CN206270218U - 一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，包括安装在外壳中的悬臂梁、光纤光栅和探头，所述悬臂梁具有固定端和自由端，所述固定端与壳体固连，所述探头安装在自由端上，所述光纤光栅贴设于悬臂梁上，所述壳体具有钢筋接触部和悬空部，所述探头从悬空部穿出。本实用新型具有精度高、体积小、耐久性好、抗电磁干扰等优势，可为钢筋混凝土结构测试提供极大的便利。

Description

一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器

技术领域

本实用新型属于土木工程和光纤传感技术领域，具体涉及一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器。

背景技术

钢筋混凝土结构大量应用于跨海大桥、港口和化工厂房等。然而，钢筋混凝土结构中的钢筋在海水、酸性气体等腐蚀性介质的长期作用下容易出现锈蚀，削弱钢筋的受力性能，进而影响整个钢筋混凝土结构的承载能力。因此，对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀状况进行准确测量对于评估整个钢筋混凝土结构的承载性能具有重要意义。由于钢筋锈蚀是一个漫长的过程，且钢筋埋置于混凝土内部，如何长期实时的准确测量钢筋锈蚀一直是土木工程领域的难题。常用的方法是测量钢筋由于锈蚀而产生的截面积膨胀，通过截面积膨胀量或者锈胀力来计算钢筋的锈蚀率。

光纤光栅利用一段具有周期性折射率的芯内体光栅作为传感元件，通过中心波长的漂移来感知光栅栅距的改变，进而得到外界应变和温度的变化。与电类传感元件相比，光纤光栅具有测量精度高、耐腐蚀、体积小、重量轻、抗电磁干扰、可实现远距离传输及分布式测量等优势，是制作钢筋锈蚀传感器的良好传感元件。已有的光纤光栅锈蚀传感器大多采用埋置于被测钢筋附近的独立锈蚀敏感元件来感知腐蚀介质的入侵，通过测量锈蚀敏感元件的锈蚀状况来间接获得钢筋的锈蚀情况。这些光纤光栅锈蚀传感器难以保证锈蚀敏感元件位置的腐蚀介质入侵情况与实际钢筋位置的腐蚀介质入侵情况相一致，因此，其测量结果往往不能反映混凝土中钢筋的实际锈蚀情况。也有采用光纤光栅直接测量钢筋锈胀的传感器，但仍存在对被测钢筋腐蚀环境扰动大、测量精度低、量程小和构造复杂等缺点，难以在实际工程中应用。另外，温度和应变均会造成光纤光栅中心波长的漂移，为了得到由于钢筋锈胀引起的光纤光栅应变，需要对测量的光纤光栅中心波长漂移量进行温度补偿。因此，设计一种对被测钢箱腐蚀环境影响小且能够实现温度自补偿的光纤光栅钢筋锈蚀传感器，就成为亟待解决的技术问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，它能对温度变化引起的光纤光栅中心波长漂移进行准确补偿并对钢筋混凝土中钢筋的锈蚀进行实时精确测量；同时，还能得到测点处的温度值。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型提供的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，包括安装在外壳中的悬臂梁、光纤光栅和探头，所述悬臂梁具有固定端和自由端，所述固定端与壳体固连，所述探头安装在自由端上，所述光纤光栅贴设于悬臂梁上，所述壳体具有钢筋接触部和悬空部，所述探头从悬空部穿出。

作为优选，所述光纤光栅包括第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅，包括相互平行的第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅，所述第一裸光纤光栅与悬臂梁的长度方向正交。也即第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅均与悬臂梁纵向平行，并通过环氧树脂固定于悬臂梁上表面纵向不同位置。

作为优选，所述壳体上具有小孔，所述第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅通过第二尾纤连接；第一裸光纤光栅的第一尾纤通过小孔穿出。

作为优选，所述外壳内填充有柔性材料，防止水泥砂浆进入空腔。

作为优选，所述悬臂梁的自由端与外壳之间联接有弹簧，弹簧的弹力可以保证探头下端与被测钢筋表面紧密接触，用于感知钢筋由于锈蚀而引起的截面膨胀。

作为优选，所述悬臂梁、弹簧、探头和外壳的材质均为不锈钢材。

有益效果：本实用新型的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，利用两根固定于悬臂梁纵向不同位置的裸光纤光栅对温度变化引起的光纤光栅中心波长漂移进行补偿，同时还能得到测点的温度变化值，可大大减小基于光纤光栅传感原理的传感器的体积，提高传感器的集成度，可为其他光纤光栅类传感器的设计提供参考。本实用新型的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器将裸光纤光栅直接粘贴于悬臂梁上，并利用不锈钢外壳对裸光纤光栅进行保护，具有测量精度高、抗施工干扰能力强、长期稳定性好等优点。传感器长度可在5厘米以内，宽度和厚度均可在1厘米以内，传感器的尺寸微小，埋入后对原结构的影响可忽略不计。安装时只需将传感器两端的外壳紧贴被测钢筋，通过环氧树脂固定，埋设简单方便，且能保证传感器外壳不会因为钢筋锈蚀而产生位移，传感器探头附近钢筋仍被混凝土包裹，与未埋设传感器处钢筋的锈蚀情况保持一致，保证测量的客观性。可广泛用于钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的测试，应用前景广阔。

