CN211927693U - 一种基于光子晶体光纤探头阵列的氯离子扩散监测传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于结构健康监测技术领域，公开了一种基于光子晶体光纤探头阵列的氯离子扩散监测传感器，包括单模光纤，光子晶体光纤探头，多孔袖珍盖，环氧树脂胶以及橡胶软管。所述传感器基于迈克尔逊干涉原理，通过监测光子晶体光纤传感探头阵列中不同埋设深度传感单元反射光谱信号的变化，间接监测混凝土中氯离子扩散深度随时间的变化以及混凝土中氯离子浓度沿深度的分布状况。该传感器能够实现对混凝土中氯离子扩散状态的长期、无损、实时地监测，测量精度较高，具有制作简单、体积小、强度大，灵敏度高等优点，具有广阔的应用前景，易于推广。

Description

一种基于光子晶体光纤探头阵列的氯离子扩散监测传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器，属于结构健康监测技术领域，尤其用于钢筋混凝土结构中氯离子的扩散监测。

背景技术

钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素，严重影响钢筋混凝土结构服役的安全性。氯离子侵入是导致钢筋锈蚀的主要原因，氯离子通过破坏钢筋钝化膜、去极化作用以及形成“腐蚀电池”等方式加速了钢筋腐蚀，重要的是，氯离子在整个过程中并没有被消耗掉，也就是说入侵混凝土中的氯离子会周而复始地起破坏作用。如果能较早发现混凝土中的氯离子含量，并及时的诊断和修复，能大大提高钢筋混凝土结构的安全性，从而减小经济损失和人员伤亡。因此，实时监测混凝土保护层内的氯离子扩散以及氯离子的浓度，能够为混凝土结构耐久性评估及剩余寿命预测提供数据支撑，对保证混凝土结构的耐久性和服役安全性具有重大的实际意义。

传统的监测混凝土中氯离子扩散及浓度分布的方法有破坏取粉法、氯离子选择性电极法和无线传感器检测法。破坏取粉法是直接钻取混凝土不同深度的粉末，对提取到的粉末溶解和滴定分析。这种分析对被测材料的破坏性较大，操作非常复杂，往往会耗费很多人力和时间，且无法实现混凝土中氯离子扩展及浓度分布的实时监测。氯离子选择性电极法虽然能在短时间内检测出混凝土中氯离子的浓度，但是目前公开的电极法监测混凝土中氯离子扩散的传感器的长期可靠性不足，监测结果精度较低，体积较大，对混凝土结构具有一定程度的破坏。现有的用于监测混凝土中氯离子浓度的无线传感器普遍存在射频功率和射频利用率低、设备体积大、灵敏度低的问题，此外，这种无线传感器不能实现对混凝土中氯离子沿深度扩散的监测。

光纤传感器具有尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，抗腐蚀性强等一系列优点，用光纤传感器监测混凝土中氯离子的扩散具有显著地优势，有希望解决当前混凝土中氯离子扩散监测技术中存在的诸多问题。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于光子晶体光纤探头的混凝土中氯离子扩散监测传感器，该传感器的最大特点是对周围环境折射率的改变非常敏感，可以通过测量外界折射率的变化间接监测周围氯离子的浓度。这种基于光子晶体光纤探头的混凝土中氯离子扩散监测传感器制作简单，可以无损、实时地监测混凝土中氯离子沿深度的扩散分布，从而合理评估结构的耐久性和使用寿命，保证结构的安全性。

本实用新型的技术方案：

一种基于光子晶体光纤探头阵列的氯离子扩散监测传感器，所述的光子晶体光纤探头阵列包括单模光纤1、光子晶体光纤PCF探头2、多孔袖珍盖3、环氧树脂胶4和橡胶软管5；

所述的单模光纤1与光子晶体光纤探头2一端相熔接，所述的光子晶体光纤探头2插入多孔袖珍盖3中并靠近多孔袖珍盖3的顶端面，但不接触；所述的多孔袖珍盖3开口处由环氧树脂胶4完全密封；

所述的单模光纤1的外部由一层橡胶软管5封装保护；

所述的单模光纤1、光子晶体光纤探头2、多孔袖珍盖3、环氧树脂胶4和橡胶软管5构成一个光子晶体光纤探头传感单元；多个光子晶体光纤探头传感单元由环氧树脂胶4固定组装成光子晶体光纤探头阵列。

