CN113804612A - 一种同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

属于结构健康监测技术领域或者传感器技术领域，公开了一种用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，包括传输光纤、毛细钢筋管、长周期光纤光栅、柔性防水密封材料、外部套管、反射镜面、连接键、夹具。所述传感器综合利用了法布里‑铂罗腔和长周期光纤光栅，通过同时监测不同钢筋腐蚀速率和钢筋应力条件下法布里‑铂罗腔和长周期光纤光栅反射光谱信号的变化，间接监测钢筋应力与腐蚀速率。该传感器能够实现对钢筋应力与腐蚀速率的长期、无损、实时的同时监测，且测量精度较高、量程很大，具有制作相对简单、体积小、强度大，灵敏度高等优点。该传感器具有广阔的应用前景，易于推广。

Description

一种同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器

技术领域

本发明涉及一种用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，属于结构健康监测技术领域或者传感器技术领域。

背景技术

作为当今世界应用最广泛的土木工程材料之一，钢筋具有强度高、塑性韧性大、制作方便等许多优点，其高抗拉特性能够很好适配混凝土高抗压特性是钢筋混凝土结构在土木建设中被广泛应用的重要原因。

但是，由于土木工程结构服役期间的工作性质，其非常容易暴露于腐蚀环境之下，如码头、海港、跨海大桥等海洋环境。哪怕仅仅是工作于普通大气环境之下的土木工程结构，随着服役时间的推移，混凝土裂缝的发展，侵蚀离子不断进入并破坏钢筋的钝化膜，也会导致钢筋的腐蚀。钢筋腐蚀是混凝土结构耐久性失效的重要因素之一。如果能合理监测到土木结构中钢筋的腐蚀情况，将为结构的耐久性评估、结构剩余寿命预测与结构的加固维修提供重要依据。

其次，作为构件中重要受力部分之一，钢筋的应力值能够反应所在受力构件的工作状态。一般来讲，若结构中某一构件某处甚至某几处的钢筋截面出现应力值大于设计值的情况，就表明结构已经处于设计之外的受力状态。但构件工作状态到底如何，是否会有危险发生，需要参考精确的钢筋实时应力来进行分析。因此，如果能实时精确监测到钢筋的应力值，就能为结构工作状态和安全性评估提供重要依据。

目前，钢筋腐蚀的监测方法主要是电化学方法和非电化学方法两大类。电化学方法有：交流阻抗法、线性极化法、电化学噪声法等。非电化学方法有：表观检查法、失重法、超声波法等。但是，上述方法一般都存在操作不便、监测过程复杂、不适于土木工程结构中钢筋腐蚀的监测等缺点。而目前钢筋应力的监测方法主要是借助钢筋应力计完成钢筋应力的测量，但是其具有安装复杂，量程有限的缺点。

近年来，因光纤传感器具有尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，抗腐蚀性强，监测精度高并能够实时连续监测等一系列优点，其逐渐被用于钢材的腐蚀和应力的测量。

由此，本发明创造性地提出了一种用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器。有希望为当前土木工程结构中钢筋应力和腐蚀速率的监测提供一种新思路和新方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器。该传感器的最大特点是利用长周期光纤光栅(LPFG)串联法布里-铂罗腔实现对LPFG周围介质折射率变化和法布里-铂罗腔腔长变化的同时监测，间接实现对被监测钢筋表面腐蚀程度和钢筋应变的测量，进一步可准确反应出钢筋的腐蚀和应力状态。同时，这种光纤传感器制作简单，可以无损、实时地同时监测钢筋应力与腐蚀速率，从而可为合理评估钢筋的性能状态提供依据，保证钢筋受力作用的正常发挥，进一步保证结构的安全性。

本发明的技术方案：

一种用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤传感器包括传输光纤(1)、毛细钢筋管(3)、长周期光纤光栅(4)、柔性防水密封材料(5)、外部套管(6)、反射镜面(8)、第一夹具(11)、第二夹具(13)、连接键(7，9、15)；

所述的传输光纤(1)一端连接光谱仪，另一端作为第一反射面(12)与端部作为第二反射面的反射镜面(8)相对应，构成法布里-铂罗腔(14)；传输光纤(1)上写有长周期光纤光栅(4)，长周期光纤光栅(4)位于毛细钢筋管(3)内；

