CN113029976B - 一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，属于光纤传感技术领域,包括L型基座、铰接在基座一侧的旋转测试杆和固定在基座侧板的弹片,弹片两侧相应位置各黏贴一支光纤Bragg光栅传感器，两支光纤Bragg光栅传感器串接在一起，旋转测试杆一端和弹片接触，一端和待测金属接触。本发明可满足在海洋环境下对腐蚀表面长期实时监测、便于安装、监测不同的材料腐蚀程度对传感器的耐腐蚀程度要求不同，可根据监测环境选择合适的材质加工此传感装置、此结构各部件可以很容易进行更换，便于维护、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

一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置
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，具体说是一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置。
背景技术
金属腐蚀造成巨大的经济损失，之前据美国国家标准局统计数字美国每年腐蚀损失700亿美元，随着工业化的发展这个数字在不断增加，但其中约有三分之一可以通过更好、更广泛地运用现有的知识和技术而予以避免，腐蚀监测就是这种技术之一。腐蚀监测潜在的应用意义是实时监测腐蚀的产生和发展，评价腐蚀状态，获得重要的腐蚀信息，减少不必要的检查和维护，优化必要的维修计划，有利于现场的材料评估。迄今为止，腐蚀监测技术已经在冷却水系统、大气腐蚀、石油化工、航空航天、钢筋混凝土等领域建立并得到很好的应用，而海洋中的腐蚀监测则开展较晚，海洋环境中金属材料的现场腐蚀监测技术也很少见，因此有必要探索和开发出适合海洋中金属材料腐蚀的现场监测技术。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，现有的基于光纤光栅设计腐蚀监测传感器，主要是对钢筋表面腐蚀和管道表面或内部腐蚀情况进行监测，而对于一般金属表面的腐蚀情况进行监测的研究不多，且通用的监测方法很少特别是针对海洋的，此腐蚀监测装置对海洋环境同样适用，因此很有研究价值。
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、体积小、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：
一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，包括L型基座、固定在基座侧板上的弹片和铰接在基座侧板相对侧的旋转测试杆,弹片两侧相应位置各黏贴一支光纤Bragg光栅传感器，两支光纤Bragg光栅传感器串接在一起，旋转测试杆一端和弹片接触，一端和待测金属接触。
本发明技术方案的进一步改进在于：两支光纤Bragg光栅传感器的中心波长相同，两支光纤Bragg光栅传感器的中心波长相同，黏贴在与旋转测试杆接触的弹片一侧的光纤Bragg光栅传感器为传感光栅，黏贴在弹片另一侧的光纤Bragg光栅传感器为补偿光栅。。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述基座上和侧板相对的一侧设置有倾斜的U型插槽，U型插槽上设置有销钉孔，旋转测试杆中部设置有通孔，旋转测试杆和U型插槽通过销钉铰接，基座的侧板上设置有两个螺丝通孔和位于螺丝通孔中间的矩形槽，两支光纤Bragg光栅传感器通过矩形槽串接。
本发明技术方案的进一步改进在于：旋转测试杆与待测金属面接触的一端是半圆形柱面，旋转测试杆的另一端是球形触头。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述弹片为等腰梯形，弹片的长底边端设置有两个圆孔，弹片和基座通过螺丝钉穿过螺丝通孔和圆孔固定，弹片的另一端为弹片端面，旋转测试杆的球形触头和弹片端面接触。
本发明技术方案的进一步改进在于：弹片的材质为经过淬火处理的铍青铜弹片或钛合金薄片。
