監測金屬鏽蝕的光纖傳感裝置的製作方法

2023-06-03 10:26:56

專利名稱：監測金屬鏽蝕的光纖傳感裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光纖傳感，特別是一種監測金屬鏽蝕的光纖傳感裝置，主要應用於鋼索、鋼筋混凝土的大橋、道路、房屋等建築物中使用的鋼材在空氣中發生鏽蝕情況的監測，也可以用於監測鋁材和其他金屬材料的結構在各種氣氛環境中被腐蝕的狀況。
背景技術：
鋼筋混凝土和鋼索是現代基礎設施中使用最廣泛的建築結構材料。鋼材具有高強度、易加工、地球上資源豐富的優點，但是作為鋼材主要成分的鐵，在水分和氧氣的作用下很容易被氧化鏽蝕。鋼索和鋼筋發生鏽蝕，將導致結構強度下降，甚至導致結構坍塌而造成人的生命和財產的巨大損失。鋁材或其他金屬材料也是人們廣泛使用的結構材料，比如飛機等運輸器具和多種公用設施。雖然鋁材相對於鋼鐵不易鏽蝕，但是在某些場合，比如在鹽霧區域，也仍然存在鏽蝕變質的問題。為了解決結構材料的鏽蝕老化的問題，人們採取油漆、電鍍、電化學等技術以減輕鏽蝕的速度和程度。但是這些措施不可能完全防止鏽蝕的發生。因此人們必須在防鏽的同時，隨時了解、監測這些材料被腐蝕的情況，以便及時採取防範措施。在線監測鋼材等金屬材料的鏽蝕狀態，掌握腐蝕速度及其變化規律，對於確保建築結構安全運行，具有十分重要的意義和經濟價值。
為了監測金屬結構材料的鏽蝕狀況，人們已經提出了若干技術方案。在先技術之一[[陳偉民等，光子學報第28卷第2期129-133頁1999年]，是利用金屬塗復光纖的傳輸損耗隨金屬層被腐蝕程度的變化來感知金屬的鏽蝕狀況。這一方法的傳感頭製作比較困難，首先要將已經很細的光纖腐蝕得更細，再在其表面製作金屬化，代價較高。據實驗數據，對於金屬材料的初期鏽蝕不大敏感。在先技術之二[P.L.Fuhr等，Proceeding SPIE，1995，24462～8]，是測量金屬鏽蝕後表面顏色的變化來感知材料被腐蝕狀況的。在這一方法中光纖只是起到導光的作用。這一方法的缺點是色譜測量和分析的成本較高；材料顏色隨鏽蝕的變化比較複雜，容易受到其他環境情況變化的影響。在先技術之三[K.D.Benntt，Proceeding SPIE，1995，244671～82]，是採用一個鏽蝕保險絲，該保險絲固定一個小的光纖環，因此增加了光纖的損耗。當保險絲腐蝕斷的時候，光纖環恢復平直，損耗減小。因而可以對於金屬材料鏽蝕情況給出報警。這一方法的優點是信號可靠，但是對於初期鏽蝕情況不敏感。不適用於早期和正常運行期的監測。

發明內容
為了克服在先技術的缺點，更好地滿足金屬鏽蝕狀況監測的實際需求，本發明提出一種監測金屬鏽蝕的光纖傳感裝置，它是利用光波相位受金屬材料鏽蝕狀況影響作為傳感原理的光纖傳感裝置。它應具有結構簡單，製作容易，可以獲得高靈敏度；可以構成多觀察點的分布式監控系統。
本發明的技術解決方案如下一種監測金屬鏽蝕的光纖傳感裝置，其特徵在於包括一探測頭是由第一光纖在待監測金屬結構材料上纏繞N圈構成；一參考頭是由第二光纖在一與待監測金屬結構材料構形和半徑相同的耐腐蝕材料上纏繞N圈構成；所述的探測頭的第一光纖的一端與參考頭的第二光纖的一端經分束比為1∶1的第一光纖耦合器耦合併形成第一埠和第二埠，所述的第一光纖和第二光纖的另一端經分束比為1∶1的第二光纖耦合器耦合併形成第三埠和第四埠。
