CN210922525U - 用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模‑多模‑单模光纤传感器，属于结构健康监测技术领域。铁镀膜单模‑多模‑单模光纤传感器包括输入单模光纤、输出单模光纤：纤芯、包层、涂覆层；无纤芯多模光纤：实心包层、铁薄膜。该装置基于无纤芯多模光纤对外界环境折射率的高度敏感性和具有与碳钢主要成分相似的铁薄膜，实现对混凝土结构钢筋腐蚀状况的无损、在线实时、定量监测，较为准确地判定混凝土结构耐久性能，从而保障重大重要结构物的安全。本实用新型结构简单、设计合理、适用性强，灵敏度高，可靠性强，具有广阔的应用前景和推广市场。

Description

用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器

技术领域

本实用新型涉及一种用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器，尤其是用于混凝土结构钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器，属于结构健康监测技术领域。

背景技术

混凝土结构因其充分发挥了钢筋高抗拉和混凝土高抗压两种力学性能而在土木工程建设中得到广泛应用，是当今世界应用最多的土木工程材料。混凝土结构耐久性对国民经济等方面有着重大影响，而钢筋腐蚀是混凝土结构耐久性失效的重要因素之一。因此，必须对结构的钢筋腐蚀状况进行有效地监测，实时掌握结构实际损伤程度，为结构耐久性评定、剩余寿命预测以及加固维修提供重要依据。

目前，钢筋腐蚀监测的方法大致可以分为电化学方法和非电化学方法两类。其中，电化学方法包括半电池电位法、线性极化法、交流阻抗法、电化学噪声法等，非电化学方法包括表观检查法、失重法、超声波法、涡流法、声发射法等。然而，上述监测方法或多或少存在一些问题，如操作不便、监测过程复杂、监测执行时间较长、监测准确度低等。

近年来，由于光纤小巧轻便、抗电磁干扰、可以进行网络化等优点，一些基于光纤传感技术的传感器也应用于钢筋的腐蚀监测领域。与普通光纤传感技术相比，单模-多模-单模光纤传感器对外界环境折射率具有高度敏感性，更好地适用于混凝土内部钢筋锈蚀监测，且更易于制作。

因此，针对钢筋腐蚀状况的监测，基于无纤芯多模光纤对外界环境折射率的高度敏感性，提供一种抗干扰、对钢筋锈蚀状态高度灵敏、准确可靠的单模- 多模-单模光纤传感器是十分有必要的，从而为混凝土结构的耐久性评定提供重要依据。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器，其目的是实现对混凝土结构钢筋腐蚀状况的无损、在线实时、定量监测，准确地判定混凝土结构耐久性能，从而保障重大重要工程结构的安全。

本实用新型的技术方案：

用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器，包括输入单模光纤 1、无纤芯多模光纤2、输出单模光纤3、涂覆层4、包层5、纤芯6、实心包层 7和铁薄膜8；

所述的涂覆层4、包层5、纤芯6、实心包层7和铁薄膜8均为圆柱状介质；

所述的无纤芯多模光纤2连接在输入单模光纤1和输出单模光纤3之间；

所述的输入单模光纤1与输出单模光纤3使用同一种单模光纤，纤芯6的外侧为包层5，包层5的外侧为涂覆层4；

所述的无纤芯多模光纤2的实心包层7外侧为铁薄膜8；

所述的无纤芯多模光纤2的长度根据传感器灵敏度和使用寿命进行调整；

所述的无纤芯多模光纤2具有阶跃折射率；

所述的铁薄膜8的厚度根据传感器灵敏度和使用寿命进行调整；

所述的铁薄膜8覆盖无纤芯多模光纤2的长度；

本实用新型工作原理：

单模-多模-单模光纤传感器原理如图1中(a)，单模光纤与无纤芯多模光纤具有不同的结构参数，输入单模光纤中的基模传输到无纤芯多模光纤时会激发出多模光纤一系列的高阶模式LP_nm。假设单模光纤与多模光纤无偏心对接，多模光纤本身具有中心对称性质，因此多模光纤中只有LP_0m模式被激发。设从输入单模光纤输入的光场为E(r,0)，多模光纤中的第m阶模式的光场为F_m(r)，根据电磁场的连续性条件，在输入单模光纤和多模光纤连接处有

