CN214668527U - 一种用于监测混凝土碳化深度的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于结构健康监测技术领域，公开了一种用于监测混凝土碳化深度的光纤传感器，包括FP光纤，滑动活塞杆，不锈钢外壳和对pH值敏感的高分子聚合物。所述传感器基于多光束干涉原理且结合利用了pH响应聚合物的性质，通过监测不同腔长条件下法布里‑铂罗腔反射光谱信号的变化，间接监测混凝土保护层碳化深度随时间的变化以及混凝土保护层沿深度方向的碳化状况。该传感器能够实现对混凝土保护层碳化深度的长期、无损、实时监测，测量精度较高，具有制作相对简单、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

一种用于监测混凝土碳化深度的光纤传感器

技术领域

本实用新型涉及一种用于监测混凝土碳化深度(pH值)的光纤传感器，属于结构健康监测技术领域，尤其适用于钢筋混凝土结构中混凝土保护层碳化深度的监测。

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之一，其严重影响钢筋混凝土结构服役期间的安全性。钢筋混凝土结构的混凝土保护层主要作用就是保护钢筋免受外界环境中侵蚀物质的影响。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土孔隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，使钢筋表面生成难溶的致密的三氧化二铁和四氧化三铁，称为钝化膜。钝化膜可以保护钢筋，减缓钢筋被侵蚀的速率。

钢筋混凝土中钢筋锈蚀损伤综述中表述混凝土碳化时，钢筋表面的钝化膜会被破坏。实际上：随着空气中二氧化碳气体通过硬化混凝土细孔渗透到混凝土内，其与碱性物质(氢氧化钙)发生化学反应后生成碳酸盐(如碳酸钙)和水，即发生碳化。碳化使混凝土的碱度降低，钢筋表面钝化膜变薄并逐渐消失，失去对钢筋的保护作用。在水与空气存在的条件下，钢筋发生锈蚀，导致体积膨胀，进而引起混凝土保护层开裂直到混凝土剥落，严重影响结构的耐久性。

如果能较早监测到混凝土保护层的碳化深度，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碳化深度，能够为评估混凝土结构耐久性和预测结构的剩余寿命提供数据支撑，对保证混凝土结构的耐久性和服役期间的安全性具有较大的工程实践意义。

庞崇安等人的海港码头钢筋混凝土结构耐久性检测与评估中的的检测混凝土碳化深度方法是先在测区表面凿一个直径为20mm、深约80mm的孔洞，然后除净孔洞中的粉末和碎屑，立即用1％酚酞酒精溶液滴在孔洞边缘处，测量已碳化与未碳化混凝土交界面到混凝土表面的垂直距离多次，取其平均值，该距离即为混凝土的碳化深度值。该测量方法除实施麻烦，耗费很多人力和时间以外，精度也较低，同时测量过程对结构产生损伤，而且无法进行实时的连续的碳化深度监测。

光纤传感器具有尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，抗腐蚀性强，监测精度高并能够实时连续监测等一系列优点，用光纤传感器监测混凝土保护层碳化深度具有显著的优势，有希望解决当前混凝土保护层碳化深度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用于监测混凝土碳化深度(pH值)的光纤传感器，该传感器的最大特点是对周围环境pH值的改变非常敏感，可以通过反应外界pH值的变化间接监测混凝土保护层的碳化深度。这种基于法布里—铂罗腔的混凝土碳化深度监测传感器制作简单，可以无损、实时地监测混凝土保护层碳化深度的变化，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：

一种用于监测混凝土碳化深度的光纤传感器，包括滑动活塞杆1、不锈钢外壳2、FP光纤3、小孔4和化学反应区域5；

所述的滑动活塞杆1包括可反光的端面6和分割出化学反应区域5的滑动活塞9；

所述的不锈钢材外壳2在位于化学反应区域5的外部开有小孔4，以保证光纤传感器外部的酸碱性离子充分进入光纤传感器内部，并与对pH值敏感的高分子聚合物10接触并发生化学反应；

所述的FP光纤3与滑动活塞杆1的反光端面6形成法布里—铂罗腔；

所述的FP光纤3作为输入输出光纤，由光纤陶瓷卡套7支撑，并通过密封圈8所在处的通孔插入光纤传感器内部；

所述的化学反应区域5内填充有对PH值敏感的高分子聚合物10；

当外部酸碱离子通过小孔4进入光纤传感器内部与对pH值敏感的高分子聚合物10反应后引起聚合物体积变化，进而导致滑动活塞杆1移动，从而引起腔长变化，导致与FP光纤3相连的解调仪11中光谱信号发生改变，进而反应出被监测环境pH值的变化。