所述的多孔袖珍盖3的顶面和侧面分布有小孔洞6，多孔袖珍盖3的内部为空芯，其内径须大于单模光纤1和光子晶体光纤探头2的直径；多孔袖珍盖3 由塑料或木材制作而成。

所述的多孔袖珍盖3一部分埋入环氧树脂胶4中，一部分以不同高度裸露在环氧树脂胶4的外部。

所述的光子晶体光纤探头阵列中光子晶体光纤探头传感单元的数量根据传感器精度要求以及待测材料混凝土保护层厚度进行调整；光子晶体光纤探头传感单元的间距根据待测材料尺寸以及传感器尺寸要求进行调整。

裸露在环氧树脂胶4外部的多孔袖珍盖3的高度根据待测构件混凝土保护层厚度以及传感器灵敏度要求调整。

裸露在环氧树脂胶4外部的多孔袖珍盖3顶端面之间的高度差根据传感器精度要求以及传感单元的数量来确定。

本实用新型工作原理：

基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散传感器原理如图4所示，入侵混凝土中的氯离子经由多孔袖珍盖3上的小孔洞6进入袖珍盖内部，使得光子晶体光纤探头周围的折射率发生变化。光子晶体光纤探头的激发态包层模式对外界折射率的变化非常敏感，外界折射指标的变化会引起包层模式有效折射率的变化。通过光子晶体光纤传播的模态在到达器件末端的球面时被反射回来，该设备的工作原理实质上是一个多光束干涉的迈克尔逊干涉仪。反射光的总反射电场由两个反射镜(第一反射镜为单模光纤和光子晶体光纤衔接面，第二反射镜为光子晶体光纤端面)的总反射电场之和来估计：

式中，E₀是入射光光场，α₁表示第一反射镜的传输损耗，R₁和R₂分别表示第一反射镜和第二反射镜的反射率，可表示为

式中，n_i分别表示单模光纤、气泡和光子晶体光纤的折射率。

表示相位，可表示为

L_i表示光子晶体光纤与单模光纤连接处与实心球体尖端之间的距离，此值是一个常量。反射光的干涉光谱最终表示为

当混凝土中的氯离子扩散至光子晶体光纤探头阵列中的传感单元i附近时，传感单元i中的光子晶体光纤周围介质折射率从n变为n′，最终导致光谱仪接收到的反射光的整体响应谱线发生波长漂移和光强变化，如图4(c)所示。通过对反射光谱的分析，实现间接监测混凝土中氯离子的扩散以及氯离子浓度的变化。

本实用新型的光子晶体光纤探头传感阵列由多个传感单元构成，每个传感单元的多孔袖珍盖顶端面至混凝土表面的距离各不相同。假设袖珍盖顶端面距混凝土表面的距离依次为h₁、h₂、h₃、……、h_n(h₁<h₂<h₃<……<h_n)，氯离子首先进入距离混凝土表面最近的传感单元的多孔袖珍盖中，引起该传感单元的反射光谱发生变化。随着氯离子在混凝土中不断扩散，距混凝土表面距离为h₂、 h₃、……、h_n的多孔袖珍盖依次被氯离子入侵，引起包裹在其中的光子晶体光纤探头-单模光纤的反射光谱依次发生变化。所以，可以通过光子晶体光纤探头传感阵列中不同传感单元反射光谱变化的先后顺序，监测氯离子在混凝土中的扩散随时间的变化。

随着氯离子的不断侵蚀，每个传感单元的多孔袖珍盖中的氯离子浓度越来越大，至混凝土表面距离为h_i的传感单元周围氯离子的浓度k与光谱的变化ΔI的关系可用下式表示：

ΔI＝α(k)(5)

式中，α为传感单元i周围氯离子的浓度k与光谱变化ΔI的函数关系，由实验拟合确定。光子晶体光纤传感器反射光谱的改变量ΔI可通过分析计算得到，将其代入关系式(5)即可得出距离混凝土表面h_i处的氯离子浓度。

