CN1657906A - 金属锈蚀监测光纤光栅传感装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于金属结构材料锈蚀状况监测的金属锈蚀监测光纤光栅传感装置，构成包括第一支撑座，在第一支撑座的一边通过一沿轴向滑动的滑动套管连接第二支撑座，在该滑动套管上用待监测金属材料绕制一具有压缩余量的弹簧并胶合在所述滑动套管上，在该滑动套管的中心轴孔位置胶粘一受弹簧恢复力拉伸的第一光纤光栅，该第一光纤光栅的光纤的一端固定在所述的第一支撑座上并伸出一自由端，该光纤的自由端连接第一光纤连接器；在所述第二支撑座的另一边伸出的光纤自由端连接第二光纤连接器。本发明具有结构简单、制作容易、成本低廉和较好的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明与金属材料有关，是一种监测金属结构材料锈蚀状况的金属锈蚀监测光纤光栅传感装置，主要应用于使用钢索、钢筋混凝土的大桥、道路、房屋等建筑物中的钢材在空气中发生锈蚀情况的监测，也可以用于其他金属材料的结构在环境气氛中被腐蚀的状况。
背景技术
钢筋混凝土和钢索是现代基础设施中使用最广泛的建筑结构材料。钢材具有高强度、易加工、地球上资源丰富的优点，但是作为钢材主要成分的铁，在水分和氧气的作用下很容易被氧化锈蚀。钢索和钢筋发生锈蚀，导致结构强度下降，甚至导致结构坍塌而造成人的生命和财产的巨大损失。铝材和其他金属材料也是人们广泛使用的结构材料，比如飞机等运输器具和多种公用设施。虽然铝材相对于钢铁不易锈蚀。但是在某些场合，比如在盐雾区域，也仍然存在锈蚀变质的问题。为了解决结构材料的锈蚀老化的问题，人们采取油漆、电镀、电化学等技术加以减轻锈蚀的速度和程度。但是这些措施不可能完全防止锈蚀的发生。因此人们必须在防锈的同时，随时了解、监测这些材料被腐蚀的情况，以便及时采取防范措施。在线监测钢材等金属材料的锈蚀状态，掌握腐蚀速度及其变化规律，对于确保建筑结构安全运行，具有十分重要的意义和经济价值。
为了监测金属结构材料的锈蚀状况，人们已经提出了若干技术方案。在先技术之一[陈伟民等，光子学报第28卷第2期129-133页1999年]，是利用金属涂覆光纤的传输损耗随金属层被腐蚀程度的变化，来感知金属的锈蚀状况。这一方法的传感头制作比较困难，首先要将已经很细的光纤腐蚀得更细，再在其表面制作金属化，代价较高。据实验数据，对于金属材料的初期锈蚀不大敏感。在先技术之二[P.L.Fuhr等，Proceeding SPIE，1995，2446：2～8]，是测量金属锈蚀后表面颜色的变化来感知材料被腐蚀的状况。在这一方法中光纤只是起到导光的作用。这一方法的缺点是色谱测量和分析的成本较高；材料颜色随锈蚀的变化比较复杂，容易受到其他环境情况变化的影响。在先技术之三[K.D.Benntt，Proceeding SPIE，1995，2446：71～82]，是采用一个锈蚀保险丝，该保险丝固定一个小的光纤环，因此增加了光纤的损耗。当保险丝腐蚀断的时候，光纤环恢复平直，损耗减小。因而可以对于金属材料锈蚀情况给出报警。这一方法的优点是信号可靠，但是对于初期锈蚀情况不敏感，不适用于早期和正常运行期的监测。
发明内容
为了克服在先技术的缺点，更好地满足金属锈蚀状况监测的实际需求，本发明提出了一种利用光纤光栅来测量金属材料锈蚀状况的技术方案。本发明的传感器应具有结构简单、制作容易、成本低廉和较好的鲁棒性。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于金属结构材料锈蚀状况监测的金属锈蚀监测光纤光栅传感装置，特征在于其构成包括第一支撑座，在第一支撑座的一边通过一沿轴向滑动的滑动套管连接第二支撑座，在该滑动套管上用待监测金属材料绕制一具有压缩余量的弹簧并胶合在所述滑动套管上，在该滑动套管的中心轴孔位置胶粘一受弹簧恢复力拉伸的第一光纤光栅，该第一光纤光栅的光纤的一端固定在所述的第一支撑座上并伸出一自由端，该光纤的自由端连接第一光纤连接器；在所述第二支撑座的另一边伸出的光纤自由端连接第二光纤连接器。
