一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，屬于結(jié)構(gòu)工程和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。它包括長周期光纖光柵傳感，長周期光纖光柵傳感包括光纖光柵段、光纖段和尾端段，還包括基座、鋼筋和水泥砂漿，從左到右依次為光纖光柵段、光纖段和尾端段，光纖光柵段的表面上設(shè)有一層光纖光柵段金屬膜，尾端段的表面上設(shè)有一層尾端段金屬膜，尾端段的端面上設(shè)有一層尾端段端面金屬膜；鋼筋和長周期光纖光柵傳感均放置在基座內(nèi)，基座的外部為一層水泥砂漿。光纖光柵段金屬膜、尾端段金屬膜和尾端段端面金屬膜均為鈀金膜。本實用新型的單端反射式長周期光纖光柵通過折射率來監(jiān)測鋼筋周圍環(huán)境的變化，來判斷鋼筋銹蝕的狀態(tài)。
【專利說明】
一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是結(jié)構(gòu)工程和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài) 的傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 如今，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)憑借其具有良好的耐用性能，應(yīng)用越來越廣泛，但當它工作 在海水等侵蝕的環(huán)境中時，會導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋很容易發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕的 問題不僅會給社會帶來不可估量的經(jīng)濟損失，造成資源材料的浪費，還會在一定程度上降 低鋼筋的使用年限及其承負載能力，損壞鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)，甚至?xí)绊懙饺松戆踩?。?以，關(guān)于研究鋼筋銹蝕的問題具有重要的理論意義和實際意義。目前，鋼筋銹蝕監(jiān)測的方法 很多，大概可以分為物理檢測法、電化學(xué)檢測法、光纖腐蝕傳感器監(jiān)測法這三種。物理檢測 法和電化學(xué)檢測通常是作為定期檢測使用的，而光纖腐蝕傳感器監(jiān)測法能夠?qū)崟r監(jiān)測鋼筋 銹蝕的狀態(tài)，并且又可以分為間接監(jiān)測和直接監(jiān)測。間接監(jiān)測意思是通過對鋼筋銹蝕周圍 環(huán)境的監(jiān)測，從而推斷出鋼筋的銹蝕狀態(tài);直接監(jiān)測則是通過直接監(jiān)測鋼筋本身或者銹蝕 產(chǎn)物等的變化來得到鋼筋的銹蝕程度的信息。
[0003] 光纖光柵傳感具有較高的靈敏度，幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意 形狀的光纖傳感器，可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件，也可以 用于高壓、電氣噪聲、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境，而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。目 前光纖光柵傳感已開始應(yīng)用于混凝土鋼筋銹蝕監(jiān)測領(lǐng)域，這逐漸成為一個越來越讓研究人 員關(guān)注的問題。
[0004] 在現(xiàn)今的光纖腐蝕傳感器技術(shù)中，李俊等人提出了一種新的鋼筋腐蝕光纖光柵傳 感器及溫度補償方法，研究利用光纖布喇格光柵測量鋼筋的應(yīng)變來監(jiān)測鋼筋銹蝕的狀態(tài)， 同時單獨設(shè)置一個不銹鋼光纖光柵傳感器來測量由于溫度引起的應(yīng)變，但只能用于鋼筋銹 蝕的早期監(jiān)測;劉宏月等人利用長周期光纖光柵敏感的折射率的特性來監(jiān)測鋼筋銹蝕的程 度和速度，發(fā)現(xiàn)長周期光纖光柵比光纖布喇格光柵探測的范圍大，靈敏度也較高;王彥等人 利用長周期光纖光柵的微彎特性來監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕。但是以上采用的長周期 光纖光柵都是透射式結(jié)構(gòu)，所采用的儀器設(shè)備較多，且成本高，在實際監(jiān)測過程非常不方 便，導(dǎo)致工程應(yīng)用并不廣泛。
