面均与所述激光器的输出激光光轴垂直。二向色镜与激光器的输出激光光轴成45°夹角；第一平凸透镜安装在二向色镜的反射面一侧，第二平凸透镜安装在二向色镜的透射面一侧。第一平凸透镜的直径为25.4mm，焦距为100mm；第二平凸透镜的直径为12.7mm，焦距为40mm。

根据本发明的一些优选实施方面，所述激光器为皮秒激光器。具体的，在本发明的一些实施例中，皮秒激光器为Nd：YAG皮秒激光器，输出激光波长为1064nm，频率为10Hz，脉冲宽度FWHM为30±3ps，最大脉冲能量为30mJ，激光光束直径为6mm。因为其脉冲宽度为皮秒量级，其激光的功率密度更高。因此，相较于纳秒激光，其能更好的激发出混凝土样品表面的氯离子形成等离子体。

根据本发明的一些优选实施方面，所述腔体模块还包括设置于所述密闭气室内的位移平台，待测样品放置在所述位移平台的顶部，所述位移平台用于带动所述待测样品移动。

根据本发明的一些优选实施方面，所述控制模块还包括用于控制所述位移平台移动的电动控制器，所述电动控制器与所述计算机连接，且通过信号电缆与所述位移平台连接。

根据本发明的一些优选实施方面，所述密闭气室的上壁开设有进气口和出气口，所述进气口用于与惰性气体气源连通。且控制密闭气室内的气压为800-1000mbar。通过充入惰性气体有利于改善LIBS光谱信噪比，极大削弱了背景光谱的强度，进一步提高氯元素的检测限。

根据本发明的一些优选实施方面，所述惰性气体为氦气或氩气。

根据本发明的一些优选实施方面，激光光束聚焦的焦点位置设置在待测样品表面之下5mm内。在一些实施例中，在激光聚焦到待测混凝土样品表面击穿诱导产生等离子过程中，将激光光束聚焦焦点位置设置在待测混凝土样品表面之下2mm处。一方面，较小的聚焦光斑，其单位面积内的激光能量密度更高，更有利于激发待测混凝土样品表面的氯等离子体；另一方面，较大的聚焦光斑拥有更大的烧蚀面积，并获得更高的烧蚀击穿效率。这是兼顾了两方面的最优选择。

本发明还提供了一种根据如上所述的混凝土腐蚀状态的检测系统进行混凝土腐蚀状态检测的方法，包括如下步骤：

将待测样品放置于位移平台上，向密闭气室内通入惰性气体，排除密闭气室内原有的空气；

开启激光器，并调节所述激光器光信号参数；

通过位移平台调整待测样品的位置，使得激光的光束聚焦的焦点位置在待测样品表面之下5mm内；

观测氯元素特征谱线的光谱强度的信背比和光谱图的纵坐标，若信背比高且光谱图纵坐标数值最大则进行下一步骤；若信背比低则返回上一步骤，直到观测到信背比高且光谱图纵坐标数值最大的氯元素特征谱线再进行下一步骤；

在计算机上设置光谱仪的光谱累加次数，并设置位移平台在水平方向上的运动轨迹、运动间隔以及运动速度，确定扫描点；

使用光谱仪采样背景光，在每个扫描点进行累加打靶后，控制位移平台将待测样品移动到下个扫描点，得到所述待测样品的光谱信息；

结合标准水泥样品的检测实验，通过氯元素标准定标曲线得到待测样品渗透面的氯元素的分布信息，确定待测样品中的氯元素渗透深度。

在本申请的一些实施例中，检测方法具体包括如下步骤：

S1、打开密闭气室，将待测混凝土样品放置于三维位移平台之上；

S2、关闭密闭气室，通过进气口向密闭气室通入惰性气体如氦气，将密闭气室内原有的空气从出气口排除，直至密闭气室内完全充满氦气，并控制密闭气室内的气压为800-1000mbar。

S3、通过计算机向电动控制器下达指令，控制三维位移平台带动所述待测混凝土样品缓慢上升，直到待测样品的上表面遮挡住密闭气室中的光电开关发射端发出的光束，停止上升；

S4、打开皮秒激光器的指示光，控制三维位移平台在X、Y水平方向上的运动，调节待测混凝土样品在xOy水平面上的位置，使得皮秒激光器的指示光落在二维扫描检测的起始点位置为止；