在所述第二支撑座的另一边通过一套管连接第三支撑座，在所述第二支撑座和第三支撑座之间的该套管内自由松弛地固定一不受拉力或压缩力的第二光纤光栅，该第二光纤光栅的光纤自由端连接所述的第二光纤连接器。
一种用于金属结构材料锈蚀状况监测的金属锈蚀监测光纤光栅传感装置，其特征在于包括：
一由待测金属材料薄板制成的第一构件，其长度为a，宽度为b，厚度为d1；一耐腐蚀材料制作的薄板制成的第二构件，其长度为a，宽度为b，厚度为d2；所述第一构件和第二构件键和在一起，在第二构件的外表面通过胶合剂胶合第一光纤光栅，该第一光纤光栅一端的光纤连接第一光纤连接器，另一端连接第二光纤连接器。
所述的第一构件和第二构件的厚度相等。
所述的第一构件上胶合第一光纤光栅，所述的第二构件上胶合第二光纤光栅并密封在一不透水、不透风的封装盒内，所述的第一光纤光栅和所述第二光纤光栅的光纤的一端经过一光纤分束器构成一输入端和输出端。
本发明的特点和优点是：
(1)本发明的传感器结构简单，制作容易，成本低廉。与在先技术相比具有较好的鲁棒性。
(2)本发明适用范围较广。可以根据实际场合需要监测的锈蚀范围，设计适合不同需要的双金属片结构。与通过光纤损耗作为传感参数的方法相比较，具有参量范围大的优点。
(3)本发明可以采用若干光纤光路实现多观察点的分布式监控系统。
(4)与采用干涉原理的传感器相比，光纤光栅传感器具有内在的波长信息，具有记忆功能。与通过表面锈蚀颜色变化来传感的方法相比较，外界干扰的影响和不确定性比较小。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图；
图2为本发明实施例2的结构示意图；
图3为本发明实施例3的结构示意图；
图4为本发明实施例4的结构示意图。
具体实施方式
先请参阅图1，图1为本发明实施例1的结构示意图。图中1为由待监测金属材料制成的弹簧，图中所画为弹簧的剖面图。2为一个反射型光纤布拉格光栅，3为与第一光纤光栅相连的第一光纤连接器。第一支撑座4和第二支撑座41为固定弹簧和第一光纤光栅3的支撑座，且两支撑座中心沿轴向钻有小孔，以使光纤能够穿过。安装该结构的器件时，将待监测金属制成的弹簧1固定在第一支撑座4和第二41之间，第一支撑座4和第二支撑座41的设计容许使弹簧可以在轴向发生拉伸和压缩，但是不会发生弯曲。该弹簧1制作成具有压簧的功能，即具有压缩余量，压缩后会产生向外的恢复力。将第一光纤光栅2胶贴在第一支撑座4和第二支撑座41的中心孔位置上；胶合时使弹簧1处于压缩形变之下。粘贴胶充分固化后，撤去使弹簧压缩的机构，弹簧1就产生向外的恢复力，使第一光纤光栅2处于一定的拉应变状态。
该器件的传感原理如下：当制作弹簧1的材料发生锈蚀时，金属材料逐步变细，它的弹性强度变小，第一光纤光栅2所受到的拉伸应力减小，从而使其反射光谱的峰值波长向原来无应变情况下的位置移动。根据这一峰值波长位置的变化，可以感知弹簧被锈蚀的程度。
图2为本发明实施例2的结构示意图，图中5为待监测金属材料薄板形第一构件，6为用耐腐蚀材料制作的第二构件。二者具有相同的长度(图中左右方向)和宽度(图中垂直于纸面的方向)，但是可以具有不同的厚度d1和d2。二片构件采用常规方法键合在一起，构成一种特殊的双金属片。图中2为第一光纤光栅，7为将光纤光栅粘贴在构件5上的胶合剂。8表示待监测金属构件表面的锈蚀层。在制作这一结构的器件时，首先根据待测金属和选定的耐腐蚀材料的杨氏模量、热膨胀系数等基本参数，设计第一构件5和第二构件6的几何尺寸，使二构件键合为一双金属片时，其弯曲形变具有低的温度敏感性，同时又具有较高的对于构件5的厚度d1的敏感性。当构件5的下底表面8发生锈蚀时，构件5的厚度减小，其弹性强度降低，因而使整个双金属片的弯曲形状发生变化。这一变化又导致粘贴在其上的光纤光栅2的应力改变，使其反射谱的峰值波长发生移动。由此感知金属材料锈蚀的状态。
本发明主要基于光纤光栅的应变调谐特性。由于光纤光栅对于环境温度的变化和应力变化具有相似的敏感性，所以这两种敏感性必须加以区分。为此需要采用一个参考的光纤光栅感知锈蚀传感头的温度，以便给出修正。为此提出了第3和第4实施例。