[0005] 中國發(fā)明專利，授權(quán)公告號：CN 101042328 B，授權(quán)公告日2010.10.06,涉及長周 期光纖光柵的鋼筋腐蝕監(jiān)測方法及其傳感器，屬于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。該 發(fā)明是利用貼著鋼筋的位置平直地放置一根長周期光纖光柵，定期由光譜儀觀察長周期光 纖光柵的透射譜變化，以此判斷光柵是否發(fā)生了彎曲，并推斷鋼筋腐蝕的程度與速率。該發(fā) 明通過對埋入的長周期光纖光柵的透射譜監(jiān)測，可以實現(xiàn)在不損傷混凝土表面的前提下， 對任何環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件中的鋼筋腐蝕情況進行長期監(jiān)測，準確確定引起鋼筋腐蝕的 程度及速率，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性檢測和評估。其不足之處在 于：1)該發(fā)明中是通過光柵的微彎特性來監(jiān)測鋼筋銹蝕的狀態(tài)，鋼筋銹蝕引致光柵的微彎 已是鋼筋銹蝕的早中期階段，該方法無法對鋼筋銹蝕的早期階段提前進行監(jiān)測及預(yù)警;2) 該發(fā)明需要使用寬帶光源及光譜儀這種大型昂貴設(shè)備進行定期監(jiān)測，使用不便，成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 1.發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)中光纖光柵傳感器在監(jiān)測鋼筋銹蝕中存在的問題，本發(fā)明提處了一 種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器。它克服長周期光纖光柵在監(jiān)測過程中探測不方便的困難， 進一步改善長周期光纖光柵監(jiān)測的性能。
[0008] 2.技術(shù)方案
[0009] 為解決上述問題，本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0010] -種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，包括長周期光纖光柵傳感，長周期光纖光柵傳 感包括光纖光柵段、光纖段和尾端段，還包括基座、鋼筋和水泥砂漿，從左到右依次為光纖 光柵段、光纖段和尾端段，光纖光柵段的表面上設(shè)有一層光纖光柵段金屬膜，尾端段的表面 上設(shè)有一層尾端段金屬膜，尾端段的端面上設(shè)有一層尾端段端面金屬膜;鋼筋和長周期光 纖光柵傳感均放置在基座內(nèi)，基座的外部為一層水泥砂漿。
[0011] 優(yōu)選地，所述的光纖光柵段金屬膜、尾端段金屬膜和尾端段端面金屬膜均為鈀金 膜。
[0012] 優(yōu)選地，光纖光柵段由內(nèi)至外依次為光纖光柵段纖芯和光纖光柵段金屬膜。
[0013] 優(yōu)選地，尾端段由內(nèi)至外依次為尾端段纖芯和尾端段金屬膜，尾端段的端面有尾 端段端面金屬膜。
[0014]優(yōu)選地，基座內(nèi)設(shè)有支架，長周期光纖光柵傳感放置在支架上，兩端固定在基座 內(nèi)。
[0015]優(yōu)選地，光纖光柵段金屬膜的厚度為50-100nm，尾端段金屬膜、尾端段端面金屬膜 的厚度均為700-1000nm〇
[0016] 優(yōu)選地，所述光纖光柵段的長度為4-6cm，光纖段的長度為l-2cm，尾端段的長度為 l-6cm〇
[0017] -種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器制作工藝，其步驟為：
[0018] A、根據(jù)以上所述的一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，將長周期光纖光柵的一端切 平，形成光纖光柵段和光纖段；