本实用新型利用两根固定于悬臂梁纵向不同位置的裸光纤光栅同时感受由于温度变化和钢筋锈蚀引起的光纤光栅中心波长漂移，根据两根光纤光栅中心波长漂移量的差异实现对钢筋锈蚀测量结果的温度补偿，同时得到测点处钢筋的锈蚀率和温度变化，此补偿方法可大大减小基于光纤光栅传感原理的传感器的体积，提高传感器的集成度。光纤光栅钢筋锈蚀传感器，第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅均与悬臂梁纵向平行并通过环氧树脂固定于悬臂梁上表面纵向不同位置构成钢筋锈蚀传感器的主体。通过外壳将钢筋锈蚀传感器固定于被测钢筋表面，安装方便且能保证钢筋锈蚀传感器不会因为钢筋锈蚀而移动。钢筋由于锈蚀而引起的体积膨胀推动与悬臂梁相连探头，使悬臂梁发生弯曲并在第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅位置产生应变。根据第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅中心波长的漂移，利用温度补偿方法即可实现对应变测试结果的补偿，得到被测钢筋的锈蚀情况和测点处的温度变化。该传感器精度高、体积小、耐久性好、抗电磁干扰，可为钢筋混凝土结构测试提供极大的便利。

除了上面所述的本实用新型解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本实用新型的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本实用新型的光纤光栅钢筋锈蚀传感器内部构造示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是图1的B-B剖视图；

图4是图1的C-C剖视图；

图5是图1的D-D剖视图；

图6是图1的E-E剖视图；

图中：第一裸光纤光栅1；第二裸光纤光栅2；第一尾纤3；第二尾纤4；小孔5；悬臂梁6；弹簧7；探头8；外壳9；被测钢筋10；柔性材料11。

具体实施方式

实施例：

本实施例的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器包括光纤光栅温度补偿方法和光纤光栅钢筋锈蚀传感器；

如图1-图6所示，光纤光栅钢筋锈蚀传感器，包括第一裸光纤光栅1；第二裸光纤光栅2；第一尾纤3；第二尾纤4；小孔5；悬臂梁6；弹簧7；探头8；外壳9；柔性材料10；被测钢筋11；其中外壳9左端设小孔5；第一裸光纤光栅1和第二裸光纤光栅2均与悬臂梁6纵向平行并通过环氧树脂固定于悬臂梁6上表面纵向不同位置；第一裸光纤光栅1和第二裸光纤光栅2通过第二尾纤4连接；第一裸光纤光栅1的第一尾纤3通过小孔5穿出；悬臂梁6左端固定于外壳9左端内侧表面；探头8上端固定于悬臂梁6右端下表面，下端与被测钢筋11表面紧密接触，用于感知钢筋由于锈蚀而引起的截面膨胀；弹簧7上端固定于外壳9上端内侧表面，下端固定于悬臂梁6右端上表面；光纤光栅钢筋锈蚀传感器空腔内填充柔性材料10，防止水泥砂浆进入空腔。

在测量时，将光纤光栅钢筋锈蚀传感器两端外壳紧贴被测钢筋，通过环氧树脂固定，可保证光纤光栅钢筋锈蚀传感器不会因为钢筋锈蚀体积膨胀而产生位移。光纤光栅钢筋锈蚀传感器中部探头附近，传感器外壳与被测钢筋之间存在缝隙，水泥砂浆可顺利渗入缝隙将被测钢筋包裹，从而保证探头处钢筋的腐蚀环境与其余未安装传感器位置处钢筋的腐蚀环境一致，确保测量结果的准确性。在探头四周表面涂抹脱模剂，防止混凝土与探头粘连，保证探头能够顺利移动。在测量过程中，被测钢筋由于锈蚀而产生体积膨胀，推动探头向内移动，使得悬臂梁在第一裸光纤光栅1和第二裸光纤光栅2处产生应变。利用第一裸光纤光栅1和第二裸光纤光栅2在外界温度以及应变的作用下发生中心波长漂移数据，可计算出对应变测试结果进行温度补偿并得到测点处的温度变化，以及被测钢筋的锈蚀率。

以上结合附图对本实用新型的实施方式做出详细说明，但本实用新型不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本实用新型的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：包括安装在外壳中的悬臂梁、光纤光栅和探头，所述悬臂梁具有固定端和自由端，所述固定端与壳体固连，所述探头安装在自由端上，所述光纤光栅贴设于悬臂梁上，所述壳体具有钢筋接触部和悬空部，所述探头从悬空部穿出。

2.根据权利要求1所述的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述光纤光栅包括相互平行的第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅，所述第一裸光纤光栅与悬臂梁的长度方向正交。

3.根据权利要求2所述的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述壳体上具有小孔，所述第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅通过第二尾纤连接；第一裸光纤光栅的第一尾纤通过小孔穿出。

4.根据权利要求2所述的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述第一裸光纤光栅靠近悬臂梁的固定端，所述第二裸光纤光栅与第一裸光纤光栅之间沿悬臂梁的纵向上具有间距。

5.根据权利要求1所述的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述外壳内填充有柔性材料。

6.根据权利要求1所述的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述悬臂梁的自由端与外壳之间联接有弹簧。

7.根据权利要求6所述的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，其特征在于：所述悬臂梁、弹簧、探头和外壳的材质均为不锈钢。