将这种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散传感器埋置在混凝土结构中，即可实现混凝土中氯离子扩散深度随时间的变化以及混凝土中氯离子浓度沿深度的分布状况。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型将单模光纤和光子晶体光纤结合，光子晶体光纤探头对外界折射率变化异常敏感，使得该实用新型具有较高的灵敏度。

(2)本实用新型可以实现对混凝土保护层中氯离子扩散沿深度的分布情况进行实时监测。

(3)本实用新型体积很小，可将其埋入被测混凝土中而不会影响混凝土的性能，实现对混凝土中氯离子扩散的无损监测。

(4)本实用新型抗干扰性强，且具有较高的分辨率，可以实现高精度监测混凝土中氯离子的扩散。

(5)本实用新型的光子晶体光纤探头强度高，从而使传感器具有更长地使用寿命，保证了传感器的长期稳定运行。

(6)本实用新型制作简单，布设方便，且造价低廉，可以实现对建筑结构中钢材腐蚀的实时监测，适合推广，具有较高的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散传感器；

图2为本实用新型基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散传感器的A-A剖面图；

图3为本实用新型基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散传感器的B-B剖面图；

图4为本实用新型基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散传感器传感机理示意图，(a)氯离子未扩散至多孔袖珍盖内部，(b)氯离子扩散至多孔袖珍盖内部，(c)氯离子扩散至多孔袖珍盖中后入射光光谱和反射光光谱对比图；

图5为本实用新型基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散传感器应用于实际混凝土结构中的一种布置方式示意图；

图中：1单模光纤；2光子晶体光纤探头；3多孔袖珍盖；4环氧树脂胶；5 橡胶软管；6孔洞；7基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散传感器； 8塑料保护软管；9钢筋；10混凝土；11氯离子。

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1-5所示，一种基于光子晶体光纤探头阵列的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，该基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器包括单模光纤1、光子晶体光纤(PCF)探头2、多孔袖珍盖3、环氧树脂胶4、橡胶软管5；

所述单模光纤1与光子晶体光纤探头2相熔接，所述光子晶体光纤探头2 插入多孔袖珍盖3中并接近袖珍盖的顶端面，所述多孔袖珍盖3开口处由环氧树脂胶4完全密封；

所述单模光纤1的外部由一层橡胶软管5封装保护；

所述单模光纤1、光子晶体光纤探头2、多孔袖珍盖3、环氧树脂胶4、单模光纤保护软管5构成一个光子晶体光纤探头传感单元，多个光子晶体光纤探头传感单元由环氧树脂胶4固定组装成光子晶体光纤探头传感阵列；

所述多孔袖珍盖3可由塑料或木材等材料制作而成；

所述多孔袖珍盖3的顶面和侧面分布着很多小孔6，多孔袖珍盖3的内部为空芯，其内径须大于单模光纤1和光子晶体光纤探头2的直径；

所述光子晶体光纤探头传感阵列中的多孔袖珍盖3一部分埋入环氧树脂胶中，一部分以不同高度裸露在环氧树脂胶4的外部；

所述光子晶体光纤探头传感阵列中光子晶体光纤探头传感单元数量根据传感器精度要求以及待测材料混凝土保护层厚度进行调整；

所述光子晶体光纤探头传感阵列中光子晶体光纤探头传感单元的间距大小根据待测材料尺寸以及传感器尺寸要求进行调整；

进一步地，裸露在环氧树脂胶4外部的多孔袖珍盖3的高度根据待测构件混凝土保护层厚度以及传感器灵敏度要求调整；

进一步地，裸露在环氧树脂胶4外部的多孔袖珍盖3之间的高度差根据传感器精度要求以及传感单元的数量来确定。

在本实用新型实施例中，一种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器的制备方法，包括上述任意一项所述的基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器，包含以下步骤：