[0019] B、光纖光柵段內(nèi)部是光纖光柵段纖芯，在光纖光柵段表面鍍一層光纖光柵段金屬 膜，長周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng)；
[0020] C、選取普通圓柱形單模光纖，在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜，以 形成高反射率鏡面，在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜，該單模光纖為尾端段；
[0021] D、將光纖段與尾端段熔接，形成探頭傳感結(jié)構(gòu)，構(gòu)成長周期光纖光柵傳感；
[0022] E、選取一根鋼筋，將鋼筋放置在基座內(nèi)，在基底內(nèi)部填充酚醛樹脂，同時將鋼筋混 凝土孔隙液滲透到酚醛樹脂內(nèi)；
[0023] F、基座內(nèi)設(shè)有支架，長周期光纖光柵傳感放置在支架上，兩端固定在基座內(nèi)；
[0024] G、基座用水泥砂漿澆筑。
[0025]優(yōu)選地，長周期光纖光柵傳感的兩端采用環(huán)氧樹脂膠進行固定。
[0026] -種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器的鋼筋銹蝕監(jiān)測方法，其步驟為：
[0027] A、根據(jù)以上所述的一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，將光纖光柵段1引出的傳輸 線纜與光纖光柵解調(diào)儀連接，光纖光柵解調(diào)儀的精度與光譜儀的精度對比連接；
[0028] B、光纖光柵解調(diào)儀通道內(nèi)部發(fā)出的光依次經(jīng)過光纖光柵段、光纖段和尾端段； [0029] C、光在光纖光柵段上發(fā)生SPR效應(yīng)，通過光纖段到達探頭傳感端面；
[0030] D、光從探頭傳感端面被反射回來，依次經(jīng)過尾端段、光纖段和光纖光柵段，發(fā)生 SPR效應(yīng)，且與前向傳輸?shù)墓獍l(fā)生自干涉效應(yīng)，返回到光纖光柵解調(diào)儀通道內(nèi)；
[0031] E、光纖光柵解調(diào)儀將光傳輸過程中的光譜顯示出來；
[0032] F、把鋼筋銹蝕的狀態(tài)和光譜的諧振峰波長的偏移聯(lián)系起來，從而計算出實際中鋼 筋銹蝕的狀態(tài)。
[0033] 3.有益效果
[0034] 采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：
[0035] (1)本發(fā)明的長周期光纖光柵折射率的敏感性，能夠監(jiān)測出鋼筋周圍環(huán)境的變化， 而環(huán)境中的氯離子濃度是影響鋼筋銹蝕狀態(tài)的主要原因，本發(fā)明的傳感器能夠檢測出鋼筋 所在環(huán)境中的氯離子濃度，光譜的諧振峰波長的偏移反映出鋼筋所在環(huán)境中的氯離子濃度 值，根據(jù)氯離子濃度與鋼筋銹蝕之間的關(guān)系，進而從光譜的諧振峰波長的偏移，判斷出鋼筋 銹蝕的狀態(tài)；
[0036] (2)本發(fā)明利用酚醛樹脂的透水性，保證傳感器內(nèi)的鋼筋與外界鋼筋所處的環(huán)境 相同，基座的材料為不銹鋼;結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，抗振動，抗沖擊，解決了長周期光纖光柵 在實際使用過程中監(jiān)測不方便的問題；
[0037] (3)本發(fā)明在光纖光柵段表面鍍一層光纖光柵段金屬膜，在尾端段的端面鍍一層 尾端段端面金屬膜，以形成高反射率鏡面，在尾端段的表面鍍一層尾端段金屬膜，鍍膜的方 法是:采用鍍膜設(shè)備HUMMER離子鍍膜儀，鍍膜材料為鈀金，選擇鈀金的原因是由于其具有高 反射率、不易氧化，從而提高了監(jiān)測的靈敏度，極易與光纖附著粘合，鍍膜時間為5min，鍍膜 后端面反射率可達75 %，尾端段端面金屬膜作為全波段的端面反射鏡，并且光纖光柵段到 尾端段端面金屬膜的中間存在一定的距離，這樣就形成一種單端反射式長周期光纖光柵；