S5、调节所述皮秒激光器发出的光信号参数、ICCD门宽信号延时以及微调三维位移平台的高度位置，使得激光光束聚焦的焦点位置在待测样品表面之下5mm内；

S6、观测837.6nm处氯元素特征谱线的光谱强度的信背比和光谱图的纵坐标，若信背比高且光谱图纵坐标数值最大则进行S7的步骤，若信背比低返回S5的步骤，直到观测到信背比高且光谱图纵坐标数值最大的氯元素特征谱线再执行S7的步骤；

S7、在计算机上设置光谱仪的光谱累加次数，设置电动控制器控制三维位移平台在X、Y方向上的运动轨迹、运动间隔以及运动速度，确定扫描点；

S8、使用控制检测模块中的光谱仪采样背景光，在每个扫描点进行累加打靶后，控制三维位移平台将待测混凝土样品移动到下个扫描点，得到所述待测样品二维扫描LIBS光谱信息；

S9、结合标准水泥样品的LIBS检测实验，通过氯元素标准定标曲线定量得到待测混凝土样品渗透面的氯元素的二维扫描分布信息，确定混凝土样品的氯元素渗透深度；

S10、将密闭气室内的氦气放出，控制三维位移平台回到初始位置。

由于采用了以上的技术方案，相较于现有技术，本发明的有益之处在于：本发明的混凝土腐蚀状态的检测系统，实现了对待测混凝土样品渗透面的二维扫描LIBS检测，相比传统的化学滴定检测方法的优势在于：检测速度快，检测精度高；通过对不同扫描点LIBS光谱中的元素信息进行主成分分析和聚类分析，可以准确识别待测混凝土样品中的骨料成分和水泥成分；可得到扫描精度为0.1mm的混凝土渗透面的二维光谱信息，有利于轻松确定氯元素含量超标的临界渗透深度，推演氯元素渗透路径，更准确反应出混凝土腐蚀状况。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中混凝土腐蚀状态的检测系统的示意图；

图2为采用本发明实施例中混凝土腐蚀状态的检测系统在空气气氛和氦气气氛中所测氯等离子辐射谱线的对比图；

图3为对在饱和氯化钠溶液中浸泡15天的混凝土样品的一条渗透直线分别使用化学滴定和本发明中的检测系统进行检测的结果对比图；

图4为本发明实施例中进行混凝土腐蚀状态检测的方法流程图；

其中：1-皮秒激光器；2-示波器；3-分光镜；4-光电探测器；5-分光镜；6-激光能量计；7-平凸透镜；8-反射镜；9-电动控制器；10-信号电缆；11-进气口；12-航空插座；13-等离子体羽；14-混凝土样品；15-三维位移平台；16-密闭气室；17-玻璃窗口；18-出气口；19-平凸透镜；20-计算机；21-二向色镜；22-光谱仪；23-ICCD；24-可编程脉冲延迟发生器；25-收集光纤。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1混凝土腐蚀状态的检测系统

参见附图1，本实施例的混凝土腐蚀状态的检测系统，包括控制检测模块、光学模块以及腔体模块三个部分；其中，控制检测模块包括示波器2、光电探测器4、激光能量计6、电动控制器9、信号电缆10、计算机20、光谱仪22、ICCD23以及可编程脉冲延迟发生器24；光学模块包括皮秒激光器1、第一分光镜3、第二分光镜5、第二平凸透镜7、反射镜8、第一平凸透镜19、二向色镜21以及收集光纤25；腔体模块包括：进气口11、航空插座12、混凝土样品14、三维位移平台15、密闭气室16、光学窗口17以及出气口18。

光学模块中的皮秒激光器1、第一分光镜3、第二分光镜5、反射镜8位于同一光路，且第一分光镜3和第二分光镜5的镜面均与皮秒激光器1的输出激光光轴成135°夹角；分光镜8的镜面垂直于第一分光镜3和第二分光镜5的镜面，并与皮秒激光器1的输出激光光轴成45°夹角。

