CN204188502U - 基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于工程、建筑耐久性监测技术，为测量海港工程中海浪经常拍打处的建筑物混凝土锈蚀情况，定量监测锈蚀程度，通知相关建造和维修单位采取相应修复措施。为此，本实用新型采取的技术方案是，基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统，结构为：包括宽带光源，宽带光源输出端连接耦合器的输入端，耦合器的输出分别连接传感器，所述传感器输出端连接光开关的输入端，所述光开关还包括一组控制IO总线，所述光开关输出端连接波长解调模块，所述控制IO总线连接单片机控制模块，所述波长解调模块与中心计算机相连，所述单片机控制模块也与中心计算机相连。本实用新型主要应用于工程、建筑耐久性监测。

Description

基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统

技术领域

本实用新型属于工程、建筑耐久性监测和评估检测技术，具体讲，涉及基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统。

技术背景

钢筋混凝土结构的耐久性是公共交通、土木工程等领域最为关注的问题之一。在实际应用中，钢筋耐久性的退化将引起建筑物结构性能的劣化，从而缩短其使用寿命，造成巨大的安全隐患。特别是海洋环境中，海水中氯离子的侵蚀作用将直接影响混凝土中钢筋的腐蚀，导致其承载能力下降，最后不可避免的导致结构塌陷，所以渗入混凝土的液态氯离子成为钢筋混凝土锈蚀的主要原因。高性能全尺度监测手段一直是海港工程钢筋混凝土结构的耐久性监测与评估的客观需求。

近几年，光纤光栅传感器在钢筋混凝土锈蚀检测方面得到了快速发展。光纤传感器将传感器和信号传输集于一体，体积小，测量精度高，可靠性高，耐腐蚀，抗电磁干扰，寿命长，并且可实现多点分布式传感探测，便于实际工程应用，很适合用于建筑物的长期健康监测。

目前主流技术是利用钢筋锈蚀后体积发生膨胀，采用光纤光栅测量应力应变的方法通过测量这种膨胀来监测锈蚀。中国发明专利200710019822.4公开了一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的检测方法。该系统的将一根布拉格光纤光栅粘贴在两根钢筋棒顶面，当钢筋锈蚀并发生体积膨胀时，粘贴的光纤光栅将受到横向拉力作用，通过光纤光栅测量这个拉力可以监测钢筋的锈蚀。这个系统的缺点是，当监测到锈蚀时，钢筋锈蚀程度已经比较严重，无法监测早期钢筋刚与液态氯离子接触而未锈蚀时的状态并提前预警，可能造成无法及时进行维修和维护工作，并且这种方法也无法定量监测钢筋锈蚀程度，无法反应出混凝土内部液态氯离子的浓度梯度分布和对锈蚀的影响。中国发明专利200710021728.2公开了一种长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器，该发明的传感器为长周期光纤光栅，将单根钢筋置于不锈钢基座之上，利用钢筋腐蚀后导致的长周期光纤光栅的微弯效应来表征腐蚀程度和腐蚀速率。这种传感器缺点是，一方面，该方法也无法监测早期钢筋刚与液态氯离子接触而未锈蚀时的状态，另一方面，这种方法无法确定内部不同深度的锈蚀程度。

综上所述，海港工程钢筋混凝土锈蚀最主要因素是海水中液态氯离子渗入混凝土结构中，而现有的海港工程钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统大多是在钢筋锈蚀后发生体积膨胀才能检测，目前没有人提出在线、定量、能够测量钢筋混凝土中液态氯离子浓度梯度分布的钢筋混凝土锈蚀程度监测的方法，实现一种可以测量钢筋混凝土中液态氯离子浓度梯度分布、定量监测锈蚀程度并且检测早期钢筋刚与液态氯离子接触而未锈蚀的状态的传感系统是该领域急需解决的问题。

发明内容

为克服现有技术的不足，针对目前海港工程钢筋混凝土锈蚀监测主流技术存在的无法测量钢筋混凝土中液态氯离子浓度梯度分布、无法利用混凝土内部液态氯离子浓度定量监测锈蚀程度、无法检测早期钢筋刚与液态氯离子接触而未锈蚀时的状态这三个缺点，设计一种多长周期光纤光栅传感器，通过定量测量液态氯离子浓度的方法，测量海港工程中海浪经常拍打处的建筑物混凝土由表及里，定量监测锈蚀程度，并且通过得到的海水氯离子渗入深度，检测早期钢筋刚与液态氯离子接触而未锈蚀状态，通知相关建造和维修单位采取相应修复措施。为此，本实用新型采取的技术方案是，一种基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统，结构为：包括宽带光源，所述宽带光源输出端连接耦合器的输入端，所述耦合器的输出分别连接传感器，所述传感器输出端连接光开关的输入端，所述光开关还包括一组控制IO总线，所述光开关输出端连接波长解调模块，所述波长解调模块用于输出结果。