所述的光纖圈數N的取值為N≥1的正整數。
所述的金屬結構材料的外形為圓柱體。
所述的第三埠和第四埠閉合形成一光纖環形鏡。
所述的探測頭是由第一光纖在待監測金屬結構材料製成的模擬監測圓柱體上纏繞N圈構成的。
該光纖傳感裝置是由多個所述的探測頭和多個參考頭分別串聯構成的。
一種監測金屬鏽蝕的光纖傳感裝置，其特徵在於探測頭是由第一光纖在待監測金屬結構材料上纏繞N圈後，該第一光纖的兩端經一分束比為1∶1的第三光纖耦合器耦合成一薩格納克(Sagnac)環而構成。
本發明的特點和優點是(1)本發明的傳感器結構簡單，製作容易，與在先技術相比具有較好的魯棒性。
(2)本發明可以根據需要進行設計和製作。採用多的光纖圈數，可以獲得高的初期鏽蝕靈敏度；採用大拉伸應力條件下繞制光纖環，可以滿足較寬的鏽蝕程度範圍的監測需要。
(3)本發明可以採用若干光纖光路實現多觀察點的分布式監控系統。


圖1為本發明的光纖環的結構示意圖；圖2為本發明的多圈光纖環的立體示意圖；圖3為本發明實施例1——馬赫-曾德幹涉儀方案示意圖；圖4為本發明實施例2——麥可遜幹涉儀方案示意圖；圖5為本發明實施例3——薩格納克(Sagnac)幹涉儀方案示意圖；圖6為本發明在多股鋼索上多圈光纖環方案的立體示意圖；圖7為本發明的具有補償溫度效應的多段材料補償方案的立體示意圖。
具體實施例方式
先請參閱圖3，圖3本發明實施例1——馬赫-曾德幹涉儀示意圖，由圖可見，本發明監測金屬鏽蝕的光纖傳感裝置，其構成包括一探測頭A是由第一光纖2在外形為圓柱體的待監測金屬結構材料1上纏繞N圈構成；
一參考頭B是由第二光纖21在一與待監測金屬結構材料1構形和半徑相同的耐腐蝕材料4上纏繞N圈構成；所述的探測頭A的第一光纖2的一端與參考頭B的第二光纖21的一端經分束比為1∶1的第一光纖耦合器5耦合併形成第一埠01和第二埠02，所述的第一光纖2和第二光纖21的另一端經分束比為1∶1的第二光纖耦合器51耦合併形成第三埠03和第四埠04。
所述的光纖圈數N的取值為N≥1的正整數。
圖1本發明的光纖環的結構示意圖，是本發明的核心結構。圖中1為圓柱形金屬結構材料，如鋼筋。2為緊密圍繞在金屬結構材料1四周的傳感光纖；光纖圈數N根據具體場合要求，可以是單圈或多圈。3為金屬結構材料的鏽蝕層。圖2為本發明的多圈光纖環的立體示意圖；本發明的工作原理如下當金屬材料1表面發生鏽蝕時，鏽飾層出現金屬的氧化物或者某種鹽類，其體積就會膨脹，從而使纏繞在該材料1上的光纖2受到拉伸的應力。當鏽蝕進一步發展，鏽蝕程度比較嚴重時，由於鏽蝕層3的機械強度遠遠低於金屬材料，鏽蝕層3將發生脫落和坍縮，纏繞在其四周的光纖2所受到的應力將被釋放。因此材料的鏽蝕情況可以從光纖所受應力的變化反映出來。設待監測的金屬結構材料1未鏽蝕時的半徑為R，纏繞的光纖2的圈數為N，光纖2的長度為L1＝2πNR。金屬發生鏽蝕後，其半徑改變量為δR，則光纖2的長度變化量為δL＝2πNδR。可見，只要在待測材料1上纏繞足夠多的光纖圈數N，就可以實現待測材料鏽蝕狀態的高靈敏度監測。
