一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器，属于结构工程和光纤传感技术领域。本实用新型专利技术是利用单端反射长周期光纤光栅对环境折射率的敏感性，将其通过水泥砂浆封装后，固定在钢筋笼上，定期由光栅解调仪观察其反射谱的谐振峰值，以此判断光栅周围的折射率变化，并推断钢筋锈蚀的程度与速率。本实用新型专利技术通过对埋入的单端反射长周期光纤光栅的反射谱谐振峰幅值进行监测，可以在不损伤混凝土表面的前提下，对任何环境下钢筋混凝土构件中的任何型号钢筋腐蚀情况进行长期监测，准确确定钢筋锈蚀的程度及速率，应用于结构工程领域中钢筋混凝土结构的耐久性检测和评估。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是结构工程和光纤传感
，主要是应用于钢筋锈蚀监测方面的一种单端反射式长周期光纤光栅传感，尤其涉及一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器。
技术介绍
钢筋混凝土结构凭借其具有良好的耐用性能，应用越来越广泛，但当它工作在海水等侵蚀的环境中时，会导致钢筋混凝土结构中的钢筋很容易发生锈蚀。钢筋锈蚀的问题不仅会给社会带来不可估量的经济损失，造成资源材料的浪费，还会在一定程度上降低钢筋的使用年限及其承负载能力，损坏钢筋混凝土的结构，甚至会影响到人身安全。所以，关于研究钢筋锈蚀的问题具有重要的理论意义和实际意义。对于我国沿海的混凝土结构而言，氯离子侵蚀是造成混凝土中钢筋锈蚀的主要原因之一。氯离子侵入混凝土，导致混凝土内钢筋失去钝化膜保护，是混凝土中钢筋发生锈蚀的先决条件。在氯腐蚀环境下，氯离子从混凝土外表面向内扩散，当钢筋表面氯离子浓度超过一定含量，钢筋就会以较快速度开始腐蚀，该阈值称为临界氯离子浓度。因此，若能对钢筋周围氯离子浓度进行监测，判断其是否达到临界氯离子浓度，则能够实现对钢筋的早期锈蚀监测。目前，钢筋锈蚀监测的方法很多，有物理检测法、电化学检测法、光纤检测法等。相对而言，光纤径细、质轻、灵敏度高、抗强电磁干扰、耐腐蚀、集信息传感和传输于一体，易于实现光纤传感阵列、多点或分布式监测，特别适合于隐蔽部位及肉眼无法看到或接触到的危险区域，在土木工程领域受到极大重视，并在钢筋锈蚀监测方面逐渐成为热点之一。李俊等人提出了采用光纤布喇格光栅测量钢筋的应变来监测钢筋锈蚀的状态，同时另外设置一个光纤光栅传感器进行温度补偿；刘宏月等人利用长周期光纤光栅的折射率敏感特性来监测钢筋锈蚀的程度和速度，但其采用的长周期光纤光栅传感器为透射结构，由于透射结构必须使用宽带光源及光谱仪进行检测，设备价格昂贵，且检测方案必须进行温度补偿；王彦等人利用长周期光纤光栅的微弯特性来监测混凝土结构中的钢筋锈蚀，但是以上采用的长周期光纤光栅都是透射式结构，检测设备昂贵笨重，在实际监测过程非常不方便，导致工程应用并不广泛。
技术实现思路
1.专利技术要解决的技术问题针对现有技术中存在钢筋锈蚀监测中存在的监测灵敏度低的问题。本专利技术提出了一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器，它通过监测传感探头反射谱波长的变化，判断钢筋的锈蚀程度，并通过采用有机玻璃材料对传感探头固定，从理论上解决了实际运用中光纤光栅受多参量影响的温度补偿问题，并且无需使用昂贵笨重的检测设备如宽带光源及光谱仪，进一步解决了普通长周期光纤光栅传感的应用限制。2.技术方案为解决上述问题，本专利技术提供的技术方案为：一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器，包括长周期光纤光栅传感，长周期光纤光栅传感包括光纤光栅段、光纤段和尾端段，还包括毛细管和水泥砂浆，从左到右依次为光纤光栅段、光纤段和尾端段，光纤光栅段的表面上设有一层光纤光栅段金属膜，尾端段的表面上设有一层尾端段金属膜，尾端段的端面上设有一层尾端段端面金属膜；长周期光纤光栅传感附着在毛细管上，长周期光纤光栅传感和毛细管的外部为一层水泥砂浆。优选地，所述的光纤光栅段金属膜、尾端段金属膜和尾端段端面金属膜均为钯金膜，尾端段由内至外依次为尾端段纤芯和尾端段金属膜，尾端段的端面有尾端段端面金属膜。优选地，光纤光栅段由内至外依次为光纤光栅段纤芯和光纤光栅段金属膜。优选地，毛细管为有机玻璃毛细管。有机玻璃毛细管的规格为：长度为10-14cm，直径为1.5-2mm，可以保护单端反射镀膜长周期光纤光栅的使用寿命，并且具有温度补偿的作用，避免因温度的变化造成光纤谐振波长的变化，从而导致监测的干扰。也可以不使用有机玻璃毛细管材料，但只能固定保护，不能起到温度补偿的作用。优选地，光纤陶瓷芯位于长周期光纤光栅传感靠近探头传感端面一端的外面。用于保护单端的反射效果。优选地，长周期光纤光栅传感的两端水平放置，用环氧树脂胶黏贴在毛细管上。稳定性好，附着力强，同时注意避免环氧树脂胶接触到光栅传感区域及端面反射区域，否则会改变光栅本身的传感特性。优选地，光纤光栅段金属膜的厚度为50-100nm，尾端段金属膜、尾端段端面金属膜的厚度均为700-1000nm。优选地，在毛细管上黏贴两根长周期光纤光栅传感，其中一根长周期光纤光栅传感用于测温，采用软件方式消除温度误差。优选地，所述光纤光栅段的长度为4-6cm，光纤段的长度为1-2cm，尾端段的长度为1-6cm。