CN113030017A - 一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置 - Google Patents

Abstract

一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，属于光纤传感技术领域，包括基座，基座上倾斜设置有支撑杆，支撑杆中间设有销钉孔，支撑杆在销钉孔以上部分为弧形，旋转测试杆中部开设有通孔，旋转测试杆与支撑杆通过销钉铰接，旋转测试杆上端和支撑杆顶端通过拉簧相连接，旋转测试杆下端和待测金属接触；旋转测试杆和支撑杆相对的一侧黏贴有补偿光栅，旋转测试杆的另一侧相对应的位置黏贴有传感光栅，补偿光栅和传感光栅相串联。本发明可满足各种金属表面的长期实时监测、便于安装、装置各部件容易更换、耐腐蚀、成本低、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

一种等强度梁式光纤光栅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，具体为一种用于长期实时监测金属腐蚀的装置。

背景技术

随着海洋开发的日趋深入，海上建造了大量的钢结构设施。由于海水是一种含有多种盐类的强电解质溶液，同时海浪、海洋生物和各类海面漂浮物的冲击，使海洋钢结构时刻遭受着腐蚀的破坏。全世界每年因腐蚀造成的经济损失达6000亿-12000亿美元，占各国国民生产总值之和的2％～4％，是综合自然 灾害(即地震、台风、水灾等)损失总和的6倍。同时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，但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，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。因此可以较好地克服传统方法所存在的缺点，同时又适用于一般金属表面的光纤光栅腐蚀监测方法需要进一步研究。

发明内容

本发明可满足一般金属表面的长期实时监测、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：

一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，包括基座，基座上倾斜设置有支撑杆，支撑杆中间设有销钉孔，支撑杆在销钉孔以上部分为弧形，旋转测试杆中部开设有通孔，旋转测试杆与支撑杆通过销钉铰接，旋转测试杆上端和支撑杆顶端通过拉簧相连接，旋转测试杆下端和待测金属接触；旋转测试杆和支撑杆相对的一侧黏贴有补偿光栅，旋转测试杆的另一侧相对应的位置黏贴有传感光栅，补偿光栅和传感光栅相串联。

本发明技术方案的进一步改进在于：补偿光栅和传感光栅为中心波长相同的光纤Bragg光栅传感器。

本发明技术方案的进一步改进在于：支撑杆顶端设置有一个拉钩，拉钩相对于基座的水平距离大于销钉孔相对于基座的水平距离。

本发明技术方案的进一步改进在于：旋转测试杆在通孔上部的长度大于通孔下部的长度。

本发明技术方案的进一步改进在于：旋转测试杆在通孔以上厚度逐渐减小，沿着旋转测试杆的长度方向，在旋转测试杆的内侧设置有铲形的凹槽，旋转测试杆在凹槽部分的厚度一致，补偿光栅黏贴在旋转测试杆的凹槽内。

本发明技术方案的进一步改进在于：旋转测试杆的待测金属面接触端是半圆柱结构，旋转测试杆的顶端设置有矩形开口钩和矩形通孔，拉簧和矩形开口钩相连接，补偿光栅的尾纤通过矩形通孔和传感光栅相连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：基座、旋转测试杆和销钉的材质可选用超级双相钢或钛合金，拉簧表面镀镍。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述基座上设有U形定位孔，通过定位孔将装置固定在待测金属表面或将装置用胶体粘接于待测金属面上。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述装置外设有保护罩。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果是：

拉钩相对于基座的水平距离大于销钉孔相对于基座的水平距离，使得旋转测试杆竖直的情况下，拉簧仍有些许拉伸。

旋转测试杆待测金属面接触端是半圆柱结构，当腐蚀引起金属面厚度变化时，以方便旋转测试杆转动；

当整体装置的结构较小的情况下，很难在旋转测试杆顶端施力的条件下，补偿光栅和传感光栅黏贴处应力近似相等，为避免在测量范围内出现啁啾，沿着旋转测试杆的长度方向，在旋转测试杆的内侧设置有铲形的凹槽，补偿光栅黏贴在旋转测试杆的凹槽内，这种旋转测试杆的设计就是对等强度梁的一种变形。

为了提高装置的耐腐蚀性能，可以将整个装置密封于保护罩内，保留旋转测试杆的通孔以下部分置于保护罩外部，对装置起到保护作用。

本装置可对金属表面进行全寿命周期腐蚀监测；而且便于安装，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；本装置的灵敏度高，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，当旋转测试杆下部旋转一定角度时，旋转测试杆上部顶端也旋转同样的弧度，由于旋转测试杆上半部分比下半部分长，所以上半部分端点扫过的弧度比下半部分长，将引起拉簧拉长，旋转测试杆受力增加，产生应变，此应变将引起光栅周期发生改变，进而引起光栅中心波长漂移，通过中心波长的漂移量就能判断金属表面厚度的变化，由于这些放大再加上光栅本身较灵敏，所以此结构灵敏度高。

本装置的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。

本装置通过将厚度的变化转化为旋转测试杆弧度的变化，实现了第一步的放大，旋转测试杆轴上部分比轴下部分的长度长，旋转测试杆旋转的过程中测试杆上每一点角度变化是相同的，由于旋转测试杆非接触金属的一端到旋转轴的距离比测试杆接触金属端到旋转轴的距离长，这一端点扫过的弧度较另一端扫过的弧度大，这样将信号的幅度进一步放大，再者，差分补偿的方式将信号又进一步放大，最后转变为对光纤Bragg光栅传感器的中心波长的变化，调整拉簧的弹性系数可以对结构的灵敏度进一步调整。

本装置采用补偿光栅和传感光栅两支光纤Bragg光栅传感器在旋转测试杆两侧分布进行检测，能够进行温度自补偿，通过差分的方式可以将温度的影响消除，所以能进行温度的补偿。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图；