传感器包括n根长周期光纤光栅和金属板封装，每根长周期光纤光栅都相互平行放置在金属板封装的槽内，每两个槽间相距1.5厘米，每根长周期光纤光栅两端分别用粘性胶固定于金属板封装的细槽中，其中只有一个光纤光栅传感区的细槽用粘性硅脂填充，其他光纤光栅传感区裸露在外面，金属板封装与混凝土表面垂直并埋入混凝土内，每根长周期光纤光栅与混凝土表面平行，最靠近混凝土表面的长周期光纤光栅距表面不超过5毫米。

所述宽带光源波长范围为1540～1590nm，输出功率为20mw；耦合器波长范围为1540～1590nm；所述长周期光纤光栅周期为580um，谐振峰范围为1540～1590nm，其中具有粘性硅脂填充传感区的那根作为温度参考光纤作温度补偿，另外五根用于测量液态氯离子浓度；所述波长解调模块波长范围为1530～1600nm，分辨率不低于30pm。

所述一组控制IO总线与单片机相连接，单片机还与液晶显示装置、复位电路、告警灯相连接。

与已有技术相比，本实用新型的技术特点与效果：

本实用新型利用多光纤光栅定量测量液态氯离子浓度的方法，采用设计的传感器，测量海港工程中海浪经常拍打处的建筑物混凝土由表及里，每隔1.5cm处的液态氯离子浓度梯度分布，并以此作为氯离子渗入混凝土深度的依据。第一，实现了早期钢筋刚与液态氯离子接触而未锈蚀状态的检测，克服了传统传感系统无法提前预报锈蚀开始、监测到锈蚀时锈蚀已经十分严重的缺点；第二，实现了测量海港工程中建筑物混凝土由表及里，每隔1.5cm处的液态氯离子浓度梯度分布，并用测量到的液态氯离子浓度实现了一种在线、多点、定量的海港工程钢筋混凝土锈蚀程度监测系统，克服了传统设备无法测量混凝土内部液态氯离子浓度梯度分布、无法利用混凝土内部液态氯离子浓度定量监测锈蚀程度的缺点。

附图说明

图1是本实用新型所述传感系统的结构示意图；

图2是传感器封装示意图；

图3是传感器金属板封装结构尺寸图；

图4是单片机控制模块的电路原理图；

图5是中心计算机端软件显示的传感器透射谱示意图。

附图中，各标号所代表的部件例表如下：

1-宽带光源，2-耦合器，3-传感器，4-光开关，5-单片机控制模块，6-波长解调模块,7-中心计算机，8-第一长周期光纤光栅，9-第二长周期光纤光栅，10-第三长周期光纤光栅，11-第四长周期光纤光栅，12-第五长周期光纤光栅，13-温度参考长周期光纤光栅，14-光纤光栅传感区，15-粘性硅脂，16-粘性胶，17-金属板封装

具体实施方式

本实用新型的目的是针对目前海港工程钢筋混凝土锈蚀监测主流技术存在的无法测量钢筋混凝土中液态氯离子浓度梯度分布、无法利用混凝土内部液态氯离子浓度定量监测锈蚀程度、无法检测早期钢筋刚与液态氯离子接触而未锈蚀时的状态这三个缺点，设计一种多长周期光纤光栅传感器，通过定量测量液态氯离子浓度的方法，测量海港工程中海浪经常拍打处的建筑物混凝土由表及里，每隔1.5cm处的液态氯离子浓度的梯度分布,利用测量得到的渗入混凝土的液态氯离子浓度来定量监测锈蚀程度，并且通过得到的海水氯离子渗入深度，检测早期钢筋刚与液态氯离子接触而未锈蚀状态，通知相关建造和维修单位采取相应修复措施。

为达到上述目的，本实用新型公开了一种基于光纤传感器的海港工程钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统，其技术方案如下：

一种基于光纤传感器的海港工程钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统，包括宽带光源，所述宽带光源输出端连接耦合器的输入端，所述耦合器具有六路输出，分别连接传感器，所述传感器输出端连接光开关的输入端，所述光开关有六路输入、一路输出和一组控制IO总线，所述光开关输出端连接波长解调模块，所述控制IO总线连接单片机控制模块，所述波长解调模块通过USB线与中心计算机相连，所述单片机控制模块通过串口与中心计算机相连。