皮秒激光器1输出的激光一路透过第一分光镜3，被分光到光电探测器4中，光电探测器4对外连接到示波器2上，用于监控皮秒激光的输出信号；透过第一分光镜3的激光继续透过的第二分光镜5，部分激光被第二分光镜5分光到激光能量计6中，激光能量计6对外连接到计算机20上，通过实验提前测得进入激光能量计6的激光能量与皮秒激光器1输出的激光能量的比例，在计算机20中设置相应的分光系数，从而可以监控皮秒激光器1输出激光的实际能量。

本实施例所使用的皮秒激光器1为Nd：YAG皮秒激光器，输出激光波长为1064nm，频率为10Hz，脉冲宽度FWHM为30±3ps，最大脉冲能量为30mJ，激光光束直径为6mm。使用皮秒激光器的原因在于，皮秒激光器的脉冲宽度为皮秒量级，其激光的功率密度更高。因此，皮秒激光相较于纳秒激光，能更好的激发出混凝土样品表面的氯离子形成等离子体。

光学模块中的第二平凸透镜7、二向色镜21、第一平凸透镜19位于另一个同一光路中，且第二平凸透镜7中心、二向色镜21中心、第一平凸透镜19中心位于同一直线上。二向色镜21的镜面与皮秒激光器1的输出激光光轴成45°夹角，其中短波通二向色镜21的截止波长为805nm；第一平凸透镜19安装在二向色镜21的反射面一侧，第二平凸透镜7安装在二向色镜21的透射面一侧；其中第一平凸透镜19的直径为25.4mm，焦距为100mm。其中第二平凸透镜7的直径为12.7mm，焦距为40mm；第一平凸透镜19和第二平凸透镜7的镜面均与皮秒激光器24的输出激光光轴垂直。

透过第二分光镜5的激光光束被反射镜8反射后，射向二向色镜21。二向色镜21为短波通二向色镜，直径为50.8mm，截止波长为805nm。对于830-1300nm波长的光，二向色镜21的反射率可以达到96％以上；对于波长为400-792nm波长的光，其通光率也能达到90％以上。经过二向色镜21反射的平行激光束通过第一平凸透镜19聚焦，然后通过腔体模块中的光学窗口17，从而聚焦激光进入到密闭气室16中进行传输。

通过光学窗口17的激光光束被聚焦到混凝土样品14表面，产生等离子体羽流13。由于经过第一平凸透镜19往下汇聚的激光光束又经过光学窗口17，介质的折射率发生改变，延长了激光聚焦时传输的光程，因此激光光束聚焦光斑与第一平凸透镜19中心之间的距离略大于其焦距100mm。

由于光路是可逆的，等离子体羽流13发射的光子通过光学窗口17传播到密闭气室16之外；等离子辐射光子开始沿入射光路反向传输，其通过第一平凸透镜19变为平行光，平行光通过二向色镜21传播至第二平凸透镜7，被第二平凸透镜7聚焦到收集光纤25中，进而输入到光谱仪22中。

腔体模块中的进气口11、航空插座11、光学窗口17以及出气口18均位于密闭气室16的壁面上；而待检测的混凝土样品14、三维位移平台15以及等离子体羽流13均位于密闭气室16之中。

密闭气室16的上壁面分别设有可开关的进气口11和出气口18，进气口11和出气口18与氦气气瓶之间通过导管连接。在进行待测样品检测之前，通过进气口11向密闭气室16通入氦气(He)，将密闭气室16内原有的空气从出气口18排除，直到密闭气室16内完全充满氦气。因为空气是由一系列元素分子组成，其LIBS发射谱线会与氯元素发射谱线线的相互干扰；LIBS光谱背景信号的强度的起伏与激光击穿空气有关，进一步加大了检测出氯元素光谱的难度。而氦气可改善光谱信噪比，大幅度削弱了背景光谱的强度，进一步提高氯元素的检测限。