图2是本发明的基座和支撑杆的结构示意图；

图3是本发明旋转测试杆结构示意图；

图4是图3的左视图；

其中，1、基座，2、支撑杆，3、销钉，4、销钉孔，5、拉钩，6、拉簧，7、旋转测试杆，8、通孔，9、直角形凹槽，10、矩形开口钩，11、矩形通孔，12、补偿光栅。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明技术方案进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，包括：基座1、支撑杆2、销钉3、拉簧6、旋转测试杆7、补偿光栅12和传感光栅两支光纤Bragg光栅传感器。

基座1上倾斜设置有支撑杆2，支撑杆2中间设有销钉孔4，支撑杆2在销钉孔4以上部分为弧形，旋转测试杆7中部开设有通孔8，旋转测试杆7在通孔8上部的长度大于通孔8下部的长度。

旋转测试杆7与支撑杆2通过销钉3铰接，旋转测试杆7的顶端设置有矩形开口钩10和矩形通孔11，支撑杆2顶端设置有一个拉钩5，拉簧6一端挂于拉钩5处，另一端挂于旋转测试杆7顶端的矩形开口钩10处，旋转测试杆7下端和待测金属接触；旋转测试杆7和支撑杆2相对的一侧黏贴有补偿光栅12，旋转测试杆7的另一侧相对应的位置黏贴有传感光栅，补偿光栅12和传感光栅相串联，补偿光栅12和传感光栅为中心波长相同的光纤Bragg光栅传感器，补偿光栅12的尾纤通过矩形通孔11和传感光栅相连接，补偿光栅12进行温度补偿。

拉钩5相对于基座1的水平距离大于销钉孔4相对于基座1的水平距离，以使旋转杆7竖直的情况下，拉簧6仍有些许拉伸。

旋转测试杆7的待测金属面接触端是半圆柱结构，当腐蚀引起金属面厚度变化时，以方便旋转测试杆7转动。

为了提高装置的耐腐蚀性能，可以将整个装置密封于保护罩内，保留旋转测试杆7的通孔8以下部分置于保护罩外部，对装置起到保护作用。

基座1底部有U形定位孔，对于整个装置的固定可以通过基座上的U形定位孔用螺丝固定于待测金属面上，也可以用胶体粘接于待测金属面上。

基座1、旋转测试杆7和销钉3的材质可用超级双相钢或钛合金，拉簧6表面镀镍来增强其耐腐蚀性能。

实施例2

本实施例和实施例1的区别在于，旋转测试杆7在通孔8以上厚度逐渐减小，沿着旋转测试杆7的长度方向，在旋转测试杆7的内侧设置有铲形的凹槽9，旋转测试杆7在凹槽9部分的厚度一致，补偿光栅12黏贴在旋转测试杆7的内侧长方形凹槽9内，旋转测试杆7的另一侧相对应的位置黏贴有传感光栅。

铲形的凹槽9的设计是为了解决装置结构较小，很难在旋转测试杆7顶端施力的条件下，补偿光栅12和传感光栅两支光纤Bragg光栅传感器黏贴处应力近似相等，以免在测量范围内出现啁啾，这种设计的旋转测试杆7就是对等强度梁的一种变形。

Claims (9)

1.一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：包括基座（1），基座（1）上倾斜设置有支撑杆（2），支撑杆（2）中间设有销钉孔（4），支撑杆（2）在销钉孔（4）以上部分为弧形，旋转测试杆（7）中部开设有通孔（8），旋转测试杆（7）与支撑杆（2）通过销钉（3）铰接，旋转测试杆（7）上端和支撑杆（2）顶端通过拉簧（6）相连接，旋转测试杆（7）下端和待测金属接触；旋转测试杆（7）和支撑杆（2）相对的一侧黏贴有补偿光栅（12），旋转测试杆（7）的另一侧相对应的位置黏贴有传感光栅，补偿光栅（12）和传感光栅相串联。

2.根据权利要求1所述的一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：补偿光栅（12）和传感光栅为中心波长相同的光纤Bragg光栅传感器。

3.根据权利要求2所述的一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：支撑杆（2）顶端设置有一个拉钩（5），拉钩（5）相对于基座（1）的水平距离大于销钉孔（4）相对于基座（1）的水平距离。

4.根据权利要求3所述的一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：旋转测试杆（7）在通孔（8）上部的长度大于通孔（8）下部的长度。

5.根据权利要求1所述的一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：旋转测试杆（7）在通孔（8）以上厚度逐渐减小，沿着旋转测试杆（7）的长度方向，在旋转测试杆（7）的内侧设置有铲形的凹槽（9），旋转测试杆（7）在凹槽（9）部分的厚度一致，补偿光栅（12）黏贴在旋转测试杆（7）的凹槽（9）内。

6.根据权利要求1所述的一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：旋转测试杆（7）的待测金属面接触端是半圆柱结构，旋转测试杆（7）的顶端设置有矩形开口钩（10）和矩形通孔（11），拉簧（6）和矩形开口钩（10）相连接，补偿光栅（12）的尾纤通过矩形通孔（11）和传感光栅相连接。

7.根据权利要求1所述的一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：基座（1）、旋转测试杆（7）和销钉（3）的材质可选用超级双相钢或钛合金，拉簧（6）表面镀镍。

8.根据权利要求1所述的一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：所述基座（1）上设有U形定位孔，通过定位孔将装置固定在待测金属表面或将装置用胶体粘接于待测金属面上。

9.根据权利要求1所述的一种等强度梁式光纤光栅金属表面腐蚀监测装置，其特征在于：所述装置外设有保护罩。

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