[0038] (4)本發(fā)明通過光纖光柵解調(diào)儀通道內(nèi)部發(fā)出的光經(jīng)過本發(fā)明的傳感器后，被反 射回光纖光柵解調(diào)儀并顯示光譜，不需要采用寬帶光源及光譜儀進行測量，從而節(jié)省了成 本，便于在實踐中推廣使用，且不要占用較多人力；
[0039] (5)本發(fā)明的這種光纖段和尾端段分開式的結(jié)構(gòu)，使得尾端段能夠選擇具有一些 特殊性質(zhì)的光纖，且在使用過程中，端部容易受外界碰觸而損壞，而分段式結(jié)構(gòu)易于更換端 部結(jié)構(gòu)；
[0040] (6)光從探頭傳感端面被反射回來，依次經(jīng)過尾端段、光纖段和光纖光柵段，發(fā)生 SPR效應(yīng)，且與前向傳輸?shù)墓獍l(fā)生自干涉效應(yīng)，返回到光纖光柵解調(diào)儀通道內(nèi)；前向傳輸?shù)?光與反向傳輸?shù)墓獍l(fā)生自干涉效應(yīng)，使諧振峰值更大，起到了信號放大的作用，提高了測量 的精度和檢測的靈敏度。
【附圖說明】
[0041 ]圖1為本發(fā)明的長周期光纖光柵結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042] 圖2為應(yīng)用本發(fā)明的傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)圖；
[0043] 圖3為本發(fā)明的傳感器俯視結(jié)構(gòu)圖；
[0044] 圖4為本發(fā)明的傳感器的側(cè)面圖；
[0045] 圖5為水泥砂衆(zhòng)封裝圖。
[0046] 圖中標號名稱：
[0047] 1、光纖光柵段;2、光纖段;3、尾端段;4、光纖光柵段纖芯;5、光纖段纖芯;6、尾端段 纖芯;61、探頭傳感端面;7、光纖光柵段金屬膜;8、尾端段金屬膜;9、尾端段端面金屬膜;10、 光纖光柵解調(diào)儀；11、長周期光纖光柵傳感；111、支架；12、基座；121、酚醛樹脂；13、鋼筋； 14、水泥砂漿。
【具體實施方式】
[0048] 為進一步了解本發(fā)明的內(nèi)容，結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作詳細描述。
[0049] 實施例1
[0050] 結(jié)合圖1-5，一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，包括長周期光纖光柵傳感11，長周 期光纖光柵傳感11包括光纖光柵段1、光纖段2和尾端段3,還包括支架111、基座12、鋼筋13 和水泥砂漿14,從左到右依次為光纖光柵段1、光纖段2和尾端段3,光纖光柵段1的表面上設(shè) 有一層光纖光柵段金屬膜7，光纖光柵段1由內(nèi)至外依次為光纖光柵段纖芯4和光纖光柵段 金屬膜7。尾端段3的表面上設(shè)有一層尾端段金屬膜8,尾端段3的端面上設(shè)有一層尾端段端 面金屬膜9;尾端段3由內(nèi)至外依次為尾端段纖芯6和尾端段金屬膜8，尾端段3的端面有尾端 段端面金屬膜9。光纖光柵段纖芯4與光纖段纖芯5為整體纖芯，選擇用單模光纖;尾端段纖 芯6也為單模光纖。光纖光柵段1的長度為4-6cm，光纖段2的長度為l-2cm，尾端段3的長度為 l-6cm〇
[0051] 光纖光柵段金屬膜7、尾端段金屬膜8和尾端段端面金屬膜9均為鈀金膜，光纖光柵 段金屬膜7的厚度為50-IOOnm，尾端段金屬膜8、尾端段端面金屬膜9的厚度均為700-1000 nm 0
[0052]鋼筋13放置在基座12內(nèi)，基座12內(nèi)設(shè)有支架111，長周期光纖光柵傳感11放置在支 架111，兩端固定在基座12內(nèi)，基座12的外部為一層水泥砂漿14,水泥砂漿14封裝的厚度為 15-30mm〇
[0053]本發(fā)明的這種光纖段2和尾端段3分開式的結(jié)構(gòu)，使得尾端段3能夠選擇具有一些 特殊性質(zhì)的光纖，如彎曲不敏感光纖、超低損耗單模光纖等，且在使用過程中，端部容易受 外界碰觸而損壞，而分段式結(jié)構(gòu)易于更換端部結(jié)構(gòu)。
[0054] 實施例2