密闭气室16内的氦气气压优选控制在1000mbar。一方面，高的气压会导致环境中有更多的气体，因此会产生与气体相关的强度更大的发射谱线，这可能会对氯元素的谱线产生干扰和掩盖；另一方面，在低的气压下，发射粒子的密度低，因而探测到的LIBS信号也低。归一化光谱强度随着气压的增大而增大，直到400mbar以后开始保持稳定，这种稳定对应于放电参数(如电子密度)对压力的依赖。因此，将密闭气室16内的最优化的工作压力确定为1000mbar，因为将压力稳定在这个值比保持在更低的压力更容易。图2是空气气氛下光谱和氦气气氛下光谱的等离子辐射谱线对比图，可以看到氦气气氛下的LIBS光谱与无复合空气气氛下的LIBS光谱相比，所测的氯离子谱线强度得到显著的增强。

本实施例所使用的三维位移平台15安装固定于密闭气室16内部底面上，其与密闭气室16之外的电动控制器9电信号连接。电动控制器9与计算机20电信号连接，可以通过软件远程电动控制三维位移平台15在X、Y、Z三个方面上的位移，其控制精度可达10μm。

密闭气室16的内壁面上安装有光电开关传感器，光电开关传感器是由光电开关发射端和光电开关收集端组成，光电开关传感器主要用于控制待测样品的高度。光电开关发射端中的发光二级管不断向光电开关收集端发射光信号，光电开关收集端内的光敏三极管把接收到的发光信号转为电信号传递到计算机20中。光电开关发射端和光电开关收集端安装在同一高度上，光电探测器的发光光轴与三维位移平台15和待测混凝土样品14表面平行。优选地，该发光光轴的高度设置为是经过光学窗口17的被聚焦的激光光束聚焦焦点位置高度之上的2mm处。

在进行检测的过程中，通过计算机20向电动控制器9下达指令，控制三维位移平台15带动所述待测混凝土样品14缓慢上升，直到混凝土样品14上表面遮挡住光电开关发射端发出的光束时，光电开关收集端向外传递的电信号发生改变，同时计算机20控制三维位移平台15停止动作。此时，经过光学窗口17的激光光束的聚焦焦点位置在待测混凝土样品14表面之下2mm位置。

激光光束的聚焦焦点与待测样品表面的位置关系会直接影响待测样品表面聚焦光斑的大小。一方面，较小的聚焦光斑，其单位面积内的激光能量密度更高，更有利于待测混凝土样品14表面的氯等离子体；另一方面，较大的聚焦光斑拥有更大的烧蚀面积，并获得更高的烧蚀击穿效率。所以本申请中将激光光束聚焦焦点位置设置在待测混凝土样品14表面之下2mm处。

本实施例中航空插座12安装于密闭气室16的侧壁面上，其作用在于使得密闭腔体内外的元件可以进行电信号连接，而不影响密闭腔体的气密性。密闭气室16内的三维位移平台的6条信号线，以及光电开关的2条信号线集结成信号电缆10，穿过航空插座12，分别与密闭气室16之外的电动控制器9和计算机20电连接。

本实施例在进行二维扫描LIBS检测前的准备工作为：打开皮秒激光器1的指示光，移动待测混凝土样品14在三维位移平台15上的位置，使得皮秒激光器1的指示光落在二维扫描检测的起始点位置；设置可编程脉冲延迟发生器24的参数，改变皮秒激光器1的出光信号与ICCD23门宽信号的延时，同时通过计算机20进一步微调三维位移平台15的升降，使得在计算机20的软件上观测837.6nm处氯元素特征谱线的光谱强度的信背比和光谱图的纵坐标最大。可以通过密闭气室16中安置的微型摄像机或高分辨监控观测到待测样品表面的激光聚焦位置、等离子体的发光强度，方便通过计算机20控制电动控制器9，从而实现对待测混凝土样品14在三维方向上的调节，使之获得更显著的激光击穿诱导等离子体的效果。

光谱仪22在每次进行待测混凝土样品14的测量之前，将进行环境背景光谱的采样。每次测量时，皮秒激光器将以10Hz频率间隔发射出100发次的脉冲激光，每次激光击穿待测混凝土样品14表面产生的等离子体光谱经过光路传输到光谱仪22中；光谱仪22将采集到的100发次脉冲产生的光谱累加传递到计算机22中提供给用户，软件可以自动将得到的光谱数据与数据库中的LIBS元素光谱信息进行分析对比，提供给待测混凝土样品14中所含的元素种类及对应的谱线强度，并且可以进一步通过定标曲线确定待测混凝土样品14中的氯元素含量。