所述的毛细钢筋管(3)套装在传输光纤(1)外部，且两者之间有合适大小的孔腔(2)；

所述的外部套管(6)套装在毛细钢筋管(3)和反射镜面(8)的外部；

所述的柔性防水密封材料(5)密封在毛细钢筋管(3)和外部套管(6)连接处；

所述的毛细钢筋管(3)，其壁厚可根据对钢筋腐蚀监测敏感度和使用寿命的具体要求而调整；

所述的外部套管(6)内径等于毛细钢筋管(3)的外径，即在保证不影响传感器变形的前提下，两者紧密套装连接在一起。

所述的连接键(7、9、15)可采用3D打印、激光熔接或环氧胶粘结等方式完成；

所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，通过第一夹具(11)和第二夹具(13)固定在待测钢筋(10)上；

所述的柔性防水密封材料(5)在保证密封防水的前提下，刚度不会太大而导致影响光纤传感器的变形；

所述的刻蚀在传输光纤(1)上的长周期光纤光栅(4)监测外部介质的折射率，进一步监测腐蚀速率；

所述的长周期光纤光栅(4)和反射镜面(8)的制作方法可以根据具体条件而调整。

本发明的工作原理：

光经传输光纤1入射后，先经过长周期光纤光栅4，而后到法布里-铂罗腔14后，不断在法布里珀罗干涉腔14的两个端面之间反射和透射，形成多束光干涉。当待测钢筋10受到外部作用产生变形时，会通过粘贴在其表面的毛细钢筋管3和外部套管6引起法布里-铂罗腔14腔长的改变，待测钢筋10上两个测点之间的距离的变化量等于法布里-铂罗腔14的腔长的变化量，腔长的变化会引起光纤解调仪所获得的光谱图形状发生改变。光谱图中的自由光谱范围(FSR)与腔长L之间有如下关系：

其中n为介质的折射率，λ为光的波长，L为腔长。介质的折射率受腔长的改变影响极小，可忽略。可以进一步推导出：

通过法布里-铂罗干涉腔14的腔长变化量ΔL除以两个测点之间的距离，即可得到待测钢筋应变ε，如下式所示。两个测点的距离越小，则应变监测量程越大。因此，如果两个测点之间的距离是毫米级别时，则量程可以达到数万微应变，甚至数十万微应变。

其中，ΔL是两测点之间距离的变化量，L是两测点之间的距离。

测得应变之后，利用下式可算得钢筋的应力σ。

σ＝Eε (4)

其中E是被测钢筋的弹性模量。

而LPFG光栅被刻在光纤上，在几厘米的光栅长度上形成周期性的折射率调制。光栅使入射光从传播的芯模耦合到共传播的包层模，产生一系列的传输光谱的衰减带。光谱衰减带的中心(谐振)波长可以用以下方式表示。

其中λ₀是谐振波长，

是光纤纤芯的有效折射率，

是包层模式LP0m的有效折射率，它与纤芯n₁、包层n₂、和周围介质n₃的折射率有关，Λ是光栅的周期。环境折射率n₃是对周围介质环境整体光学特性的反映，它取决于不同介质的类型和浓度。本发明工作情境下，核心n₁、包层n₂折射率保持不变。

因此，一旦外界腐蚀穿透毛细钢筋管壁3后，由于腐蚀产物的存在，孔腔2内的介质的光学特性会马上发生变化，导致光谱仪上接收到的光信号的谐振波长发生偏移。通过设置不同的毛细钢筋管壁厚，由于毛细钢筋管材质与被监测钢筋完全相同，则通过谐振波长发生偏移的时间，可以推断出钢筋的腐蚀速率。比方说：设置毛细钢管壁为1mm，而在500天之后发现光谱仪中谐振波长发生偏移，则可得出钢筋腐蚀速率为2μm/天。