所述宽带光源波长范围为1540～1590nm，输出功率为20mw。

所述耦合器有一路输入和六路输出，波长范围为1540～1590nm。

所述传感器包括六根长周期光纤光栅和金属板封装。

所述长周期光纤光栅周期为580um，谐振峰范围为1540～1590nm，其中五根是用于测量液态氯离子浓度，一根作为温度参考光纤作温度补偿。

所述金属板封装长15cm，宽10.5cm，高1cm，表面每隔1.5cm刻有一个长15cm，宽2mm，深1mm的细槽。

所述光开关波长范围为1530～1600nm，有六路输入、一路输出和一组控制IO总线。

所述单片机控制模块包括单片机、通信部分、复位电路、外扩引脚电路、LED部分、液晶接口。

所述波长解调模块波长范围为1530～1600nm，分辨率不低于30pm。

所述中心计算机为普通台式电脑，包含用于监测的应用软件。

下面结合附图和实施例进一步详细说明本实用新型。

如图1所示，本实用新型一种基于光纤传感器的海港工程钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统，包括设置有宽带光源1，所述宽带光源1输出端连接耦合器2，所述耦合器2有一路输入和六路输出，输出端连接传感器3。所述传感器3输出端连接光开关4。所述光开关4有六路输入、一路输出和一组控制IO总线，输出端连接波长解调模块6，控制IO总线连接单片机控制模块5。所述波长解调模块6通过USB线连接中心计算机7。所述单片机模块5通过串口连接中心计算机7。

所述宽带光源1，波长范围为为1540～1590nm，输出功率为20mw，输出端优先采用光纤耦合输出。

所述耦合器3有一路输入和六路输出，波长范围为1540～1590nm，在实际选用时，应尽量选用损耗小的耦合器，优先选用分光比为六路均分。

所述传感器3的封装示意图如图2所示，包括六根长周期光纤光栅和金属板封装17。所述六根长周期光纤光栅分别为第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12和温度参考长周期光纤光栅13，所述六根长周期光纤光栅的周期为580um，谐振峰范围1540～1590nm，所述第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12用于测量氯离子浓度，每两根间距为1.5cm，且两端分别用粘性胶16固定于金属板封装17的细槽中，只把光纤光栅传感区14裸露在外面。所述温度参考长周期光纤光栅13作为温度参考光纤为第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12作温度补偿，用于消除温度对系统测量带来的影响。所述温度参考长周期光纤光栅13的两端用粘性胶16固定于金属板封装17的细槽中，光纤光栅传感区用粘性硅脂15填充，为了确保所述温度参考长周期光纤光栅13的透射谱谐振峰中心波长只受温度调制，所述粘性硅脂15应填充满细槽。所述金属板封装17的结构尺寸图如图3所示，所述金属板封装17长15cm，宽10.5cm，高1cm，表面每隔1.5cm刻有一个长15cm，宽2mm，深1mm的细槽。所述金属板封装17所使用的材料应不易被海水腐蚀并且有良好的导热性，优先采用不锈钢。

所述光开关4波长范围为1530～1600nm，有六路输入、一路输出和一组控制IO总线，实际选用时，控制IO总线优先选用并行数字IO总线，并且尽量选用响应速度快的光开关。

所述单片机控制模块5的电路原理图如图4所示，包括单片机、通信部分、复位电路、外扩引脚电路、LED部分、液晶接口。所述单片机优先选用STC89C52，通信部分使用串口与中心计算机7连接，通信速率优先选用115200 bit/s。所述液晶接口优先选用诺基亚5110液晶屏。

所述波长解调模块6波长范围为1530～1600nm，分辨率应不低于30pm。优先选用内部采用透射式光栅和CCD组合解调波长的模块，选用的波长模块波长范围应大于第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12和温度参考长周期光纤光栅13的透射谱谐振峰中心波长的范围，并且分辨率优先选高的。所述波长解调模块6应选用USB接口与中心计算机7相连，优先选用带USB3.0接口的波长解调模块，以提高通信速率，实现更快速的解调。

所述中心计算机7为普通台式电脑，包含用于监测评估的应用软件，所述应用软件在运行时显示的光纤光栅透射谱图如图5所示，图5中的λ₁～λ₆对应第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12和温度参考长周期光纤光栅13的透射谱谐振峰中心波长，所述应用软件可以控制波长解调模块6测量出λ₁～λ₆，并计算出液态氯离子浓度。