实施例2检测方法

如图4所示，本实施例采用实施例1中混凝土腐蚀状态的检测系统对待测混凝土样品14的渗透面进行二维扫描LIBS检测，包括如下步骤：

S1、打开密闭气室16，将待测混凝土样品14放置于三维位移平台15之上。

S2、关闭密闭气室16，通过进气口11向密闭气室16通入氦气(He)，将密闭气室16内原有的空气从出气口18排除，直至密闭气室16内完全充满氦气，并控制密闭气室16内的气压为1000mbar。

S3、通过计算机20向电动控制器9下达指令，控制三维位移平台15带动所述待测混凝土样品14缓慢上升，直到待测样品的上表面遮挡住密闭气室16中的光电开关发射端发出的光束，停止上升。

S4、打开皮秒激光器1的指示光，控制三维位移平台15在X、Y方向上的运动，调节待测混凝土样品14在xOy平面上的位置，使得皮秒激光器1的指示光落在二维扫描检测的起始点位置为止。

S5、调节所述皮秒激光器1发出的光信号参数、ICCD23门宽信号延时以及微调三维位移平台15的高度位置，使得激光光束聚焦的焦点位置在待测样品表面之下2mm处。

S6、观测837.6nm处氯元素特征谱线的光谱强度的信背比和光谱图的纵坐标，若信背比高且光谱图纵坐标数值最大则进行S7的步骤，若信背比低返回S5的步骤，直到观测到信背比高且光谱图纵坐标数值最大的氯元素特征谱线再执行S7的步骤。

S7、在计算机20上设置光谱仪22的光谱累加次数，设置电动控制器9控制三维位移平台15在X、Y方向上的运动轨迹、运动间隔以及运动速度，确定扫描点。

S8、使用控制检测模块中的光谱仪22采样背景光，在每个位置点进行累加打靶后，控制三维位移平台15将待测混凝土样品14移动到下个扫描点，得到所述待测样品二维扫描LIBS光谱信息。

S9、结合标准水泥样品的LIBS检测实验，通过氯元素标准定标曲线定量得到待测混凝土样品14渗透面的氯元素的二维扫描分布信息，确定混凝土样品14的氯元素渗透深度。

S10、将密闭气室16内的氦气放出，控制三维位移平台15回到初始位置。

图3为采用实施例1中的检测系统以及本实施例中的检测方法对在饱和氯化钠溶液中浸泡15天的混凝土样品的一条渗透直线分别使用化学滴定和LIBS扫描的检测结果对比图，可以看出化学滴定法所测的氯离子含量与二维扫描LIBS方法所测的氯离子光谱强度具有较高的相关性和一致性。由于混凝土中氯离子的腐蚀阈值为0.2wt.％，因此可以推断混凝土样品14的渗透面中，该渗透直线上的氯元素含量超标的临界渗透深度约为18mm。在本实施例中，临界渗透深度的定义为：在混凝土渗透面中，当Cl离子浓度等于0.2wt.％时对应的渗透深度。

本发明的原理：

本发明提供一种用于混凝土腐蚀状态检测的二维扫描LIBS检测系统和方法，利用在氦气氛围中的二维扫描LIBS技术，主要用于定性与定量分析待测混凝土中二维元素分布信息，确定氯元素含量超标的临界渗透深度，反应出混凝土腐蚀状况。

本发明使用的皮秒激光器的脉冲宽度为皮秒量级，其激光的功率密度更高。因此，皮秒激光相较于纳秒激光，能更好的激发出混凝土样品表面的氯离子形成等离子体。

本发明在激光聚焦到待测混凝土表面击穿诱导产生等离子过程中，将激光光束聚焦焦点位置设置在待测混凝土样品表面之下2mm处。一方面，较小的聚焦光斑，其单位面积内的激光能量密度更高，更有利于待测混凝土样品14表面的氯等离子体；另一方面，较大的聚焦光斑拥有更大的烧蚀面积，并获得更高的烧蚀击穿效率。这是兼顾了两方面的最优选择。

