CN211061391U - 一种用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器，属于结构健康监测技术领域。该用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器包括夹层材料、镀金硅镜、圆管形永磁体、单模光纤、光纤陶瓷套圈、密封环、外壳。该装置基于非本征型法‑珀干涉原理和永磁体对钢材磁吸力理论，实现对钢材腐蚀程度的定量监测，准确地判定结构耐久性能，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，容易制作、价格低廉，具有广阔的应用前景和推广市场。
Description
技术领域
本实用新型属于结构健康监测技术领域，特别是一种用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器。
背景技术
钢材因其具有塑性韧性好、强度高、抗震性能好、制作方便等优点而在土木工程领域中得到广泛应用，是当今世界应用最多的土木工程材料之一。然而，对于长期处于大气环境下的重要工程结构(钢结构桥梁、海上石油平台等)，钢材腐蚀是工程结构耐久性失效的重要因素之一。因此，必须对结构的钢材腐蚀状况进行有效地监测，准确地判定结构耐久性能，从而保障重大重要结构物的安全，促进国民经济的快速健康发展。
目前，钢材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，上述监测方法大多存在操作不便、监测过程复杂、监测执行时间较长、监测准确度低等问题。
近年来，由于光纤小巧轻便、抗电磁干扰、形式设计灵活、可以实时监测、进行网络化以及数据可靠等优点，一些基于光纤传感技术的传感器也用于钢材的腐蚀监测。
因此，针对钢材腐蚀状况的监测，从新的技术角度提供一种真实有效、操作方便、准确可靠的光纤传感器是十分有必要的，从而为工程结构的耐久性寿命预测提供重要基础。
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一种用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器，其目的是实现对钢材局部腐蚀程度的定量监测，准确地判定结构耐久性能，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：
一种用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器，包括夹层材料1、镀金硅镜2、圆管形永磁体3、单模光纤4、光纤陶瓷套圈5、密封环6和外壳7；
所述的夹层材料1位于外壳7内，置于外壳7底部；
所述的镀金硅镜2安装在夹层材料1上表面中心位置处；
所述的圆管形永磁体3为圆环体结构，其垂直压覆在夹层材料1上，整体位于外壳7内部；所述的镀金硅镜2位于圆管形永磁体3的内环所形成的空腔中；
所述的单模光纤4安装在光纤陶瓷套圈5中，所述的光纤陶瓷套圈5位于圆管形永磁体3的内环所形成的空腔中，其顶端过圆管形永磁体3，并通过密封环6密封在外壳7顶部。
所述的镀金硅镜2被用薄层环氧树脂粘贴在夹层材料1上。
所述单模光纤和镀金硅镜的端面形成法-珀谐振腔，当夹层材料发生变形时，法-珀谐振腔的腔长也会发生相应的改变。
所述的镀金硅镜2和单模光纤4的端面平行、同轴。
所述的圆管形永磁体3的内环直径大于镀金硅镜2的直径。
所述的镀金硅镜2的反射率为99％。
所述的外壳7用来封装传感器结构，这样既保护了非本征型光纤法-珀干涉，又保证了镀金硅镜与单模光纤端面之间的空间无灰尘。
本实用新型工作原理：
以结构钢材待测钢板为例，钢板发生点蚀后，被腐蚀位置处会产生一腐蚀坑，导致该处局部的钢板厚度t发生变化，从而引起永磁铁对钢板的磁吸力F也发生相应变化。同时，磁吸力F的变化会引起其作用的夹层材料发生变形Δd，从而引起光纤法珀传感器的法-珀谐振腔腔长L发生变化，导致其干涉输出信号强度I也发生相应变化。
光纤法珀传感器的法-珀谐振腔由镀金硅镜和单模光纤的端面形成。单模光纤端面的第一次反射称为参考光反射，与夹层材料变形Δd无关；镀金硅镜的第二次反射称为传感反射，取决于法-珀谐振腔的腔长L，而腔长L受夹层材料变形Δd的调制。两个反射光束产生干涉图样，干涉信号的输出强度I可以用正弦波的形式表示：
式中，I1和I2分别为单模光纤端面与镀金硅镜的反射光强度；n为空气的折射率，取值为1；
是干涉的初始相位差；干涉光谱中两个连续极小值之间的波长差，定义为自由光谱范围(FSR)，可以表示为
式中，λa和λb是对应于非本征型光纤法-珀干涉的干涉光谱中的两个峰值的波长。因此，腔长L可通过关系式(2)来确定，腔长L的改变量ΔL也由此确定。
因为腔长L的改变由夹层材料的变形引起，而且两者变化一致，所以
Δd＝ΔL(3)
根据夹层材料的本构关系：
式中，d为夹层材料变形前的长度，E为夹层材料的弹性模量，A为夹层材料的横截面积。
因此磁吸力F可通过关系式(4)来确定。
从磁场理论的角度出发，虽然公式法计算永磁体对钢板的磁吸力简单方便，但相关参数难以准确估计、误差较大，磁吸力的精确计算需应用数值分析方法，本实用新型应用数值分析程序进行有限元分析，精确确定磁吸力F与钢板厚度t的关系：
F＝αt(5)
式中，α为多参量关系系数，由有限元分析确定。
基于关系式(2)得出的磁吸力F，再依据关系式(5)，得出腐蚀后的钢板厚度t1，钢板腐蚀厚度
Δt＝t1-t0(6)
式中，t0为未腐蚀的钢板厚度，t1为腐蚀后的钢板厚度。
因此，基于上述实用新型原理，我们通过钢板腐蚀厚度Δt即可判断出被测钢板的腐蚀程度。
本实用新型相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)本实用新型通过监测法-珀谐振腔的腔长改变量，实现对钢材腐蚀程度的定量监测。
(2)本实用新型光纤法珀传感器具有极高分辨率，可达纳米或亚纳米量级。