[0055] 與實施例1的傳感結(jié)構(gòu)相同，一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器的制作工藝，其步驟 為：
[0056] A、根據(jù)以上所述的一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，將長周期光纖光柵的一端切 平，形成光纖光柵段1和光纖段2;
[0057] B、光纖光柵段1內(nèi)部是光纖光柵段纖芯4,在光纖光柵段1表面鍍一層光纖光柵段 金屬膜7，長周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng)；
[0058] C、選取普通圓柱形單模光纖，在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜9,以 形成高反射率鏡面，在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜8，該單模光纖為尾端段3;
[0059] D、將光纖段2與尾端段3熔接，形成探頭傳感結(jié)構(gòu)，構(gòu)成長周期光纖光柵傳感11;
[0060] E、選取一根鋼筋13,將鋼筋13放置在基座12內(nèi)，在基底12內(nèi)部填充酚醛樹脂121， 同時將鋼筋混凝土孔隙液滲透到酚醛樹脂121內(nèi)；
[0061] F、基座12內(nèi)設(shè)有支架111，長周期光纖光柵傳感11放置在支架111上，兩端固定在 基座12內(nèi)；長周期光纖光柵傳感11的兩端采用環(huán)氧樹脂膠進行固定；
[0062] G、基座12用水泥砂漿14澆筑，水泥砂漿14封裝的厚度為15-30mm，這樣能夠使得基 座12中的鋼筋13所在的環(huán)境與基座12外部環(huán)境相同，即氯離子濃度相同，如果水泥砂漿14 封裝的太厚，基座12外部空氣進不來，檢測到的基座12的氯離子濃度并非建筑物的鋼筋實 際所處的環(huán)境，監(jiān)測數(shù)值誤差較大，不具有代表性，沒有參考意義;如果水泥砂漿14封裝的 太薄，又不能夠起到固定支撐的作用，基座12以及基座12內(nèi)部的結(jié)構(gòu)部件將不能穩(wěn)固安全 的存在。
[0063] 實施例3
[0064] 與實施例1和2類似，一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器的鋼筋銹蝕監(jiān)測方法，其步 驟為：
[0065] A、將光纖光柵段1引出的傳輸線纜與光纖光柵解調(diào)儀10連接，光纖光柵解調(diào)儀10 的精度與光譜儀的精度對比連接；
[0066] B、光纖光柵解調(diào)儀10通道內(nèi)部發(fā)出的光依次經(jīng)過光纖光柵段1、光纖段2和尾端段 3，
[0067] C、光在光纖光柵段1上發(fā)生SPR效應(yīng)，通過光纖段2到達探頭傳感端面61;
[0068] D、光從探頭傳感端面61被反射回來，依次經(jīng)過尾端段3、光纖段2和光纖光柵段1， 發(fā)生SPR效應(yīng)，且與前向傳輸?shù)墓獍l(fā)生自干涉效應(yīng)，返回到光纖光柵解調(diào)儀10通道內(nèi)；前向 傳輸?shù)墓馀c反向傳輸?shù)墓獍l(fā)生自干涉效應(yīng)，這種自干涉效應(yīng)對環(huán)境折射率也尤為敏感，與 本身的SPR效應(yīng)相結(jié)合，能夠大幅度提高傳感器對環(huán)境折射率的靈敏度，即提高檢測靈敏 度。
[0069] E、光纖光柵解調(diào)儀10將光傳輸過程中的光譜顯示出來；
[0070] F、把鋼筋銹蝕的狀態(tài)和光譜的諧振峰波長的偏移聯(lián)系起來，從而計算出實際中鋼 筋銹蝕的狀態(tài)。
[0071] 對于我國沿海的混凝土結(jié)構(gòu)而言，氯離子侵蝕是造成混凝土中鋼筋銹蝕的主要原 因之一。氯離子侵入混凝土，導(dǎo)致混凝土內(nèi)鋼筋失去鈍化膜保護，是混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕 的先決條件。在氯腐蝕環(huán)境下，氯離子從混凝土外表面向內(nèi)擴散，當鋼筋表面氯離子濃度超 過一定含量，鋼筋就會以較快速度開始腐蝕，該閾值稱為臨界氯離子濃度。因此，若能對鋼 筋周圍氯離子濃度進行監(jiān)測，判斷其是否達到臨界氯離子濃度，則能夠?qū)崿F(xiàn)對鋼筋的早期 銹蝕監(jiān)測。