一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器制作工艺，其步骤为：A、根据以上所述的一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器，将长周期光纤光栅的一端切平，形成光纤光栅段和光纤段；B、光纤光栅段内部是光纤光栅段纤芯，在光纤光栅段表面镀一层光纤光栅段金属膜，长周期光纤光栅表面形成等离子体共振效应；C、选取普通圆柱形单模光纤，在该单模光纤的端面镀一层尾端段端面金属膜，以形成高反射率镜面，在该单模光纤的表面镀一层尾端段金属膜，该单模光纤为尾端段；D、将光纤段与尾端段熔接，形成探头传感结构，构成长周期光纤光栅传感；E、光纤陶瓷芯位于长周期光纤光栅传感靠近探头传感端面一端的外面；F、用环氧树脂胶将长周期光纤光栅传感黏贴在毛细管上；G、长周期光纤光栅传感和毛细管构成的整体采用水泥砂浆浇筑。9、根据权利要求8所述的一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器制作工艺，其特征在于，水泥砂浆的厚度为1.5-3cm。便于保持传感器内外环境一致，使得传感器与待测钢筋所处环境相同，提高测量的精准度。一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器的钢筋锈蚀监测方法，其步骤为：A、根据以上所述的一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器，将光纤光栅段1引出的传输线缆与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪的精度与光谱仪的精度对比连接；B、光纤光栅解调仪通道内部发出的光依次经过光纤光栅段、光纤段和尾端段；C、光在光纤光栅段上发生SPR效应，通过光纤段到达探头传感端面；D、光从探头传感端面被反射回来，依次经过尾端段、光纤段和光纤光栅段，发生SPR效应，且与前向传输的光发生自干涉效应，返回到光纤光栅解调仪通道内；E、光纤光栅解调仪将光传输过程中的光谱显示出来；F、把钢筋锈蚀的状态和光谱的谐振峰波长的偏移联系起来，从而计算出实际中钢筋锈蚀的状态。3.有益效果采用本专利技术提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：(1)本专利技术的长周期光纤光栅折射率的敏感性，能够监测出钢筋周围环境的变化，而环境中的氯离子浓度是影响钢筋锈蚀状态的主要原因，本专利技术的传感器能够检测出钢筋所在环境中的氯离子浓度，光谱的谐振峰波长的偏移反映出钢筋所在环境中的氯离子浓度值，根据氯离子浓度与钢筋锈蚀之间的关系，进而从光谱的谐振峰波长的偏移，判断出钢筋锈蚀的状态；(2)本专利技术利用水泥砂浆封装传感器，保证传感器内与外界钢筋所处的环境相同，基座的材料为不锈钢；结构简单，易于操作，抗振动，抗冲击，解决了长周期光纤光栅在实际使用过程中监测不方便的问题；(3)本专利技术在光纤光栅段表面镀一层光纤光栅段金属膜，在尾端段的端面镀一层尾端段端面金属膜，以形成高反射率镜面，在尾端段的表面镀一层尾端段金属膜，镀膜的方法是：采用镀膜设备HUMMER离子镀膜仪，镀膜材料为钯金，选择钯金的原因是由于其具有高反射率、不易氧化，从而提高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器，包括长周期光纤光栅传感(11)，其特征在于，长周期光纤光栅传感(11)包括光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)，还包括毛细管(13)和水泥砂浆(14)，从左到右依次为光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)，光纤光栅段(1)的表面上设有一层光纤光栅段金属膜(7)，尾端段(3)的表面上设有一层尾端段金属膜(8)，尾端段(3)的端面上设有一层尾端段端面金属膜(9)；长周期光纤光栅传感(11)附着在毛细管(13)上，长周期光纤光栅传感(11)和毛细管(13)的外部为一层水泥砂浆(14)。

【技术特征摘要】
1.一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器，包括长周期光纤光栅传感(11)，其特征在于，长周期光纤光栅传感(11)包括光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)，还包括毛细管(13)和水泥砂浆(14)，从左到右依次为光纤光栅段(1)、光纤段(2)和尾端段(3)，光纤光栅段(1)的表面上设有一层光纤光栅段金属膜(7)，尾端段(3)的表面上设有一层尾端段金属膜(8)，尾端段(3)的端面上设有一层尾端段端面金属膜(9)；长周期光纤光栅传感(11)附着在毛细管(13)上，长周期光纤光栅传感(11)和毛细管(13)的外部为一层水泥砂浆(14)。2.根据权利要求1所述的一种单端镀膜反射式长周期光纤光栅传感器，其特征在于，所述的光纤光栅段金属膜(7)、尾端段金属膜(8)和尾端段端面金属膜(9)均为钯金膜，尾端段(3)由内至外依次为尾端段纤芯(6)和尾端段金属膜(8)，尾端段(3)的端面有尾端段端面金属膜(9)。...

【专利技术属性】
技术研发人员：王彦，胡兴柳，刘加萍，赵凯，孔正义，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：新型
国别省市：安徽;34