法布里-铂罗腔腔长变化引起的信号具有高空间频率特征，而由外部介质折射率变化导致的LPFG反馈信号的变化具有低空间频率特征。通俗来讲，监测过程中：法布里-铂罗腔反馈的信号是快速变化的条纹，如光谱图中图(a)所示，而长周期光纤光栅反馈的信号是一条缓慢变化的包络线，包络线突然下降处是谐振波长所在处，如光谱图中图(b)。综上，两者同时输出，叠加在一张光谱图上时，形状如光谱图中图(c)所示，即：输出是由基于长周期光纤光栅(LPFG)产生的缓慢变化的包络和法布里-铂罗腔产生的快速变化的条纹的叠加。不难发现，可以利用滤波器来分离它们，分别获得代表被监测钢筋的应力信息的自由光谱范围的变化，和代表被监测钢筋腐蚀速率信息的谐振波长的偏移。从而实现被监测钢筋的应力与腐蚀速率的同时监测。

本发明的有益效果：

(1)本发明可通过设置毛细钢筋管壁壁厚和夹具距离，实现腐蚀的高灵敏度和应力的大量程测量。

(2)本发明结合利用法布里-铂罗腔和长周期光纤光栅可以实现同时对钢筋应力和腐蚀速率的连续实时监测。

(3)本发明体积很小，埋入结构并用夹具夹在钢筋之上后，不会影响被测钢筋的正常工作，可以实现无损监测。

(4)本发明采用解调仪从光谱图中推算钢筋应力以及腐蚀速率，抗干扰性强，监测结果较准确。

(5)本发明制作相对简单，使用方便，且造价合理，适合推广，具有较高的应用前景。

附图说明

图1为本发明用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器的结构示意图。

图2为本发明用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器的毛细钢筋管部分的示意图；

图3为本发明用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器的外部套管的示意图；

图4为本发明用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器外部套管和毛细钢筋管连接处的密封结构示意图；

图5为本发明用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器的光谱原理示意图。

图中：1输入光纤；2毛细钢筋管内孔腔；3毛细钢筋管；4长周期光纤光栅；5柔性防水密封材料；6外部套筒；7连接键；8反射镜面；9连接键；10被监测钢筋；11第一夹具；12第一反射面；13第二夹具；14法布里-铂罗腔；15连接键；

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的直观易懂，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晰、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如示意图所示，一种用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，包括传输光纤1、毛细钢筋管3、长周期光纤光栅4、柔性防水密封材料5、外部套管6、反射镜面8、连接键7、连接键9、连接键15、夹具11、夹具13；

所述的传输光纤1一端连接光谱仪，另一端作为第一反射面12与端部作为第二反射面的反射镜面8相对应，构成法布里-铂罗腔14；传输光纤1上写有长周期光纤光栅4，长周期光纤光栅4位于毛细钢筋管3内；

所述的毛细钢筋管3套装在传输光纤1外部，且两者之间有合适大小的孔腔2，内有空气；

所述的外部套管6套装在毛细钢筋管3和反射镜面8的外部；

反射镜面8可通过抛光打磨或者金属离子溅射制备；

所述的柔性防水密封材料5密封在毛细钢筋管3和外部套管6连接处。

所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的毛细钢筋管3，其材质与被测钢筋完全相同，且其壁厚可根据对钢筋腐蚀监测敏感度的具体要求而调整。

所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的外部套管6内径等于毛细钢筋管3的外径，即：两者在保证不影响传感器变形的前提下，紧密连接在一起。

所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的连接键7、9、15可采用3D打印、激光熔接或环氧胶粘结等方式完成。

所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，通过第一夹具11和第二夹具13固定在待测钢筋10上。

所述的柔性防水密封材料5在保证密封防水的前提下，刚度不会太大而导致影响光纤传感器的变形。

所述的刻蚀在传输光纤1上的长周期光纤光栅4监测外部介质的折射率，进一步监测腐蚀速率。

所述的长周期光纤光栅4和反射镜面8的制作方法可以根据具体条件而调整。

步骤一：取一普通光纤，并按照示意图所示，在合适位置制作长周期光纤光栅，具体制作方法和具体光栅周期根据实际情况斟酌调整。

步骤二：结合示意图，使用和被监测钢筋材质完全相同的钢材制作一确定厚度的毛细钢筋管。

步骤三：将步骤二制作的毛细钢筋管套在步骤一的光纤上，注意长周期光纤光栅位于毛细钢筋管内部，且毛细钢筋管和光纤之间有适宜尺寸的孔腔，孔腔内部初始介质为空气(亦可根据监测要求的实际情况而调整)。注意结合示意图，光纤留出足够的探出毛细钢筋管的长度，以备将来制作法布里-铂罗腔。

