CN211927699U - 一种基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于结构健康监测领域，公开了一种基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，包括多模光纤：纤芯、包层、涂覆层；单模光纤：纤芯，包层，银薄膜，铁薄膜。本实用新型基于等离子体共振技术实现对钢筋的腐蚀监测。与钢筋主要成分相似的铁薄膜腐蚀后会改变单模光纤周围介质的折射率，所述单模光纤的银薄膜与铁薄膜界面间等离子体对其周围介质折射率变化高度敏感，通过对单模光纤外界折射率的监控间接监测钢筋腐蚀状况。该传感器结构简单、造价低廉、灵敏度高、测量精度高，可以有效实现对钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀状况无损、实时、准确的测量，在钢材腐蚀监测领域具有广阔的应用前景，适合推广。

Description

一种基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器

技术领域

本实用新型涉及一种基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，属于结构健康监测领域，尤其用于钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀监测。

背景技术

钢筋混凝土结构结合钢筋抗拉强度高和混凝土抗压强度高的优点，是目前土木工程中应用最广泛的结构形式。然而，钢筋的腐蚀是钢筋混凝土结构面临的最为棘手的问题。钢筋腐蚀不仅能削弱其自身截面面积，使钢筋承载能力下降，还会降低混凝土的握裹力，影响两者的协同工作性能。此外，钢筋腐蚀后体积膨胀，造成混凝土开裂甚至脱落，最终导致混凝土结构的受力性能和耐久性能降低。

当前对钢材腐蚀监测的方法可大致分为电化学方法和非电化学方法两大类。电化学方法是直接监测钢筋的腐蚀，常见的电化学方法有，电阻法，电位法，电化学噪声技术等。电化学监测钢筋腐蚀方法普遍存在监测时间长，操作复杂，造价昂贵以及容易受到外界信号干扰等缺点。非电化学方法通常则是通过间接监测腐蚀引起的结构体积变形、分层和开裂等间接监测钢材腐蚀情况。常见的非电化学监测腐蚀的方法有声发射法，超声导播法和数字图像相关法等。这些方法很难实现直接接触到钢筋，其测量结果存在很大的不确定性，无法准确实时地监测钢筋的腐蚀状态。

光纤传感器尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，抗腐蚀性强，可以置于钢筋混凝土内部，实现对钢筋腐蚀的无损、实时、长期的监测。与传统光纤传感器相比，基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器制作简单，灵敏度高，测量结果可靠，其监测结果可为钢筋混凝土结构耐久性评定以及加固维修提供重要依据。

实用新型内容

针对现有技术的问题，本实用新型提供了一种基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，该传感器对周围环境折射率的变化高度敏感，可以通过测量外界折射率的变化间接监测钢筋的腐蚀程度。这种基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器可以埋入钢筋混凝土结构中钢筋附近，实时监测钢筋的腐蚀状态，测量结果可靠，从而为钢筋混凝土结构耐久性评定以及加固维修提供重要依据。

本实用新型的技术方案：

一种基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，该基于表面等离子共振技术光纤腐蚀传感器包括第一多模光纤1、单模光纤2、第二多模光纤3。其中第一多模光纤1包括多模光纤纤芯4、多模光纤包层5和涂覆层6；单模光纤2包括单模光纤纤芯7、单模光纤包层8和银薄膜9和铁薄膜10；