[0072] 文南犬Diamond S, chloride concentration in concrete pore solution resulting from calcium and sodium chloride admixtures[M],cement concrete and aggregates，1986中給出了不同PH堿溶液中鋼的[Cl ]/[OF]臨界值，如下表：
[0073] 表1不同PH堿溶液中鋼的[C1 ] / [ 0Η?臨界值
[0075] 考慮到一般混凝土氫氧化|丐的值為2750mol/m3,而溶解度為220mol/m 3，即[0H-]為 44mol/m3，如取[Cl ]/[0H_]等于0.6，則相應(yīng)的氯離子濃度可計算為26.4mol/m3，換算得鋼筋 開始銹蝕時的氯離子臨界濃度為0.9372*10-6kg/cm 3。由此可見，氯離子濃度與鋼筋銹蝕有 直接的關(guān)系。
[0076] 本發(fā)明的長周期光纖光柵折射率的敏感性，能夠監(jiān)測出鋼筋周圍環(huán)境的變化，而 環(huán)境中的氯離子濃度是影響鋼筋銹蝕狀態(tài)的主要原因，本發(fā)明的傳感器能夠檢測出鋼筋所 在環(huán)境中的氯離子濃度，光譜的諧振峰波長的偏移反映出鋼筋所在環(huán)境中的氯離子濃度 值，根據(jù)以上所述，氯離子濃度與鋼筋銹蝕之間的關(guān)系，進而從光譜的諧振峰波長的偏移， 判斷出鋼筋銹蝕的狀態(tài)。
[0077] 本發(fā)明通過光纖光柵解調(diào)儀10通道內(nèi)部發(fā)出的光經(jīng)過本發(fā)明的傳感器后，被反射 回光纖光柵解調(diào)儀10并顯示光譜，不需要采用寬帶光源及光譜儀進行測量，從而節(jié)省了成 本，便于在實踐中推廣使用，且不要占用較多人力。
[0078] 實施例4
[0079]本實施例與實施例1類似，不同之處在于，利用酚醛樹脂121的透水性，保證傳感器 內(nèi)的鋼筋13與外界鋼筋所處的環(huán)境相同，基座12的材料為不銹鋼;本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于操 作，抗振動，抗沖擊，解決了長周期光纖光柵在實際使用過程中監(jiān)測不方便的問題；
[0080] 在長周期光纖光柵10表面涂覆的金屬膜是鈀金膜，鈀金膜具有高反射率，不易氧 化，極易與光纖附著粘合。將鋼筋混凝土孔隙液滲透到酚醛樹脂121內(nèi)，采用溫度補償?shù)姆?法，將其去敏，有效分1?氯尚子濃度。
[0081] 采用探頭傳感端面61結(jié)構(gòu)，是為了將透射式長周期光纖光柵變?yōu)榉瓷涫降?，支?111是Y型，材料為不銹鋼，并且通過焊接的方式固定在鋼筋13上，兩個Y型支架111之間的距 離大約為15cm。支架111在同一水平面上，且與鋼筋13距離大約4-6mm。水泥封裝的厚度大約 為15_30mm 〇
[0082] 實施例5
[0083] -種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，所需要的材料有剝線鉗、光纖切割刀、熔接機、 酒精栗、棉花、環(huán)氧樹脂膠、酚醛樹脂121、不銹鋼材料、長周期光纖光柵、金屬膜、Y型支架 111、水泥砂漿14等。結(jié)合圖1-5，以下為具體步驟：
[0084] 1.選取一根直徑為25mm的鋼筋13,將鋼筋13按照圖1放置。
[0085] 2.在不銹鋼基座12內(nèi)部填充酚醛樹脂121，同時將鋼筋混凝土孔隙液滲透到酚醛 樹脂121內(nèi)，用于模擬鋼筋13所在的環(huán)境。
[0086] 3.用剝線鉗將長周期光纖光柵10的保護層、涂覆層以及包層去除，得到4-5cm的裸 光纖，用沾有酒精的棉花將纖芯表面擦拭干凈，然后將長周期光纖光柵放在光纖切割刀上 面把端面切平，形成光纖光柵段1和光纖段2。然后取一段純光纖，將其端面切平，形成尾端 段3,同樣用酒精擦拭潔凈，通過光纖熔接機將尾端段3熔接在光纖段2的端面，然后在光纖 光柵段1表面鍍一層光纖光柵段金屬膜7，在尾端段3的端面鍍一層尾端段端面金屬膜9，以 形成高反射率鏡面，在尾端段3的表面鍍一層尾端段金屬膜8，鍍膜的方法是:采用鍍膜設(shè)備 HUMMER離子鍍膜儀，鍍膜材料為鈀金，選擇鈀金的原因是由于其具有高反射率、不易氧化， 從而提高了監(jiān)測的靈敏度，極易與光纖附著粘合，鍍膜時間為5min，鍍膜后端面反射率可達 75%，尾端段端面金屬膜9作為全波段的端面反射鏡，并且光纖光柵段1到尾端段端面金屬 膜9的中間存在一定的距離，這樣就形成一種單端反射式長周期光纖光柵。