步骤四：结合示意图，使用连接键对上步完成毛细钢筋管和光纤之间进行密封。而后制作一不锈钢夹具固定到毛细钢筋管外壁，可采用焊接或者粘结等固定方式。

步骤五：制作一内径与上一步制作完成的套装完光纤以后的毛细钢筋管外径相等的不锈钢外部套筒，并将外部套筒套在毛细钢筋管外部。注意，套接刚度要适当，不能影响将来传感器的变形。制作一不锈钢夹具固定到套筒外壁，可采用焊接或者粘结等固定方式。

步骤六：结合示意图，使用防水密封材料密封外部套筒和毛细钢筋管的连接部位。注意，密封刚度要适当，不能影响将来传感器的变形。

步骤七：测量两根夹具的距离。制作时，两夹具之间的具体距离可根据监测的量程要求具体调整。

步骤八：将传感器的两根夹具固定在待监测钢筋表面，固定方式可以采用焊接、胶接，或者是可在待监测钢筋表面开适宜大小尺寸孔洞，而后将夹具插入固定。但要保证夹具的相对位移可以准确反应被监测钢筋上夹具所在两点的相对移动。

步骤九：光纤外接解调仪，持续监测光谱信号，监测钢筋腐蚀和应力状态。

步骤十：可选取一根钢筋，按照上述要求制作并连接传感器后，将钢筋置于加速腐蚀环境，光纤外接解调仪，持续监测光纤信号，测算应力变化以及腐蚀速率与光谱信号的关系，完成实验室的标定。

步骤十一：将标定好的传感器，埋入待监测结构，固定于待监测钢筋之上，进行钢筋腐蚀速率和钢筋应力的监测。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤传感器包括传输光纤(1)、毛细钢筋管(3)、长周期光纤光栅(4)、柔性防水密封材料(5)、外部套管(6)、反射镜面(8)、连接键(7)(9)(15)、夹具(11)(13)；

所述的传输光纤(1)一端连接光谱仪，另一端作为第一反射面(12)与端部作为第二反射面的反射镜面(8)相对应，构成法布里-铂罗腔(14)；传输光纤(1)上写有长周期光纤光栅(4)，长周期光纤光栅(4)位于毛细钢筋管(3)内。

所述的毛细钢筋管(3)套装在传输光纤(1)外部，且两者之间有合适大小的孔腔(2)，内有空气或其他介质。

所述的外部套管(6)套装在毛细钢筋管(3)和反射镜面(8)的外部。

所述的柔性防水密封材料(5)密封在毛细钢筋管(3)和外部套管(6)连接处。

2.根据权利要求1所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的毛细钢筋管(3)，其材质与被测钢筋完全相同，且其壁厚可根据对钢筋腐蚀监测敏感度的具体要求而调整。

3.根据权利要求1、2所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的外部套管(6)内径等于毛细钢筋管(3)的外径，即：在保证不影响传感器变形的前提下，两者紧密连接在一起。

4.根据权利要求1-3所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的连接键(7、9、15)可采用3D打印、激光熔接或环氧胶粘结等方式完成。

5.根据权利要求1所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的用于同时监测钢筋应变与腐蚀速率的光纤传感器，通过第一夹具(11)和第二夹具(13)固定在待测钢筋(10)上。

6.根据权利要求1-3所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的柔性防水密封材料(5)在保证密封防水的前提下，刚度不会太大而导致影响光纤传感器的变形。

7.根据权利要求1所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的刻蚀在传输光纤(1)上的长周期光纤光栅(4)监测外部介质的折射率，进一步监测腐蚀速率。

8.根据权利要求7所述的用于同时监测钢筋应力与腐蚀速率的光纤传感器，其特征在于，所述的长周期光纤光栅(4)和反射镜面(8)的制作方法可以根据具体条件而调整。

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