本发明实现了对待测混凝土样品渗透面的二维扫描LIBS检测，相比传统的化学滴定检测方法的优势在于：检测速度快，检测精度高；通过对不同扫描点LIBS光谱中的元素信息进行主成分分析和聚类分析，可以准确识别待测混凝土样品中的骨料成分和水泥成分；可得到扫描精度为0.1mm的混凝土渗透面的二维光谱信息，有利于轻松确定氯元素含量超标的临界渗透深度，推演氯元素渗透路径，更准确反应出混凝土腐蚀状况。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混凝土腐蚀状态的检测系统，其特征在于，包括控制检测模块、光学模块以及腔体模块；

所述控制检测模块包括示波器、光电探测器、激光能量计、计算机以及光谱仪；所述示波器与光电探测器连接，用于监控激光器的输出信号，所述激光能量计用于监控激光器输出激光的实际能量；

所述光学模块包括激光器、用于将部分激光传播至所述光电探测器中的第一分光镜、用于将部分激光传播至所述激光能量计中的第二分光镜、反射镜、第一平凸透镜、二向色镜、第二平凸透镜以及收集光纤，所述第一平凸透镜和第二平凸透镜分别位于所述二向色镜的两侧；所述收集光纤用于将经所述第二平凸透镜传播过来的光传播至所述光谱仪中；

所述腔体模块包括密闭气室以及设置在所述密闭气室上的光学窗口。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光学模块中的激光器、第一分光镜、第二分光镜和反射镜位于同一个光路中；所述第一分光镜和第二分光镜的镜面平行设置，所述反射镜的镜面垂直于第一分光镜或第二分光镜的镜面。

3.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述第一平凸透镜、二向色镜和第二平凸透镜位于同一个光路中；所述第一平凸透镜和第二平凸透镜的镜面均与所述激光器的输出激光光轴垂直。

4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述激光器为皮秒激光器。

5.根据权利要求1所述的混凝土腐蚀状态的检测系统，其特征在于，所述腔体模块还包括设置于所述密闭气室内的位移平台，待测样品放置在所述位移平台的顶部，所述位移平台用于带动所述待测样品移动。

6.根据权利要求5所述的混凝土腐蚀状态的检测系统，其特征在于，所述控制模块还包括用于控制所述位移平台移动的电动控制器，所述电动控制器与所述计算机连接，且通过信号电缆与所述位移平台连接。

7.根据权利要求1所述的混凝土腐蚀状态的检测系统，其特征在于，所述密闭气室的上壁开设有进气口和出气口，所述进气口用于与惰性气体气源连通。

8.根据权利要求7所述的混凝土腐蚀状态的检测系统，其特征在于，所述惰性气体为氦气或氩气。

9.根据权利要求1所述的混凝土腐蚀状态的检测系统，其特征在于，激光光束聚焦的焦点位置设置在待测样品表面之下5mm内。

10.一种根据权利要求1-9任意一项所述的混凝土腐蚀状态的检测系统进行混凝土腐蚀状态检测的方法，其特征在于，检测方法包括如下步骤：

将待测样品放置于位移平台上，向密闭气室内通入惰性气体，排除密闭气室内原有的空气；

开启激光器，并调节所述激光器的光信号参数；

通过位移平台调整待测样品的位置，使得激光光束聚焦的焦点位置在待测样品表面之下5mm内；

观测氯元素特征谱线的光谱强度的信背比和光谱图的纵坐标，若信背比高且光谱图纵坐标数值最大则进行下一步骤；若信背比低则返回上一步骤，直到观测到信背比高且光谱图纵坐标数值最大的氯元素特征谱线再进行下一步骤；

在计算机上设置光谱仪的光谱累加次数，并设置位移平台在水平方向上的运动轨迹、运动间隔以及运动速度，确定扫描点；

使用光谱仪采样背景光，在每个扫描点进行累加打靶后，控制位移平台将待测样品移动到下个扫描点，得到所述待测样品的光谱信息；

结合标准水泥样品的检测实验，通过氯元素标准定标曲线得到待测样品渗透面的氯元素的分布信息，确定待测样品中的氯元素渗透深度。

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