[0087] 4.將單端反射式長周期光纖光柵拉直，放置在Y型支架111上，長周期光纖光柵這 一端用環(huán)氧樹脂膠進行固定。
[0088] 5.最后用水泥砂漿14澆注，水泥封裝的厚度大約15-30_，使其整個監(jiān)測系統(tǒng)抗振 動，抗沖擊，一種單端反射式長周期光纖光柵的鋼筋銹蝕監(jiān)測傳感器制作完成。
[0089] 6.鋼筋銹蝕的監(jiān)測的儀器使用的是光纖光柵傳感解調(diào)儀10,選用Micronoptics SM-125,從而來監(jiān)測鋼筋銹蝕的狀態(tài)。
[0090] 實施例6
[0091 ] 下面論述單端反射長周期光纖光柵探頭（Single Coating Long-period-fiber grating，SCLPG)的傳感原理。
[0092] 本實施例是對所有實施例的原理論述，單端反射長周期光纖光柵探頭（Single Coating Long-period-fiber grating，SCLPG)的傳感原理：
[0093] LPFG的模式耦合屬于纖芯基模LPOl與同向傳輸?shù)囊浑A包層模LPOm之間的耦合。由 耦合模理論可知，長周期光纖光柵的相位匹配條件可由式表示：
[0094]
[0095] %，<廣分別為光纖纖芯和第m次包層模的有效折射率。纖芯基模的有效折射率 ?由纖芯折射率m和包層折射率n 2決定，而包層模的有效折射率與m，n2有關(guān)的同時，還與 環(huán)境折射率nsur有關(guān)，當環(huán)境折射率變化將引起包層模有效折射率的變化，進而引起諧振波 長Al的漂移。因此，LPFG的諧振波長對外界環(huán)境折射率的變化尤為敏感，對一周期固定的 LPFG，有：
[0096]
[0097]同時，隨著環(huán)境折射率nsur的變化，LPFG在諧振波長Al處的透射率T也相應(yīng)發(fā)生變 化：
[0098] T = sin2(kL)
[0099] 其中
％纖芯基模與包層模之間的耦合系數(shù)，L為光柵長度。
[0100]
[0101] I為纖芯區(qū)域內(nèi)基模與包層模的交叉積分。其中=EmEcdad分別為纖芯基模和包層 模的電場幅值，Dn。。為纖芯的調(diào)制率，a為纖芯半徑。
[0102] 由此可見，當LPFG受到外界折射率發(fā)生變化時，將引起包層模有效折射率的變 化，由此使諧振波長k發(fā)生漂移，同時，的變化也改變積分I值，從而引起耦合系數(shù)k的變 化，進而使得諧振波長k對應(yīng)的透射率發(fā)生變化，即LPFG的整個透射譜發(fā)生變化。
[0103] 長周期光纖光柵的光柵周期一般在100M1以上，它基于光纖內(nèi)滿足相位匹配條件 的同向模式之間的諧振耦合，是將前向傳輸?shù)膶?dǎo)模與其他前向?qū)；蚯跋蜉椛淠Ｖg耦 合，將光波中某頻帶的光耦合到包層中去而損耗掉，因此無后向反射。而當在光柵端面鍍上 反射率高的金屬膜之后，本來經(jīng)過LPFG的透射光將在端面反射，形成單端反射長周期光纖 光柵探頭。并且經(jīng)實驗驗證，其同樣具有溫度、折射率傳感特性。
[0104] 在環(huán)境折射率小于包層模折射率1.458左右時，諧振波長隨著環(huán)境折射率的增加 向短波方向偏移，在靠近包層折射率時，偏移量顯著變大，此時LPFG對折射率的敏感性增 加；當環(huán)境折射率增加到等于包層折射率時，此時可認為包層半徑無限大，耦合峰全部消 失;而當環(huán)境折射率繼續(xù)增大到高于包層折射率時，諧振波長重新在初始位置出現(xiàn)，且隨著 折射率的繼續(xù)增加，諧振峰位置幾乎不變，但此時耦合強度降低，透射率增加，諧振峰深度 變淺。通過實驗可知，鋼筋銹蝕較嚴重時，銹水折射率為1.3536,仍小于包層模的折射率 1.458，即仍然處于可監(jiān)測范圍。
[0105] 實施例7
