CN1657908A - 监测金属锈蚀的光纤传感装置 - Google Patents

Abstract

一种监测金属锈蚀的光纤传感装置，其构成包括：一探测头是由第一光纤在待监测金属结构材料上缠绕N圈构成；一参考头是由第二光纤在一与待监测金属结构材料构形和半径相同的耐腐蚀材料上缠绕N圈构成；所述的探测头的第一光纤的一端与参考头的第二光纤的一端经分束比为1∶1的第一光纤耦合器耦合并形成第一端口和第二端口，所述的第一光纤和第二光纤的另一端经分束比为1∶1的第二光纤耦合器耦合并形成第三端口和第四端口。本发明具有结构简单，制作容易，可以获得高灵敏度探测；可以采用若干光纤光路构成多观察点的分布式监控系统。

Description

监测金属锈蚀的光纤传感装置

技术领域

本发明涉及光纤传感，特别是一种监测金属锈蚀的光纤传感装置，主要应用于钢索、钢筋混凝土的大桥、道路、房屋等建筑物中使用的钢材在空气中发生锈蚀情况的监测，也可以用于监测铝材和其他金属材料的结构在各种气氛环境中被腐蚀的状况。

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，将导致结构强度下降，甚至导致结构坍塌而造成人的生命和财产的巨大损失。铝材或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]，是利用金属涂复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状况的。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，本发明提出一种监测金属锈蚀的光纤传感装置，它是利用光波相位受金属材料锈蚀状况影响作为传感原理的光纤传感装置。它应具有结构简单，制作容易，可以获得高灵敏度；可以构成多观察点的分布式监控系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种监测金属锈蚀的光纤传感装置，其特征在于包括：

一探测头是由第一光纤在待监测金属结构材料上缠绕N圈构成；

一参考头是由第二光纤在一与待监测金属结构材料构形和半径相同的耐腐蚀材料上缠绕N圈构成；

所述的探测头的第一光纤的一端与参考头的第二光纤的一端经分束比为1∶1的第一光纤耦合器耦合并形成第一端口和第二端口，所述的第一光纤和第二光纤的另一端经分束比为1∶1的第二光纤耦合器耦合并形成第三端口和第四端口。

所述的光纤圈数N的取值为：N≥1的正整数。

所述的金属结构材料的外形为圆柱体。

所述的第三端口和第四端口闭合形成一光纤环形镜。

所述的探测头是由第一光纤在待监测金属结构材料制成的模拟监测圆柱体上缠绕N圈构成的。

该光纤传感装置是由多个所述的探测头和多个参考头分别串联构成的。

一种监测金属锈蚀的光纤传感装置，其特征在于探测头是由第一光纤在待监测金属结构材料上缠绕N圈后，该第一光纤的两端经一分束比为1∶1的第三光纤耦合器耦合成一萨格纳克(Sagnac)环而构成。

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，与在先技术相比具有较好的鲁棒性。

(2)本发明可以根据需要进行设计和制作。采用多的光纤圈数，可以获得高的初期锈蚀灵敏度；采用大拉伸应力条件下绕制光纤环，可以满足较宽的锈蚀程度范围的监测需要。

(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。

附图说明

图1为本发明的光纤环的结构示意图；

图2为本发明的多圈光纤环的立体示意图；

图3为本发明实施例1——马赫-曾德干涉仪方案示意图；

图4为本发明实施例2——迈克尔逊干涉仪方案示意图；

图5为本发明实施例3——萨格纳克(Sagnac)干涉仪方案示意图；

图6为本发明在多股钢索上多圈光纤环方案的立体示意图；

图7为本发明的具有补偿温度效应的多段材料补偿方案的立体示意图。

具体实施方式

先请参阅图3，图3本发明实施例1——马赫-曾德干涉仪示意图，由图可见，本发明监测金属锈蚀的光纤传感装置，其构成包括：

一探测头A是由第一光纤2在外形为圆柱体的待监测金属结构材料1上缠绕N圈构成；

一参考头B是由第二光纤21在一与待监测金属结构材料1构形和半径相同的耐腐蚀材料4上缠绕N圈构成；

所述的探测头A的第一光纤2的一端与参考头B的第二光纤21的一端经分束比为1∶1的第一光纤耦合器5耦合并形成第一端口01和第二端口02，所述的第一光纤2和第二光纤21的另一端经分束比为1∶1的第二光纤耦合器51耦合并形成第三端口03和第四端口04。