步骤1：取一段单模光纤，用光纤剥皮器将单模光纤一端20mm范围内的外部涂覆层以及橡胶封装软管剥去，剩下直径为125μm的包层部分，用酒精擦拭，清洁表面。

步骤2：取一段光子晶体光纤，用刀片剥去其表面的涂覆层，剩下直径为 125μm的包层部分，再用酒精擦拭去除涂覆层的光子晶体光纤表面，清洁表面。

步骤3：将单模光纤剥去封装层的一端与光子晶体光纤一端熔接，通过调整熔接参数控制合理的光子晶体光纤熔接处的截面塌陷尺寸。

步骤4：将光子晶体光纤的另一端置于连接电极之间同时后缩，使其末端产生一个实心球体，形成光子晶体光纤探头。

步骤5：把制作好的光子晶体光纤探头插入事先准备好的多孔塑料袖珍盖中，使探头端部靠近多孔塑料袖珍盖顶端面，但不要接触。

步骤6：用环氧树脂胶密封塑料袖珍盖的开口处，密封完成后养护12小时使得环氧树脂胶完全固化，一个光子晶体光纤探头传感单元制作完成；

步骤7：重复步骤1至步骤6，制作多个传感单元；

步骤8：将制作好的多个传感单元平铺放置于准备好的磨具中，多个塑料袖珍盖一部分置于模具中，另一部分以不同长度裸露在模具外侧，且光子晶体光纤探头置于模具同一侧，多个单模光纤的尾端则伸出于模具的另一侧；

步骤9：向模具中浇筑环氧树脂胶体，同样养护12小时使其完全固化，一个基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器制作完成。

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 (10)

1.一种基于光子晶体光纤探头阵列的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，所述的光子晶体光纤探头阵列包括单模光纤(1)、光子晶体光纤(PCF)探头(2)、多孔袖珍盖(3)、环氧树脂胶(4)和橡胶软管(5)；

所述的单模光纤(1)与光子晶体光纤探头(2)一端相熔接，所述的光子晶体光纤探头(2)插入多孔袖珍盖(3)中并靠近多孔袖珍盖(3)的顶端面，但不接触；所述的多孔袖珍盖(3)开口处由环氧树脂胶(4)完全密封；

所述的单模光纤(1)的外部由一层橡胶软管(5)封装保护；

所述的单模光纤(1)、光子晶体光纤探头(2)、多孔袖珍盖(3)、环氧树脂胶(4)和橡胶软管(5)构成一个光子晶体光纤探头传感单元；多个光子晶体光纤探头传感单元由环氧树脂胶(4)固定组装成光子晶体光纤探头阵列。

2.根据权利要求1所述的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，所述的多孔袖珍盖(3)的顶面和侧面分布有小孔洞(6)，多孔袖珍盖(3)的内部为空芯，其内径须大于单模光纤(1)和光子晶体光纤探头(2)的直径；多孔袖珍盖(3)由塑料或木材制作而成。

3.根据权利要求1或2所述的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，所述的多孔袖珍盖(3)一部分埋入环氧树脂胶(4)中，一部分以不同高度裸露在环氧树脂胶(4)的外部。

4.根据权利要求1或2所述的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，所述的光子晶体光纤探头阵列中光子晶体光纤探头传感单元的数量根据传感器精度要求以及待测材料混凝土保护层厚度进行调整；光子晶体光纤探头传感单元的间距根据待测材料尺寸以及传感器尺寸要求进行调整。

5.根据权利要求3所述的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，所述的光子晶体光纤探头阵列中光子晶体光纤探头传感单元的数量根据传感器精度要求以及待测材料混凝土保护层厚度进行调整；光子晶体光纤探头传感单元的间距根据待测材料尺寸以及传感器尺寸要求进行调整。

6.根据权利要求3所述的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，裸露在环氧树脂胶(4)外部的多孔袖珍盖(3)的高度根据待测构件混凝土保护层厚度以及传感器灵敏度要求调整。

7.根据权利要求5所述的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，裸露在环氧树脂胶(4)外部的多孔袖珍盖(3)的高度根据待测构件混凝土保护层厚度以及传感器灵敏度要求调整。

8.根据权利要求6或7所述的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，裸露在环氧树脂胶(4)外部的多孔袖珍盖(3)顶端面之间的高度差根据传感器精度要求以及传感单元的数量来确定。

9.根据权利要求5所述的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，裸露在环氧树脂胶(4)外部的多孔袖珍盖(3)顶端面之间的高度差根据传感器精度要求以及传感单元的数量来确定。

10.根据权利要求3所述的氯离子扩散监测传感器，其特征在于，裸露在环氧树脂胶(4)外部的多孔袖珍盖(3)顶端面之间的高度差根据传感器精度要求以及传感单元的数量来确定。

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