所述单模光纤2的两端分别熔接第一多模光纤1和第二多模光纤3；

所述第一多模光纤1和3的多模光纤包层5的半径与单模光纤2的单模光纤包层8的半径相等；

所述单模光纤2的长度根据镀膜仪器尺寸要求、待测材料的长度以及监测对象的灵敏度要求进行调整；

所述单模光纤2的单模光纤包层8外表面均匀镀一层银薄膜9，所述银薄膜 9与单模光纤包层8之间没有空隙；

在所述单模光纤2的银薄膜9的外表面均匀镀一层铁薄膜10，所述铁膜10 与银薄膜9之间为真空；

所述银薄膜9的镀膜方法可以采用真空蒸发法、真空推杆法、银镜反应法或其它镀膜方法。

所述铁薄膜10的镀膜方法可以采用真空蒸发法、真空推杆法、等离子溅射技术或其它镀膜方法；

所述银薄膜9的厚度可根据传感器灵敏度要求进行调整；

所述银薄膜9覆盖整个单模光纤包层8的长度；

所述铁薄膜10的厚度可根据传感器灵敏度要求、使用寿命要求和待测结构的尺寸限定进行调整；

所述铁薄膜10覆盖整个银薄膜9的长度。

所述的基于等离子体共振技术的光纤腐蚀传感器的传输原理：

基于等离子体共振技术的光纤腐蚀传感器原理如图5，激光经第一多模光纤 1进入单模光纤2，一部分光11在单模光纤的单模光纤纤芯7中传播，另一部分光12进入单模光纤的单模光纤包层8，在包层中传播。从图5可以看出，包层中发生全反射的光束在到达与银薄膜11的界面时，并不是直接产生反射光，而是先透过银薄膜9约一个波长的深度，再沿界面流动大约半个波长的距离最终返回单模光纤包层8中，这部分透过银薄膜介质的波即为消逝波14。消逝波 14通过银薄膜9，并在铁薄膜和银薄膜的界面上于表面等离子体13发生共振，从而形成表面等离子体共振现象。

铁薄膜10的腐蚀会导致传感器周围介质的折射率发生变化，而铁薄膜与银薄膜界面之间的等离子体对外界介质折射率的变化非常敏感，最终从第二多模光纤3中传输出去的透射光光谱发生变化，通过对透射光谱变化量的分析间接监测铁薄膜的腐蚀情况。

上述消逝波可分解为垂直于界面的S偏振波和平行于界面的P偏振波，只有P偏振光才会导致表面等离子体共振。P偏振光在纤芯和包层界面上的强度反射系数可以用传递矩阵表示如下

式中，q_i＝cosθ_i/n_i,i表示层数，M表示传递矩阵。假设光纤的折射率系数为n_cor，包层的折射率系数为n_cla，则发生在单模光纤纤芯7和单模光纤包层8 中的反射光的数量可以用下式表示

N＝L/Dtanθ (2)

其中，L表示单模光纤2的传输长度，D表示光纤的半径，θ表示入射角度。入射角度在临界角度θ_cr和90度之间的光为不同的传输模式，每种传输模式光的功率随入射角变化大致呈高斯分布，表达式如下

则P偏振光的在光纤中的透射率为

由于只有P偏振光才会导致表面等离子体共振，所以光的透射率可以表示为

上述等离子体共振会导致经过该传感器不同波长的光透射率不同，光谱仪接收到的波长-透射率光谱会存在一个波谷，外界折射率的变化会导致波谷位置明显偏移，因此，可以通过监测光谱曲线波谷的偏移位置确定外界折射率的变化，波谷位置对应的特征波长为λ。

钢筋的主要成分是铁，包裹在单模光纤2最外层的铁薄膜10模拟实际钢筋混凝土结构中的钢筋腐蚀。当铁薄膜被腐蚀后，单模光纤周围介质折射率从n 变为n′，相应地，特征波长从λ变为λ′。特征波长的变化量Δλ与铁薄膜10的腐蚀率η之间可表示为如下关系式

Δλ＝α(η) (6)

将这种基于表面等离子体共振技术的光纤腐蚀传感器布置在钢筋混凝土结构中钢筋附近，通过分析基于表面等离子体共振技术的光纤腐蚀传感器透射光谱的特征波长的漂移，再代入关系式(6)就可得出铁薄膜质量损失百分比η，即可确定铁薄膜的腐蚀程度，钢筋的主要成分与铁薄膜的成分一样，而两者所处环境又完全相同，所以被测钢筋的腐蚀程度也可以被定量确定。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型通过基于表面等离子体共振技术的光纤腐蚀传感器透射光光谱的变化，间接实现对钢筋腐蚀量的监测。