本发明技术方案的进一步改进在于：基座的底板上设置有固定孔，通过固定孔将监测装置固定在待测金属表面。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述监测装置通过胶接的方式黏贴于待测金属表面。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述基座、旋转测试杆、螺丝钉和销钉的材质选自双相钢、钛合金和镀镍处理的不锈钢。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述监测装置外设有保护罩。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果为：
旋转测试杆中间有销钉孔，其待测金属面接触端是半圆形柱面，这样待测金属表面厚度变化很容易引起旋转测试杆的转动，旋转测试杆的另一端是球形触头，这可以使旋转测试杆在旋转的过程中与弹片的接触面尽可能大和接触更稳定。
弹片端面与旋转测试杆的球形触头接触，由于增加了表面积，所以触头不易从弹片端面滑脱，弹片的这种结构是为了在弹片端面受力时，两支光纤Bragg光栅传感器在弹片的粘结处近似应力相等，以免粘结的光栅出现啁啾。
本监测装置可在海洋环境下对金属表面进行全寿命周期腐蚀监测，而且耐腐蚀。本装置的基座、旋转测试杆、销钉、螺丝钉，弹片均由耐腐蚀材料制成或经过镀膜处理，最后再用套壳结构整体密封，只留旋转测试杆接触待测金属端在外部，同时也保留了待测点与其它区域环境条件的一致性。
本监测装置便于安装，由于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。
本监测装置灵敏度高，腐蚀会引起金属表面厚度的微弱变化，这种变化将使旋转测试杆旋转一定弧度，当旋转测试杆与竖直方向的夹角比较小时，金属厚度的变化引起旋转测试杆转动的弧度变化较明显，光纤Bragg光栅传感器本身对应变很灵敏。
本监测装置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，这种变化将使旋转测试杆旋转一定弧度，当旋转测试杆与竖直方向的夹角比较小时，金属厚度的变化引起旋转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旋转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，旋转测试杆所能感应金属厚度变化的最大值为旋转轴中心到旋转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。所以可以通过改变旋转测试杆旋转轴中心到旋转测试杆接触金属表面的一端的距离来改变旋转测试杆与竖直方向的初始角度，同时改变了测量金属腐蚀厚度的范围。
进一步的旋转测试杆销钉孔以下部分长度不变的情况下，旋转测试杆销钉孔以上部分越长监测灵敏度越高。同时弹片的厚度也可以调节灵敏度，弹片越厚灵敏度越高。
本监测装置能够进行温度自补偿，弹片两侧分别黏贴一支光纤Bragg光栅传感器，一支作为补偿光栅进行温度补偿一支作为传感光栅进行腐蚀监测。
附图说明
图1是本发明的监测装置结构示意图；
图2是本发明基座的结构示意图；
图3是本发明弹片的结构示意图；
图4是本发明旋转测试杆的结构示意图；
其中，1、基座，2、螺丝通孔，3、矩形槽，4、固定孔，5、销钉孔，6、旋转测试杆，7、U型插槽，9、弹片，10、圆孔，11、弹片端面，12、螺丝钉，13、销钉，15、传感光栅。
具体实施方式
如图1所示，一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，包括L型基座1、固定在基座侧板上的弹片9和铰接在基座侧板相对侧的旋转测试杆6,弹片9两侧相应位置各黏贴一支光纤Bragg光栅传感器，两支光纤Bragg光栅传感器串接在一起，旋转测试杆6一端和弹片9接触，一端和待测金属接触。
两支光纤Bragg光栅传感器的中心波长相同，黏贴在与旋转测试杆6接触的弹片一侧的光纤Bragg光栅传感器为传感光栅15，弹片9另一侧的光纤Bragg光栅传感器为补偿光栅。
如图2所示，基座1上和侧板相对的一侧设置有倾斜的U型插槽7，U型插槽7上设置有销钉孔5，旋转测试杆6和U型插槽7通过销钉13铰接，基座1的侧板上设置有两个螺丝通孔2和一个位于螺丝通孔2中间的矩形槽3，两支光纤Bragg光栅传感器15通过矩形槽3串接，矩形槽3是为了让补偿光栅的尾纤通过。
如图4所示，旋转测试杆6中部设置有通孔，其与待测金属面接触端是半圆形柱面，这样待测金属表面厚度变化很容易引起旋转测试杆6的转动，旋转测试杆6的另一端是球形触头，这可以使旋转测试杆6在旋转的过程中与弹片9的接触面尽可能大和接触更稳定。