金屬圓柱體鏽蝕引起的光纖應變，可以用光學幹涉的原理進行測量。本發明提出的監測光纖應變的幹涉測量實施例1，如圖3所示。圖中A為待監測的金屬材料構成的探測頭。4為一個由耐腐蝕材料製作的、幾何尺寸與待監測材料相同的圓柱體；四周顫繞長度為L2的光纖21，構成對比參考頭B。將監測頭A和對比參考頭B，用分束比為1∶1的第一光纖耦合器5和第二光纖耦合器51，如圖所示連接起來，構成一個馬赫-曾德幹涉儀結構。功率為I0的光源從圖中所示第一輸入埠01或第二輸入埠02輸入，經過馬赫-曾德幹涉儀兩臂，從第一輸出埠03或第二輸出埠04輸出的光強信號I1可以表示為I1=I02[1+cos2n(L1-L2)]---(1)]]>式中n為光纖的折射率。當材料發生鏽蝕時，探測頭A的第一光纖長度L1發生變化δL，輸出光強信號就會發生變化。從而可以通過幹涉信號的變化探知金屬材料的鏽蝕狀況。
圖4為本發明實施例2——麥可遜幹涉儀方案的示意圖。這是一個修正的麥可遜幹涉儀方案。圖中第二光纖耦合器51的第三埠03和第四埠04連接起來，構成一個光纖環形鏡C。在第二光纖耦合器51的分束比符合1∶1的情況下，從第二光纖耦合器51左邊連接探測頭A和對比參考頭B的兩個埠入射的光波將分別從原埠反方向返回，相當於一個寬帶的全反射鏡。此時從圖中所標的02埠測量得到的信號，是由探測頭A和對比參考頭B以及共同的光纖環形鏡C構成的麥可遜幹涉儀的幹涉信號。由於光波在光纖傳感裝置中要走過一個來回的距離，所以幹涉信號應正比於I1=I02[1+cos4n(L1-L2)]---(2)]]>本發明提出的第二種監測原理，是利用探測頭A光纖環的雙折射特性。圍繞成圓環狀的光纖，在一定條件下會產生雙折射，這是常用的偏振控制器的基本原理。光纖環形鏡C的雙折射相位差反比於光纖環的半徑，正比於光纖環的圈數，並正比於光纖所受到的側向應力。在繞制本發明探測頭A的光纖環時，對光纖施加一定的軸向拉力，繞好後固定。光纖側面同待監測的材料圓柱體1之間達到應力的平衡。這樣，當材料發生鏽蝕時，對光纖側面的應力會發生變化，光纖的雙折射將隨之變化。採用一個偏振光源，對光纖環的雙折射特性進行測量，就可以得到待測材料的鏽蝕狀況的信息。
圖5為本發明實施例3——薩格納克(Sagnac)幹涉儀方案示意圖，是監測光纖環雙折射特性的Sagnac環方案。圖中D為一個將探測頭A的第一光纖2的兩端通過以分束比為1∶1第三光纖耦合器52用光纖連接起來的Sagnac環。6為測試用的光源；7為光電接收器。在這一裝置中，從接收器7得到的光強信號，可以獲得多圈光纖環探測頭A的雙折射特性的變化的信息。
本發明提出的待監測金屬材料圓柱1，可以用需要監測的結構材料相同的金屬材料製作，並採用與建築結構相同的防腐蝕方法，比如油漆等進行表面保護，安置在建築結構所在的環境中。根據建築結構的情況和條件，也可以直接將光纖纏繞在結構材料上。圖6為光纖纏繞在多股鋼索上的傳感頭。圖中2為傳感光纖，8為建築結構的多股鋼索。