式中N为多模光纤中存在的总的模式数目，c_m为第m阶模式的激发系数。

c_m可以由下式得到：

当光在多模光纤中传输距离z后，其光场可以表示为：

式中β_m为第m阶模式的纵向传播常数。

最后，光场从多模光纤耦合入输出单模光纤，并输出。透射率可以从下式得到：

式中L为多模光纤长度。

当输入平坦的宽带光时，因每个波长对应的透射率不同，用光谱仪就会接收到一条具有一定分布的透射率谱线，在透射率最大的波长处会有一个透射峰。若保持其他外界条件不变，当改变多模光纤周围折射率时，会造成多模光纤中各模式的激发系数c和传播常数β的变化，由式(4)可知，每个波长处对应的透射率也会随之变化，最终导致光谱仪接收到的整体响应谱线以及透射峰的移动，将透射峰处对应的波长称为特征波长，因此透射光谱的特征波长λ随着多模光纤周围折射率n的变化而变化。

由于低碳钢的主要成分是铁，因此用沉积在无纤芯多模光纤外侧的铁薄膜来模拟广泛用于钢筋混凝土结构的钢筋(低碳钢)的成分。当铁薄膜被腐蚀时，多模光纤周围介质折射率从n变为n′，导致透射光谱发生变化，透射光谱中的特征波长从λ变为λ′，如图1中(b)所示。

特征波长的改变量为Δλ，即

Δλ＝λ-λ′ (5)

腐蚀引起的铁薄膜质量损失百分比η与特征波长的改变量Δλ的关系可用下式表示：

Δλ＝β(η) (6)

式中，β为铁薄膜质量损失百分比η与特征波长的改变量Δλ的函数关系，由实验拟合确定。

因此，将铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器布置在混凝土结构中钢筋周围，通过测量铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器波长的改变量Δλ，再依据关系式(5) 得出铁薄膜质量损失百分比η，即可实现铁薄膜腐蚀状态的定量监测，又因为铁薄膜与混凝土结构中钢筋的成分相似，所以被测钢筋的腐蚀状态定量监测也由此实现。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型通过监测单模-多模-单模光纤透射光谱特征波长的改变量，发现对钢筋腐蚀程度的定量监测；

(2)本实用新型采用无纤芯多模光纤替代普通多模光纤，防止化学腐蚀对多模光纤造成损坏；

(3)本实用新型灵敏度高，因对外界环境折射率的高度敏感性使得对钢筋锈蚀状态高度灵敏；

(4)本实用新型布设方便，可实现对钢筋腐蚀状态的在线实时监测；

(5)本实用新型具有高分辨率，可达纳米或亚纳米量级；

(6)本实用新型可实现非破坏性监测，能够无损地监测混凝土结构的钢筋腐蚀状况，从而对工程结构实施更好的管理和维护；

(7)本实用新型环境适应性好，使用寿命长；

(8)本实用新型结构简单、设计合理、适用性强，具有广阔的应用前景和推广市场。

附图说明

图1为本实用新型用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器传感机理示意图，(a)铁薄膜腐蚀前，(b)铁薄膜腐蚀后；

图2为本实用新型用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器的构造示意图；

图3为本实用新型用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器的 A-A截面剖视图；

图4为本实用新型用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器的B1-B1截面剖视图；

图5为本实用新型用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器的 B2-B2截面剖视图；

图6为本实用新型用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器应用于实际混凝土结构钢筋监测的一种布置示意图；

图中：1输入单模光纤；2无纤芯多模光纤；3输出单模光纤；4涂覆层；5 包层；6纤芯；7实心包层；8铁薄膜；9钢筋；10铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器；11砂浆。

具体实施方式

为使得本实用新型的目的、特征、优点能够更加的直观易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

如图1～4所示，本实用新型提供的用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模- 单模光纤传感器的一个实例，包括输入单模光纤1、输出单模光纤3和无纤芯多模光纤2。其中输入单模光纤1和输出单模光纤3，包括涂覆层4、包层5、纤芯6，无纤芯多模光纤2包括实心包层7和铁薄膜8。