所述的光纤圈数N的取值为：N≥1的正整数。

图1本发明的光纤环的结构示意图，是本发明的核心结构。图中1为圆柱形金属结构材料，如钢筋。2为紧密围绕在金属结构材料1四周的传感光纤；光纤圈数N根据具体场合要求，可以是单圈或多圈。3为金属结构材料的锈蚀层。图2为本发明的多圈光纤环的立体示意图；

本发明的工作原理如下：

当金属材料1表面发生锈蚀时，锈饰层出现金属的氧化物或者某种盐类，其体积就会膨胀，从而使缠绕在该材料1上的光纤2受到拉伸的应力。当锈蚀进一步发展，锈蚀程度比较严重时，由于锈蚀层3的机械强度远远低于金属材料，锈蚀层3将发生脱落和坍缩，缠绕在其四周的光纤2所受到的应力将被释放。因此材料的锈蚀情况可以从光纤所受应力的变化反映出来。设待监测的金属结构材料1未锈蚀时的半径为R，缠绕的光纤2的圈数为N，光纤2的长度为：L₁＝2πNR。金属发生锈蚀后，其半径改变量为δR，则光纤2的长度变化量为：δL＝2πNδR。可见，只要在待测材料1上缠绕足够多的光纤圈数N，就可以实现待测材料锈蚀状态的高灵敏度监测。

金属圆柱体锈蚀引起的光纤应变，可以用光学干涉的原理进行测量。本发明提出的监测光纤应变的干涉测量实施例1，如图3所示。图中A为待监测的金属材料构成的探测头。4为一个由耐腐蚀材料制作的、几何尺寸与待监测材料相同的圆柱体；四周颤绕长度为L₂的光纤21，构成对比参考头B。将监测头A和对比参考头B，用分束比为1∶1的第一光纤耦合器5和第二光纤耦合器51，如图所示连接起来，构成一个马赫-曾德干涉仪结构。功率为I₀的光源从图中所示第一输入端口01或第二输入端口02输入，经过马赫-曾德干涉仪两臂，从第一输出端口03或第二输出端口04输出的光强信号I₁可以表示为：

$I_1=\frac{I_0}{2}[1+\cos \frac{2\mathrm{\πn}}{\mathrm{\λ}}(L_1-L_2)]---\left(1\right)$

式中n为光纤的折射率。当材料发生锈蚀时，探测头A的第一光纤长度L₁发生变化δL，输出光强信号就会发生变化。从而可以通过干涉信号的变化探知金属材料的锈蚀状况。

图4为本发明实施例2——迈克尔逊干涉仪方案的示意图。这是一个修正的迈克尔逊干涉仪方案。图中第二光纤耦合器51的第三端口03和第四端口04连接起来，构成一个光纤环形镜C。在第二光纤耦合器51的分束比符合1∶1的情况下，从第二光纤耦合器51左边连接探测头A和对比参考头B的两个端口入射的光波将分别从原端口反方向返回，相当于一个宽带的全反射镜。此时从图中所标的02端口测量得到的信号，是由探测头A和对比参考头B以及共同的光纤环形镜C构成的迈克尔逊干涉仪的干涉信号。由于光波在光纤传感装置中要走过一个来回的距离，所以干涉信号应正比于：

$I_1=\frac{I_0}{2}[1+\cos \frac{4\mathrm{\πn}}{\mathrm{\λ}}(L_1-L_2)]---\left(2\right)$