根據上述發明內容和原理，可以設計製作本發明的金屬鏽蝕傳感器的探測頭A。但由於光纖基質材料的折射率有一定的溫度相關性，實際器件會由於溫度的波動而產生不穩定性，影響測試數據的可靠性。為了解決光纖馬赫-曾德幹涉儀的溫度穩定性問題，本發明提出如圖7所示的多段材料補償方案，即。圖中1和4分別為待監測鏽蝕狀況的金屬材料和作為對比的耐腐蝕材料。它們被製作成圓盤狀，互相間隔排列，用螺栓9安裝在一起。第一光纖2和第二21分別緊密纏繞在所述圓盤狀材料構成的圓柱材料上。這樣，圖5中所標的監測頭A和對比參考頭B，就能夠很好地處於相同的溫度環境中。就可以利用圖5所示的馬赫-曾德幹涉儀結構，測量鏽蝕引起的幹涉光強的變化。
由以上描述可知，本發明具有結構簡單，製作容易，可以獲得高靈敏度探測；可以採用若干光纖光路構成多觀察點的分布式監控系統。
權利要求
1.一種監測金屬鏽蝕的光纖傳感裝置，其特徵在於包括一探測頭(A)是由第一光纖(2)在待監測金屬結構材料(1)上纏繞N圈構成的；一參考頭(B)是由第二光纖(21)在一與待監測金屬結構材料(1)構形和半徑相同的耐腐蝕材料(4)上纏繞N圈構成；所述的探測頭(A)的第一光纖(2)的一端與參考頭(B)的第二光纖(21)的一端經分束比為1∶1的第一光纖耦合器(5)耦合併形成第一埠(01)和第二埠(02)，所述的第一光纖(2)和第二光纖(21)的另一端經分束比為1∶1的第二光纖耦合器(51)耦合併形成第三埠(03)和第四埠(04)。
2.根據權利要求1所述的光纖傳感裝置，其特徵在於所述的光纖圈數N的取值為N≥1的正整數。
3.根據權利要求1所述的光纖傳感裝置，其特徵在於所述的金屬結構材料(1)的外形為圓柱體。
4根據權利要求1所述的光纖傳感裝置，其特徵在於所述的第三埠(03)和第四埠(04)閉合形成一光纖環形鏡(C)。
5.根據權利要求1所述的光纖傳感裝置，其特徵在於所述的探測頭(A)是由第一光纖(2)在待監測金屬結構材料(1)製成的模擬監測圓柱體(8)上纏繞N圈構成。
6.根據權利要求1所述的光纖傳感裝置，其特徵在於該光纖傳感裝置是由多個所述的探測頭(A)和多個參考頭(B)分別串聯構成的。
7.一種監測金屬鏽蝕的光纖傳感裝置，其特徵在於探測頭(A)是由第一光纖(2)在待監測金屬結構材料(1)上纏繞N圈後，該第一光纖(2)的兩端經一分束比為1∶1的第三光纖耦合器(52)耦合成一薩格納克環而構成。
全文摘要
一種監測金屬鏽蝕的光纖傳感裝置，其構成包括一探測頭是由第一光纖在待監測金屬結構材料上纏繞N圈構成；一參考頭是由第二光纖在一與待監測金屬結構材料構形和半徑相同的耐腐蝕材料上纏繞N圈構成；所述的探測頭的第一光纖的一端與參考頭的第二光纖的一端經分束比為1∶1的第一光纖耦合器耦合併形成第一埠和第二埠，所述的第一光纖和第二光纖的另一端經分束比為1∶1的第二光纖耦合器耦合併形成第三埠和第四埠。本發明具有結構簡單，製作容易，可以獲得高靈敏度探測；可以採用若干光纖光路構成多觀察點的分布式監控系統。
文檔編號G01N21/41GK1657908SQ20051002417
公開日2005年8月24日 申請日期2005年3月2日 優先權日2005年3月2日
發明者方祖捷, 瞿榮輝, 蔡海文, 陽莎, 耿建新 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所