所述的小孔4的尺寸和数量根据监测环境和内部填充物的不同情况而调整。

对pH值敏感的高分子聚合物10的种类和填充数量根据监测工作的不同情况和要求而调整。

实现可反光的端面6的方法根据监测工作的不同情况和要求以及制作工艺而调整。

所形成的法布里—铂罗腔的初始腔长根据监测工作不同情况和要求而调整。

外部光纤解调仪11与FP光纤3相连，监测光谱信号变化。

本实用新型的工作原理：

该监测混凝土碳化深度(pH值)的光纤传感器原理如原理图所示，随着二氧化碳不断深入混凝土保护层，碱性物质不断被中和，传感器周围环境的pH值不断降低，周围的化学离子成分也会改变。传感器周围环境中的新的不同性质的化学离子会通过传感器上的小孔进入传感器内部的化学反应区域。化学反应区域填充有对pH值敏感的高分子聚合物，这种聚合物，在不同pH值环境下，会与相应离子反应而导致聚合物体积发生很大变化(如从塌落态变成膨胀态)。

聚合物的体积发生变化后，会引起滑动活塞杆移动。导致活塞杆的反光端面远离或者靠近FP光纤，即导致了法布里—铂罗腔的腔长发生变化。

腔长的变化会引起光纤解调仪所获得的光谱图形状发生改变。光谱图中的自由光谱范围(FSR)与腔长L之间有如下关系：

其中N为介质的折射率，λ为光的波长，L为腔长。介质的折射率受腔长的改变影响很小。可以进一步推导出：

因此，根据从光谱仪上得到的不同碳化深度位置下的传感器返回的光谱中的FSR，可以推断出滑动活塞杆的位移ΔL，进一步可以推断出反应区域内高分子化合物的反应状况，从而推断出传感器所在环境的pH值情况，进一步建立位移ΔL和pH值之间的数学关系：

pH＝F(ΔL)

进而得到传感器所在区域的混凝土保护层的碳化情况。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型将法布里—铂罗腔和对pH敏感的高分子聚合物相结合，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碳化深度的连续实时监测。

(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，实现对混凝土碳化深度的无损监测。

(4)本实用新型采用解调仪从光谱图中推算碳化深度，抗干扰性强，监测结果较准确。

(5)本实用新型制作相对简单，使用方便，且造价合理，可以实现对结构表面混凝土保护层碳化深度实时监测，适合推广，具有较高的应用前景。

附图说明

图1为本实用新型基于法布里-铂罗腔的监测混凝土碳化深度(pH值)的光纤传感器；

图2为本实用新型工作原理图；

图3为本实用新型基于法布里-铂罗腔的监测混凝土碳化深度(pH值)的光纤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4为本实用新型实际应用时一种类型的内部立面示意图；

图5为本实用新型实际应用时一种类型的外观示意图；

图6为本实用新型实际应用时一种类型的顶面示意图；

图中：1滑动活塞杆；2不锈钢外壳；3FP光纤；4小孔；5化学反应区域；6反光端面；7光纤陶瓷卡套；8密封圈；9滑动活塞；10对pH值敏感的高分子聚合物；11光纤解调仪。

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。

如示意图所示，一种用于监测混凝土碳化深度(pH值)的光纤传感器，包括滑动活塞杆1、不锈钢外壳2、FP光纤3、小孔4和化学反应区域5；

所述的滑动活塞杆1包括可以反光的端面6和分割出化学反应区域5的滑动活塞9。

所述的不锈钢材外壳2在反应区域外部开适量尺寸合适的小孔4；

所述的FP光纤3与滑动活塞杆1的反光端面6形成法布里—铂罗腔。

所述的FP光纤3由光纤陶瓷卡套7支撑。

所述的FP光纤3作为输入输出光纤，通过密封圈8所在处的通孔插入传感器内部。

所述化学反应区域5内填充有对pH值敏感的高分子聚合物10。

所述的监测混凝土碳化深度的光纤传感器，反应区域的不锈钢材外壳2处分布有适量的合适尺寸的小孔4，以保证传感器外部酸碱性离子能充分进入传感器内部并与对pH值敏感的高分子聚合物10接触并发生化学反应。