本实用新型工作过程及原理：中心计算机7控制宽带光源1输出一路1540～1490nm的宽带激光，宽带光源1输出端与耦合器2相连，宽带激光进入耦合器2后分成六路，耦合器2输出端与传感器3相连，六路宽带激光分别进入传感器3的第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12和温度参考长周期光纤光栅13。宽带激光经长周期光纤光栅后的透射谱在一定波长处有谐振峰，并且谐振峰的中心波长受外界环境折射率和温度的同时调制，当外界溶液浓度发生改变时，溶液折射率也发生线性变化，所以，将长周期光纤光栅置于溶液环境时，在已知环境温度时，可以通过测量谐振峰中心波长测量溶液浓度。本实用新型中心计算机7通过单片机控制模块5控制光开关4进行切换光路，依次使第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12、温度参考长周期光纤光栅13的输出光分别与波长解调模块6相连，并且中心计算机7依次采集透射谱信息、计算谐振峰中心波长，利用所测温度参考长周期光纤光栅13的透射谱谐振峰中心波长计算出温度，并用这个温度对第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12进行温度补偿，计算出第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12对应液态氯离子浓度，软件经计算后给出液态氯离子浓度梯度分布、对应浓度和渗入深度，并自动保存浓度和温度数据。

本实用新型使用过程：

(1)将传感器3埋入海港工程中海浪经常拍打处的建筑物混凝土内部，埋入时需要注意，传感器3中第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12形成的面应垂直于混凝土表面，第一长周期光纤光栅8靠近混凝土表面，温度参考长周期光纤光栅13离混凝土表面最远，并且金属板封装17的外边缘距离混凝土表面不能太远，最佳距离为5mm。在埋入传感器3时应尽量避免弯折传感器3两头的用于连接的光纤，防止信号损耗太大，造成波长解调模块6无法探测到光信号。

(2)打开电源和中心计算机7端的监测软件，实时记录当前第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12和温度参考长周期光纤光栅13的谐振峰中心波长，软件自动计算第一长周期光纤光栅8～第五长周期光纤光栅12处的氯离子浓度，给出实时浓度梯度分布曲线，当氯离子渗入到某个长周期光纤光栅处时此处测量得到的液态氯离子浓度明显增大，即测得当前液态氯离子渗入深度和渗入浓度。

(3)随着海水不断拍打海港工程中建筑物混凝土表面，液态氯离子会慢慢渗透进混凝土内部，早期混凝土结构为单纯的混凝土结构，随着液态氯离子不断渗入，液态氯离子会接触到混凝土结构中的钢筋部分，钢筋部分遇到液态氯离子则发生锈蚀，其中钢筋埋入的深度是预知的。当发现软件记录的液态氯离子浓度渗入到预知的钢筋埋入深度时，系统发生预警信号，通知管理员液态氯离子已与钢筋接触，即钢筋将开始慢慢锈蚀，管理员通知建筑物建造和维修单位，提前做好相应修复准备。

(4)当监测软件监测到第三长周期光纤光栅10处液态氯离子浓度大于35g/L时，管理员应通知相关建造和维修单位对建筑进行维护和小修等相应措施。

(5)当监测软件监测到第五长周期光纤光栅12处液态氯离子浓度大于35g/L时，管理员应通知相关建造和维修单位对建筑进行大修或者拆除等相应措施。

Claims (4)

1.一种基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统，其特征是，结构为：包括宽带光源，所述宽带光源输出端连接耦合器的输入端，所述耦合器的输出分别连接传感器，所述传感器输出端连接光开关的输入端，所述光开关还包括一组控制IO总线，所述光开关输出端连接波长解调模块，所述波长解调模块用于输出结果。

2.如权利要求1所述的基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统，其特征是，传感器包括n根长周期光纤光栅和金属板封装，每根长周期光纤光栅都相互平行放置在金属板封装的槽内，每两个槽间相距1.5厘米，每根长周期光纤光栅两端分别用粘性胶固定于金属板封装的细槽中，其中只有一个光纤光栅传感区的细槽用粘性硅脂填充，其他光纤光栅传感区裸露在外面，金属板封装与混凝土表面垂直并埋入混凝土内，每根长周期光纤光栅与混凝土表面平行，最靠近混凝土表面的长周期光纤光栅距表面不超过5毫米。

3.如权利要求2所述的基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统，其特征是，所述宽带光源波长范围为1540～1590nm，输出功率为20mW；耦合器波长范围为1540～1590nm；所述长周期光纤光栅周期为580um，谐振峰范围为1540～1590nm，其中具有粘性硅脂填充传感区的那根作为温度参考光纤作温度补偿，另外五根用于测量液态氯离子浓度；所述波长解调模块波长范围为1530～1600nm，分辨率不低于30pm。

4.如权利要求1所述的基于光纤传感器的钢筋混凝土锈蚀程度定量监测系统，其特征是，所述一组控制IO总线与单片机相连接，单片机还与液晶显示装置、复位电路、告警灯相连接。