所述纤芯6、包层5、实心包层7、涂覆层4、铁薄膜8均为圆柱状介质；

所述无纤芯多模光纤2连接在输入单模光纤1和输出单模光纤3中间；

所述输入单模光纤1与输出单模光纤3使用同一种单模光纤，纤芯6的外侧为包层5，包层5的外侧为涂覆层4；

所述无纤芯多模光纤2的实心包层7外侧为铁薄膜8；

进一步的，所述无纤芯多模光纤2长度为20mm；

进一步的，所述单模光纤纤芯6的直径为9μm，包层5的直径为125μm，涂覆层4的直径为255μm；

进一步的，所述输入和输出单模光纤1、3折射率为1.468；

进一步的，所述无纤芯多模光纤2具有阶跃折射率；

进一步的，所述铁薄膜8的厚度为20μm，铁薄膜8覆盖无纤芯多模光纤的长度；

在本实用新型实施例中，用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器的制备方法，包括上述任意一项所述的用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器，包含以下步骤：

步骤S1：取两段单模光纤(锋达，G625D光纤)，在光纤的端部，用光纤剥皮器将单模光纤两端外部涂覆层去掉，用酒精擦拭，清洁表面。

步骤S2：取一段无纤芯多模光纤(Thorlabs，FG125LA)，用刀片的刀刃停靠在涂覆层上，自然滑动将其涂覆层剥离，剩下直径为125μm的实心包层部分，再用酒精擦拭去除涂覆层的无纤芯多模光纤表面，清洁表面。

步骤S3：使用红宝石切割笔在垂直于无纤芯多模光纤轴向的方向划出划痕，小心将无纤芯光纤在划痕处折断。

步骤S4：将切好的无纤芯多模光纤端面分别与输入单模光纤和输出单模光纤的端面放入熔接机(南京吉隆，KL500)，采用手动操作模式进行熔接。

步骤S5：将熔接好的单模-多模-单模光纤用20％NaOH溶液清洗10分钟，以除去附着在其表面上的污染物，然后使用超声波清洗器用蒸馏水清洗3分钟，最后在100℃的烘箱中干燥5分钟。

步骤S6：使用射频磁控溅射系统(Denton Vacuum Discovery-18)，用纯度为99.99％、直径为76.2mm、厚度为6.35mm的Fe靶(Kurt J.Lesker公司生产) 对清洁后的单模-多模-单模光纤进行溅射沉积镀膜；

进一步的，将清洁后的光纤固定在不锈钢夹具上，以确保在铁薄膜沉积过程中光纤保持笔直，将夹具翻转再镀一次，以确保铁薄膜均匀地沉积；

进一步的，在打开铁靶和单模-多模-单模光纤之间的快门之前，对铁靶进行 30分钟的预处理；铁薄膜沉积是在100w的功率下完成的，系统溅射前的沉积室的基本压力约为10^-4Pa，而溅射时沉积室充满40立方厘米的流动高纯度氩气，工作压力约为1Pa。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种用于钢筋腐蚀监测的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器，其特征在于，该铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器包括输入单模光纤(1)、无纤芯多模光纤(2)、输出单模光纤(3)、涂覆层(4)、包层(5)、纤芯(6)、实心包层(7)和铁薄膜(8)；

所述的涂覆层(4)、包层(5)、纤芯(6)、实心包层(7)和铁薄膜(8)均为圆柱状介质；

所述的无纤芯多模光纤(2)连接在输入单模光纤(1)和输出单模光纤(3)之间；

所述的输入单模光纤(1)与输出单模光纤(3)使用同一种单模光纤，纤芯(6)的外侧为包层(5)，包层(5)的外侧为涂覆层(4)；

所述的无纤芯多模光纤(2)的实心包层(7)外侧为铁薄膜(8)，铁薄膜(8)覆盖无纤芯多模光纤(2)的长度。

2.根据权利要求1所述的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器，其特征在于，所述的无纤芯多模光纤(2)具有阶跃折射率，其长度根据传感器灵敏度和使用寿命进行调整。

3.根据权利要求1或2所述的铁镀膜单模-多模-单模光纤传感器，其特征在于，所述的铁薄膜(8)的厚度根据传感器灵敏度和使用寿命进行调整。

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