(3)本实用新型能够无损的监测结构的钢材腐蚀状况，从而对工程结构实施更好地管理和维护。
(4)本实用新型灵敏度高、性能稳定。
(5)本实用新型监测速度快，精度高，为工程结构耐久性寿命预测提供理论依据和试验数据支持。
(6)本实用新型相比于同类光纤传感器，制作过程不需要进行光纤熔接，保证光纤性能更加可靠。
(7)本实用新型结构简单、设计合理、适用性强，容易制作、价格低廉，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材腐蚀监测的光纤法珀传感器的三维构造透视图；
图2为本实用新型用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器的A-A截面剖视图；
图3为本实用新型用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器的B-B截面剖视图；
图4为本实用新型用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器应用于实际钢板监测的一种放置示意图；
图中：1夹层材料；2镀金硅镜；3圆管形永磁体；4单模光纤；5光纤陶瓷套圈；6密封环；7外壳。
具体实施方式
为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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楚、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1～3所示，本实用新型提供的一种用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器，包括夹层材料1、镀金硅镜2、圆管形永磁体3、单模光纤4、光纤陶瓷套圈5、密封环6和外壳7；
所述的夹层材料1位于外壳7内，置于外壳7底部；
所述的镀金硅镜2安装在夹层材料1上表面中心位置处；
所述的圆管形永磁体3为圆环体结构，其垂直压覆在夹层材料1上，整体位于外壳7内部；所述的镀金硅镜2位于圆管形永磁体3的内环所形成的空腔中；
所述的单模光纤4安装在光纤陶瓷套圈5中，所述的光纤陶瓷套圈5位于圆管形永磁体3的内环所形成的空腔中，其顶端过圆管形永磁体3，并通过密封环6密封在外壳7顶部。
所述的镀金硅镜2被用薄层环氧树脂粘贴在夹层材料1上。
所述的单模光纤和镀金硅镜的端面形成法-珀谐振腔，当夹层材料发生变形时，法-珀谐振腔的腔长也会发生相应的改变。
所述的镀金硅镜2和单模光纤4的端面平行、同轴。
所述的圆管形永磁体3的内环直径大于镀金硅镜2的直径。
所述的镀金硅镜2的反射率为99％。
所述的镀金硅镜2和单模光纤4的端面形成法-珀谐振腔，当夹层材料1发生变形时，法-珀谐振腔的腔长也会发生相应的改变。
所述的外壳7用来封装传感器结构，这样既保护了非本征型光纤法-珀干涉，又保证了镀金硅镜2与单模光纤4端面之间的空间无灰尘。
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 (5)
1.一种用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器，其特征在于，所述的用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器包括夹层材料(1)、镀金硅镜(2)、圆管形永磁体(3)、单模光纤(4)、光纤陶瓷套圈(5)、密封环(6)和外壳(7)；
所述的夹层材料(1)位于外壳(7)内，置于外壳(7)底部；
所述的镀金硅镜(2)安装在夹层材料(1)上表面中心位置处；
所述的圆管形永磁体(3)为圆环体结构，其垂直压覆在夹层材料(1)上，整体位于外壳(7)内部；所述的镀金硅镜(2)位于圆管形永磁体(3)的内环所形成的空腔中；
所述的单模光纤(4)安装在光纤陶瓷套圈(5)中，所述的光纤陶瓷套圈(5)位于圆管形永磁体(3)的内环所形成的空腔中，其顶端过圆管形永磁体(3)，并通过密封环(6)密封在外壳(7)顶部。
2.根据权利要求1所述的用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器，其特征在于，所述的镀金硅镜(2)和单模光纤(4)的端面平行、同轴。
3.根据权利要求1或2所述的用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器，其特征在于，所述的圆管形永磁体(3)的内环直径大于镀金硅镜(2)的直径。
4.根据权利要求1或2所述的用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器，其特征在于，所述的镀金硅镜(2)被用薄层环氧树脂粘贴在夹层材料(1)上，其反射率为99％。
5.根据权利要求3所述的用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器，其特征在于，所述的镀金硅镜(2)被用薄层环氧树脂粘贴在夹层材料(1)上，其反射率为99％。
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| CN201922134369.2U CN211061391U (zh) | 2019-12-03 | 2019-12-03 | 一种用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110763620A (zh) * | 2019-12-03 | 2020-02-07 | 大连理工大学 | 一种用于钢材腐蚀监测的光纤法珀传感器 |
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2019
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