本发明提出的第二种监测原理，是利用探测头A光纤环的双折射特性。围绕成圆环状的光纤，在一定条件下会产生双折射，这是常用的偏振控制器的基本原理。光纤环形镜C的双折射相位差反比于光纤环的半径，正比于光纤环的圈数，并正比于光纤所受到的侧向应力。在绕制本发明探测头A的光纤环时，对光纤施加一定的轴向拉力，绕好后固定。光纤侧面同待监测的材料圆柱体1之间达到应力的平衡。这样，当材料发生锈蚀时，对光纤侧面的应力会发生变化，光纤的双折射将随之变化。采用一个偏振光源，对光纤环的双折射特性进行测量，就可以得到待测材料的锈蚀状况的信息。

图5为本发明实施例3——萨格纳克(Sagnac)干涉仪方案示意图，是监测光纤环双折射特性的Sagnac环方案。图中D为一个将探测头A的第一光纤2的两端通过以分束比为1∶1第三光纤耦合器52用光纤连接起来的Sagnac环。6为测试用的光源；7为光电接收器。在这一装置中，从接收器7得到的光强信号，可以获得多圈光纤环探测头A的双折射特性的变化的信息。

本发明提出的待监测金属材料圆柱1，可以用需要监测的结构材料相同的金属材料制作，并采用与建筑结构相同的防腐蚀方法，比如油漆等进行表面保护，安置在建筑结构所在的环境中。根据建筑结构的情况和条件，也可以直接将光纤缠绕在结构材料上。图6为光纤缠绕在多股钢索上的传感头。图中2为传感光纤，8为建筑结构的多股钢索。

根据上述发明内容和原理，可以设计制作本发明的金属锈蚀传感器的探测头A。但由于光纤基质材料的折射率有一定的温度相关性，实际器件会由于温度的波动而产生不稳定性，影响测试数据的可靠性。为了解决光纤马赫-曾德干涉仪的温度稳定性问题，本发明提出如图7所示的多段材料补偿方案，即。图中1和4分别为待监测锈蚀状况的金属材料和作为对比的耐腐蚀材料。它们被制作成圆盘状，互相间隔排列，用螺栓9安装在一起。第一光纤2和第二21分别紧密缠绕在所述圆盘状材料构成的圆柱材料上。这样，图5中所标的监测头A和对比参考头B，就能够很好地处于相同的温度环境中。就可以利用图5所示的马赫-曾德干涉仪结构，测量锈蚀引起的干涉光强的变化。

由以上描述可知，本发明具有结构简单，制作容易，可以获得高灵敏度探测；可以采用若干光纤光路构成多观察点的分布式监控系统。

Claims (7)

1、一种监测金属锈蚀的光纤传感装置，其特征在于包括：

一探测头(A)是由第一光纤(2)在待监测金属结构材料(1)上缠绕N圈构成的；

一参考头(B)是由第二光纤(21)在一与待监测金属结构材料(1)构形和半径相同的耐腐蚀材料(4)上缠绕N圈构成；

所述的探测头(A)的第一光纤(2)的一端与参考头(B)的第二光纤(21)的一端经分束比为1∶1的第一光纤耦合器(5)耦合并形成第一端口(01)和第二端口(02)，所述的第一光纤(2)和第二光纤(21)的另一端经分束比为1∶1的第二光纤耦合器(51)耦合并形成第三端口(03)和第四端口(04)。

2、根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于所述的光纤圈数N的取值为：N≥1的正整数。

3、根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于所述的金属结构材料(1)的外形为圆柱体。

4根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于所述的第三端口(03)和第四端口(04)闭合形成一光纤环形镜(C)。

5、根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于所述的探测头(A)是由第一光纤(2)在待监测金属结构材料(1)制成的模拟监测圆柱体(8)上缠绕N圈构成。

6、根据权利要求1所述的光纤传感装置，其特征在于该光纤传感装置是由多个所述的探测头(A)和多个参考头(B)分别串联构成的。

7、一种监测金属锈蚀的光纤传感装置，其特征在于探测头(A)是由第一光纤(2)在待监测金属结构材料(1)上缠绕N圈后，该第一光纤(2)的两端经一分束比为1∶1的第三光纤耦合器(52)耦合成一萨格纳克环而构成。

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