(2)本实用新型在单模光纤的包层外表面镀上用于表面等离子体共振传感的银膜，与其它金属相比，银膜提供了最清晰地表面等离子体共振光谱，对测量外界折射率的变化具有更强的敏感性。

(3)本实用新型体积很小，可将其埋入被测材料中监测钢材腐蚀，不会影响待测材料的性能，实现对建筑结构的无损监测。

(4)本实用新型的铁薄膜与银薄膜界面之间的等离子体对外界介质折射率的变化非常敏感，使光纤传感器具有较高的灵敏度。

(5)本实用新型的使用寿命长，铁薄膜的厚度可以根据使用寿命要求及灵敏度要求需要调整；

(6)本实用新型具有较高的分辨率，可以实现高精度监测钢材腐蚀。

(7)本实用新型制作简单，布设方便，且造价低廉，可以实现对钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的实时监测，适合推广，具有较高的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型基于等离子体共振技术的光纤腐蚀传感器示意图；

图2为本实用新型基于等离子体共振技术的光纤腐蚀传感器的A-A截面剖视图；

图3为本实用新型基于等离子体共振技术的光纤腐蚀传感器的B1-B1截面剖视图；

图4为本实用新型基于等离子体共振技术的光纤腐蚀传感器的B2-B2截面剖视图；

图5为本实用新型基于等离子体共振技术的光纤腐蚀传感器传感机理示意图，(a)铁薄膜腐蚀前；(b)铁薄膜腐蚀后；(c)入射光谱与透射光谱示意图；

图6为本实用新型基于表面等离子体共振技术的光纤腐蚀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第一多模光纤；2单模光纤；3第二多模光纤；4多模光纤纤芯；5 多模光纤包层；6多模光纤涂覆层；7单模光纤纤芯；8单模光纤包层；9银薄膜；10铁薄膜；11单模光纤纤芯传输光；12单模光纤包层传输光；13表面等离子体；14消逝波；15腐蚀产物。

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1-6所示，本实用新型提供基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，该基于表面等离子共振技术光纤腐蚀传感器包括第一多模光纤1、单模光纤2、第二多模光纤3。其中第一多模光纤1包括多模光纤纤芯4、多模光纤包层5和涂覆层6；单模光纤2包括单模光纤纤芯7、单模光纤包层8 和银薄膜9和铁薄膜10；

所述单模光纤2的两端分别熔接第一多模光纤1和第二多模光纤3；

所述第一多模光纤1和3的多模光纤纤芯4的直径为62.5μm，多模光纤包层5直径为125μm，涂覆层5的直径为255μm；

所述单模光纤2的单模光纤纤芯7直径为9μm，多模光纤包层5直径为 125μm，银薄膜的厚度为15nm，铁薄膜的厚度为20μm；

所述单模光纤2的长度根据镀膜仪器尺寸要求、待测材料的长度以及监测对象的灵敏度要求进行调整；

所述单模光纤2的单模光纤包层8外表面均匀镀一层银薄膜9，所述银薄膜 9与单模光纤包层8之间没有空隙；

在所述单模光纤2的银薄膜9的外表面均匀镀一层铁薄膜10，所述铁膜10 与银薄膜9之间为真空；

所述银薄膜9的镀膜方法可以采用真空蒸发法、真空推杆法、银镜反应法或其它镀膜方法。

铁薄膜10的镀膜方法可以采用真空蒸发法、真空推杆法、等离子溅射技术或其它镀膜方法；

进一步的，所述银薄膜9的厚度可根据传感器灵敏度要求进行调整；

进一步的，所述银薄膜9覆盖整个单模光纤包层8的长度；

进一步的，所述铁薄膜10的厚度可根据传感器灵敏度要求、使用寿命要求和待测结构的尺寸限定进行调整；

进一步的，所述铁薄膜10覆盖整个银薄膜9的长度。

在本实用新型实施例中，一种表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器的制备方法，包括上述任意一项所述的基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，包含以下步骤：

步骤1：取两段多模光纤，用刀片将多模光纤的端部涂覆层剥掉，用酒精擦拭，清洁表面。

步骤2：取一段20mm的单模光纤，用光纤剥皮器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晶体光纤表面，清洁表面。