[0106] 本實施例與實施例1類似，其中不同之處在于，光纖光柵段1的長度為4cm，光纖段2 的長度為lcm，尾端段3的長度為Icm;光纖光柵段金屬膜7的厚度為50nm，尾端段金屬膜8、尾 端段端面金屬膜9的厚度均為700nm;水泥砂衆(zhòng)14封裝的厚度為15mm。
[0107] 實施例8
[0108]本實施例與實施例1類似，其中不同之處在于，光纖光柵段1的長度為6cm，光纖段2 的長度為2cm，尾端段3的長度為6cm;光纖光柵段金屬膜7的厚度為IOOnm，尾端段金屬膜8、 尾端段端面金屬膜9的厚度均為I OOOnm;水泥砂衆(zhòng)14封裝的厚度為30mm。
[0109] 實施例9
[0110] 本實施例與實施例1類似，其中不同之處在于，光纖光柵段1的長度為5cm，光纖段2 的長度為1.5cm，尾端段3的長度為5cm;光纖光柵段金屬膜7的厚度為70nm，尾端段金屬膜8、 尾端段端面金屬膜9的厚度均為900nm;水泥砂衆(zhòng)14封裝的厚度為28mm。
[0111] 以上示意性的對本發(fā)明及其實施方式進行了描述，該描述沒有限制性，附圖中所 示的也只是本發(fā)明的實施方式之一，實際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以，如果本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下，不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計出與該技術(shù)方案 相似的結(jié)構(gòu)方式及實施例，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，包括長周期光纖光柵傳感（11)，其特征在于，長周 期光纖光柵傳感（11)包括光纖光柵段（1)、光纖段(2)和尾端段(3)，還包括基座（12)、鋼筋 (13)和水泥砂漿（14)，從左到右依次為光纖光柵段（1)、光纖段(2)和尾端段(3)，光纖光柵 段（1)的表面上設(shè)有一層光纖光柵段金屬膜(7)，尾端段(3)的表面上設(shè)有一層尾端段金屬 膜(8)，尾端段(3)的端面上設(shè)有一層尾端段端面金屬膜(9);鋼筋（13)和長周期光纖光柵傳 感(11)均放置在基座(12)內(nèi)，基座(12)的外部為一層水泥砂漿(14)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，其特征在于，所述的光纖光 柵段金屬膜(7)、尾端段金屬膜(8)和尾端段端面金屬膜(9)均為鈀金膜。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，其特征在于，光纖光柵段 (1)由內(nèi)至外依次為光纖光柵段纖芯(4)和光纖光柵段金屬膜(7)。4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，其特征在于，尾端段(3)由 內(nèi)至外依次為尾端段纖芯(6)和尾端段金屬膜(8)，尾端段(3)的端面有尾端段端面金屬膜 (9)〇5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，其特征在于，基座（12)內(nèi)設(shè) 有支架(111)，長周期光纖光柵傳感(11)放置在支架(111)上，兩端固定在基座(12)內(nèi)。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，其特征在于，光纖光柵段金 屬膜（7)的厚度為50-1 OOnm，尾端段金屬膜（8)、尾端段端面金屬膜（9)的厚度均為700-lOOOnm。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種監(jiān)測鋼筋銹蝕狀態(tài)的傳感器，其特征在于，所述光纖光柵 段(1)的長度為4-6cm，光纖段(2)的長度為l-2cm，尾端段(3)的長度為l-6cm〇
【文檔編號】G01N17/00GK205665152SQ201620564612
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月3日
【發(fā)明人】王彥, 劉加萍, 孔正義
【申請人】安徽工業(yè)大學(xué)