如图3所示，弹片9为等腰梯形，弹片9的长底边端设置有两个圆孔10，弹片9和基座1通过螺丝钉12穿过螺丝通孔2和圆孔10固定，弹片9的另一端为弹片端面11，旋转测试杆6的球形触头和弹片端面11接触，由于弹片端面11增加了表面积，所以旋转测试杆6的球形触头不易滑脱，两支光纤Bragg光栅传感器分别黏贴于弹片9两侧的相应位置，弹片9的这种结构是为了在弹片端面11受力时，两支光纤Bragg光栅传感器在弹片9的粘结处近似应力相等，以免粘结的光栅出现啁啾。
整个装置通过基座1底部的固定孔4固定到待测金属表面，也可通过胶接的方式黏贴于待测金属表面，由于此装置用于监测腐蚀，所以其自身防腐性能要做好，选用耐腐蚀材料，为提高耐腐蚀性能和对整个传感装置进行保护，可以将装置密封保护以隔绝或减少环境对弹片9的腐蚀和引起粘接光栅的胶体的脱落。
弹片9的材质是经过淬火处理的铍青铜弹片，淬火是为了是铍青铜弹性好，也可以用钛合金薄片做弹片。
基座1、旋转测试杆6、螺丝钉12、销钉13相对于弹片9对材质的要求低，可以用双相钢、钛合金也可以用一般不锈钢进行镀镍等处理。
本监测装置外可设置保护罩，将装置整体密封，只留旋转测试杆6与接触待测金属端在外部，同时也保留了待测点与其它区域环境条件的一致性。

Claims (8)

1.一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，其特征在于：包括L型基座（1）、固定在基座（1）侧板上的弹片（9）和铰接在基座侧板相对侧的旋转测试杆（6）,弹片（9）两侧相应位置各黏贴一支光纤Bragg光栅传感器，两支光纤Bragg光栅传感器串接在一起，旋转测试杆（6）一端和弹片（9）接触，一端和待测金属接触；两支光纤Bragg光栅传感器的中心波长相同，黏贴在与旋转测试杆（6）接触的弹片一侧的光纤Bragg光栅传感器为传感光栅（15），弹片（9）另一侧的光纤Bragg光栅传感器为补偿光栅；基座侧板相对的一侧的基座（1）上设置有倾斜的U型插槽（7），U型插槽（7）上设置有销钉孔（5），旋转测试杆（6）中部设置有通孔，旋转测试杆（6）和U型插槽（7）通过销钉（13）铰接，基座（1）的侧板上设置有两个螺丝通孔（2）和一个位于螺丝通孔（2）中间的矩形槽（3），两支光纤Bragg光栅传感器通过矩形槽（3）串接。
2.根据权利要求1所述的一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，其特征在于：旋转测试杆（6）与待测金属面接触的一端是半圆形柱面，旋转测试杆（6）的另一端是球形触头。
3.根据权利要求2所述的一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，其特征在于：所述弹片（9）为等腰梯形，弹片（9）的长底边端设置有两个圆孔（10），弹片（9）和基座（1）通过螺丝钉（12）穿过螺丝通孔（2）和圆孔（10）固定，弹片（9）的另一端为弹片端面（11），旋转测试杆（6）的球形触头和弹片端面（11）接触。
4.根据权利要求1所述的一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，其特征在于：弹片（9）的材质为经过淬火处理的铍青铜弹片，或钛合金薄片。
5.根据权利要求1所述的一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，其特征在于：基座（1）的底板上设置有固定孔（4），通过固定孔（4）将监测装置固定在待测金属表面。
6.根据权利要求1所述的一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，其特征在于：所述监测装置通过胶接的方式黏贴于待测金属表面。
7.根据权利要求3所述的一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，其特征在于：所述基座（1）、旋转测试杆（6）、螺丝钉（12）和销钉（13）的材质选自双相钢、钛合金和镀镍处理的不锈钢。
8.根据权利要求1所述的一种弹片式光纤光栅腐蚀监测装置，其特征在于：所述监测装置外设有保护罩。
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