步骤3：将剥去涂覆层的单模光纤的端部用光纤切割机切割，保证端面平整，切完后用酒精擦拭，清洁表面；

步骤4：-用红宝石刀在多模光纤横截面方向划出划痕，并在划痕处将光纤折断，保证端面平整，切完后用酒精擦拭，清洁表面；

步骤5：采用熔接机将单模光纤的两端分别与单模光纤两端焊接，由于多模光纤与单模光纤的纤芯直径不同，所以选用手动焊接的模式。

步骤6：将熔接好的多模-单模-多模光纤用20％NaOH溶液清洗，用蒸馏水清洗，然后用烤箱烘干。

步骤7：将清洁后的光纤固定在不锈钢夹具上，以确保在后续薄膜沉积过程中光纤保持笔直。

步骤8：采用银镜反应法在单模光纤包层的表面均匀沉积一层银薄膜。

步骤9：使用射频磁控溅射系统，用纯度为99.99％的Fe靶对已经镀有银薄膜的单模光纤外表面进行溅射沉积镀铁膜；将夹具翻转再镀一次，以确保铁薄膜均匀地沉积。

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)

1.一种基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，该基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器包括第一多模光纤(1)、单模光纤(2)、第二多模光纤(3)；其中第一多模光纤(1)和第二多模光纤(3)包括多模光纤纤芯(4)、多模光纤包层(5)和涂覆层(6)；单模光纤(2)包括单模光纤纤芯(7)、单模光纤包层(8)、银薄膜(9)和铁薄膜(10)；

所述的单模光纤(2)的两端分别熔接第一多模光纤(1)和第二多模光纤(3)；

所述的第一多模光纤(1)和第二多模光纤(3)的多模光纤包层(5)的半径与单模光纤(2)的单模光纤包层(8)的半径相等。

2.根据权利要求1所述的基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，所述的单模光纤(2)的长度根据镀膜尺寸要求、待测材料的长度以及监测对象的灵敏度要求进行调整。

3.根据权利要求1或2所述的基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，所述的单模光纤(2)的单模光纤包层(8)外表面均匀镀一层银薄膜(9)，所述的银薄膜(9)与单模光纤包层(8)之间没有空隙；所述单模光纤(2)的银薄膜(9)的外表面均匀镀一层铁薄膜(10)，所述的铁薄膜(10)与银薄膜(9)之间为真空。

4.根据权利要求1或2所述的基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，所述的银薄膜(9)的镀膜方法采用真空蒸发法、真空推杆法或银镜反应法；所述的铁薄膜(10)的镀膜方法采用真空蒸发法、真空推杆法或等离子溅射技术。

5.根据权利要求3所述的基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，所述的银薄膜(9)的镀膜方法采用真空蒸发法、真空推杆法或银镜反应法；所述的铁薄膜(10)的镀膜方法采用真空蒸发法、真空推杆法或等离子溅射技术。

6.根据权利要求1、2或5所述的基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，所述银薄膜(9)覆盖整个单模光纤包层(8)的长度；所述的银薄膜(9)的厚度根据传感器灵敏度要求进行调整。

7.根据权利要求3所述的基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，所述银薄膜(9)覆盖整个单模光纤包层(8)的长度；所述的银薄膜(9)的厚度根据传感器灵敏度要求进行调整。

8.根据权利要求4所述的基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，所述银薄膜(9)覆盖整个单模光纤包层(8)的长度；所述的银薄膜(9)的厚度根据传感器灵敏度要求进行调整。

9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，所述的铁薄膜(10)覆盖整个银薄膜(9)的长度；所述的铁薄膜(10)的厚度根据传感器灵敏度要求、使用寿命要求和待测结构的尺寸进行调整。

10.根据权利要求6所述的基于表面等离子共振技术的光纤腐蚀传感器，其特征在于，所述的铁薄膜(10)覆盖整个银薄膜(9)的长度；所述的铁薄膜(10)的厚度根据传感器灵敏度要求、使用寿命要求和待测结构的尺寸进行调整。

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