所述的监测混凝土碳化深度的光纤传感器，小孔4的尺寸和数量可以根据监测环境和内部填充物的不同情况而调整。

所述的监测混凝土碳化深度的光纤传感器，反应区域内填充有适量的合适种类的对pH值敏感的高分子聚合物10。

所述的监测混凝土碳化深度的光纤传感器，对pH值敏感的高分子聚合物10的种类和填充数量可以根据监测工作的不同情况和要求而调整。

所述的监测混凝土碳化深度的光纤传感器，实现反光端面6的方法可以根据监测工作的不同情况和要求以及制作工艺而调整。

所述的监测混凝土碳化深度的光纤传感器，所形成的的法布里—铂罗腔的初始腔长可以根据监测工作不同情况和要求而调整。

所述的监测混凝土碳化深度的光纤传感器，外部光纤解调仪11与FP光纤3相连，监测信号变化。

所述的监测混凝土碳化深度的光纤传感器，当外部酸碱离子通过小孔4进入传感器内部与对pH值敏感的高分子聚合物10反应后引起聚合物体积变化，进而导致滑动活塞杆1移动，从而引起腔长变化，导致与光纤相连的解调仪中光谱信号发生改变，进而反应出被监测环境pH值的变化。

步骤一：采用不锈钢材加工制备示意图所示的活塞杆，其中活塞杆尺寸和反应区域内活塞杆杆翼数目可以根据实际要求调整。

步骤二：将上步活塞杆左端面进行抛光打磨。

步骤三：取两块中间预留有一合适尺寸孔洞的不锈钢半圆板，结合示意图，将两半圆板通过孔洞围绕活塞杆拼接，保证活塞杆可以通过孔洞滑动。

步骤四：使用机具制作一圆柱体空心不锈钢壳，要求根据示意图所示形状制作，保证该不锈钢外壳预留有合适数量的反应区域小孔和合适尺寸的光纤孔。而后将步骤三的两块半圆板外侧与制作的外壳内表面固定。

步骤五：使用甲基丙烯酸烷酯与二甲基氨乙基丙烯酸酯轻度交联形成的凝胶填充反应区域。实际应用时，根据监测环境和监测要求的不同，填充区域的pH敏感性化学反应物质可以根据实际情况有多种选择，如：交联壳聚糖/蚕丝蛋白半互穿网络结构聚合物、聚N,N-二甲氨乙基甲基丙烯酸酯(DMAEMA)-co-丙烯酰胺(AAm)、聚N,N-二甲氨乙基甲基丙烯酸酯(DMAEMA)-co-乙基丙烯酰胺(EAAm)等。但应格外注意，全部反应区域小孔在制作和使用过程中须保持在滑动活塞9右侧。

步骤六：结合示意图，将步骤四制作的不锈钢壳与步骤三的两块半圆板完全固定，固定过程不得破坏步骤五填充的凝胶或其他化学物质，并保证固定完成后滑动活塞杆可以滑动。

步骤七：取一FP光纤，穿过光纤陶瓷卡套，将光纤陶瓷卡套穿过预留光纤孔，保证FP光纤对准步骤二所制作的反光端面。结合示意图使用密封圈密封预留孔。

步骤八：实验室中制备混凝土试件，将制作完成的传感器埋入混凝土试件不同深度，放置于碳化箱里面进行加速碳化试验。碳化试验过程中记录光谱信号偏移和碳化深度的变化，碳化深度采用传统的方法检测。通过建立碳化深度和传感器光谱信号偏移量的关系，完成传感器实验室标定。

步骤九：将标定好的传感器埋入需要监测碳化深度的具体位置，光纤外接解调仪，进行混凝土碳化的监测。

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 (1)

1.一种用于监测混凝土碳化深度的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤传感器包括滑动活塞杆(1)、不锈钢外壳(2)、FP光纤(3)、小孔(4)和化学反应区域(5)；

所述的滑动活塞杆(1)包括可反光的端面(6)和分割出化学反应区域(5)的滑动活塞(9)；

所述的不锈钢外壳(2)在位于化学反应区域(5)的外部开有小孔(4)，以保证光纤传感器外部的酸碱性离子充分进入光纤传感器内部，并与对pH值敏感的高分子聚合物(10)接触并发生化学反应；

所述的FP光纤(3)与滑动活塞杆(1)的反光端面(6)形成法布里—铂罗腔；

所述的FP光纤(3)作为输入输出光纤，由光纤陶瓷卡套(7)支撑，并通过密封圈(8)所在处的通孔插入光纤传感器内部；

所述的化学反应区域(5)内填充有对PH值敏感的高分子聚合物(10)；

当外部酸碱离子通过小孔(4)进入光纤传感器内部与对pH值敏感的高分子聚合物(10)反应后引起聚合物体积变化，进而导致滑动活塞杆(1)移动，从而引起腔长变化，导致与FP光纤(3)相连的光纤解调仪(11)中光谱信号发生改变，进而反应出被监测环境pH值的变化。

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