图3为本发明实施例3的结构示意图，是具有温度补偿金属锈蚀监测光纤光栅传感装置。图中2为锈蚀传感的第一光纤光栅。9为支持第一支撑座4和第二支撑座41之间的滑动套管，它容许弹簧在轴向运动，而不发生弯曲。21为温度传感用的第二光纤光栅，它被自由松弛地固定在第二支撑座41和第三支撑座42之间，不受任何拉伸或压缩的应力。第二支撑座41和第三支撑座42之间用套管91支持。选择第一光纤光栅2和第二光纤光栅21的峰值波长在温度和应力变化和监测范围内互相不重合。传感器实际使用时，测量第一光纤光栅2和第二光纤光栅的峰值波长。第一光纤光栅2的峰值波长反映其所受的应力和所在环境的温度，第二光纤光栅21的峰值波长反映所在环境的温度。当第一光纤光栅2在温度和应力的作用下峰值波长移动了Δλ1，第二光纤光栅21在温度的作用下峰值波长移动了Δλ2，就可知第一纤光栅2在应力作用下峰值波长的移动量为Δλ1-Δλ2。由此可以获得第一光纤光栅2的峰值波长所反映的应力变化信息。
图4为本发明实施例4的结构示意图，是另一具有温度补偿金属锈蚀监测实施方案。图中10和10a为代表图2中由构件5和6组合的双金属片构件。11为一个不透水和不透风且导热性良好的密闭封装盒；在封装前充有干燥氮气，以防止内部构件腐蚀。两传感头置于同一环境温度中，但是待测构件10暴露在环境气氛中，作为锈蚀监测传感头。12为一个光纤分束器。13为一个用于测试光纤光栅反射谱的光源。14为一个简易光谱分析仪，用来监测粘贴在构件10和10a上的第一光纤光栅2和第二光纤光栅21的反射光谱。第一光纤光栅2和第二光纤光栅21的峰值波长在温度和应力变化和监测范围内互相不重合。传感器实际使用时，测量第一光纤光栅2和第二光纤光栅21的峰值波长。第一光纤光栅2的峰值波长反映其所受的应力和所在环境的温度，第二光纤光栅21的峰值波长反映所在环境的温度。双金属片构件10和10a几何尺寸和制作工艺相同。虽然在设计时尽量减小它们的温度敏感性，但是可能仍然有一定的随温度变化的特性。采用图4的结构，可以同时补偿10和10a的温度效应，而保证它们的差别仅仅来源于构件5被腐蚀的情况。
Claims (5)
1、一种用于金属结构材料锈蚀状况监测的金属锈蚀监测光纤光栅传感装置，特征在于其构成包括第一支撑座(4)，在第一支撑座(4)的一边通过一沿轴向滑动的滑动套管(9)连接第二支撑座(41)，在该滑动套管(9)上用待监测金属材料绕制一具有压缩余量的弹簧(1)并胶合在所述滑动套管(9)上，在该滑动套管(9)的中心轴孔位置胶粘一受弹簧(1)恢复力拉伸的第一光纤光栅(2)，该第一光纤光栅(2)的光纤的一端固定在所述的第一支撑座(4)上并伸出一自由端，该光纤的自由端连接第一光纤连接器(3)；在所述第二支撑座(41)的另一边伸出的光纤自由端连接第二光纤连接器(31)。
2、根据权利要求1所述的金属锈蚀监测光纤光栅传感装置，其特征在于在所述第二支撑座(41)的另一边通过一套管(91)连接第三支撑座(42)，在所述第二支撑座(41)和第三支撑座(42)之间的该套管(91)内自由松弛地固定一不受拉力或压缩力的第二光纤光栅(21)，该第二光纤光栅(21)的光纤自由端连接所述的第二光纤连接器(31)。
3、一种用于金属结构材料锈蚀状况监测的金属锈蚀监测光纤光栅传感装置，其特征在于包括：
一由待测金属材料薄板制成的第一构件(5)，其长度为a，宽度为b，厚度为d1；
一耐腐蚀材料制作的薄板制成的第二构件(6)，其长度为a，宽度为b，厚度为d2；
所述第一构件(5)和第二构件(6)键和在一起，在第二构件(6)的外表面通过胶合剂(7)胶合第一光纤光栅(2)，该第一光纤光栅(2)一端的光纤连接第一光纤连接器(3)，另一端连接第二光纤连接器(31)。
4、根据权利要求3所述的金属锈蚀监测光纤光栅传感装置，其特征在于所述的第一构件(5)和第二构件(6)的厚度d1＝d2。
5、根据权利要求3或4所述的金属锈蚀监测光纤光栅传感装置，其特征在于所述的第一构件(5)上胶合第一光纤光栅(2)，所述的第二构件(6)上胶合第二光纤光栅(21)并密封在一不透水、不透风的封装盒(11)内，所述第一光纤光栅(2)和所述第二光纤光栅(21)的光纤的一端经过一光纤分束器(12)构成一输入端(13)和输出端(14)。
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