一种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器制造技术

本发明专利技术属于结构健康监测技术领域，公开了一种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器，包括单模光纤，光子晶体光纤探头，多孔袖珍盖，环氧树脂胶以及橡胶软管。所述传感器基于迈克尔逊干涉原理，通过监测光子晶体光纤传感探头阵列中不同埋设深度传感单元反射光谱信号的变化，间接监测混凝土中氯离子扩散深度随时间的变化以及混凝土中氯离子浓度沿深度的分布状况。该传感器能够实现对混凝土中氯离子扩散状态的长期、无损、实时地监测，测量精度较高，具有制作简单、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。

A sensor for monitoring chloride diffusion in concrete based on PCF probe array

【技术实现步骤摘要】
一种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器
本专利技术涉及一种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器，属于结构健康监测
，尤其用于钢筋混凝土结构中氯离子的扩散监测。
技术介绍
钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素，严重影响钢筋混凝土结构服役的安全性。氯离子侵入是导致钢筋锈蚀的主要原因，氯离子通过破坏钢筋钝化膜、去极化作用以及形成“腐蚀电池”等方式加速了钢筋腐蚀，重要的是，氯离子在整个过程中并没有被消耗掉，也就是说入侵混凝土中的氯离子会周而复始地起破坏作用。如果能较早发现混凝土中的氯离子含量，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内的氯离子扩散以及氯离子的浓度，能够为混凝土结构耐久性评估及剩余寿命预测提供数据支撑，对保证混凝土结构的耐久性和服役安全性具有重大的实际意义。传统的监测混凝土中氯离子扩散及浓度分布的方法有破坏取粉法、氯离子选择性电极法和无线传感器检测法。破坏取粉法是直接钻取混凝土不同深度的粉末，对提取到的粉末溶解和滴定分析。这种分析对被测材料的破坏性较大，操作非常复杂，往往会耗费很多人力和时间，且无法实现混凝土中氯离子扩展及浓度分布的实时监测。氯离子选择性电极法虽然能在短时间内检测出混凝土中氯离子的浓度，但是目前公开的电极法监测混凝土中氯离子扩散的传感器的长期可靠性不足，监测结果精度较低，体积较大，对混凝土结构具有一定程度的破坏。现有的用于监测混凝土中氯离子浓度的无线传感器普遍存在射频功率和射频利用率低、设备体积大、灵敏度低的问题，此外，这种无线传感器不能实现对混凝土中氯离子沿深度扩散的监测。光纤传感器具有尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，抗腐蚀性强等一系列优点，用光纤传感器监测混凝土中氯离子的扩散具有显著地优势，有希望解决当前混凝土中氯离子扩散监测技术中存在的诸多问题。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于光子晶体光纤探头的混凝土中氯离子扩散监测传感器，该传感器的最大特点是对周围环境折射率的改变非常敏感，可以通过测量外界折射率的变化间接监测周围氯离子的浓度。这种基于光子晶体光纤探头的混凝土中氯离子扩散监测传感器制作简单，可以无损、实时地监测混凝土中氯离子沿深度的扩散分布，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。本专利技术的技术方案：一种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器，所述的光子晶体光纤探头阵列包括单模光纤1、光子晶体光纤PCF探头2、多孔袖珍盖3、环氧树脂胶4和橡胶软管5；所述的单模光纤1与光子晶体光纤探头2一端相熔接，所述的光子晶体光纤探头2插入多孔袖珍盖3中并靠近多孔袖珍盖3的顶端面，但不接触；所述的多孔袖珍盖3开口处由环氧树脂胶4完全密封；所述的单模光纤1的外部由一层橡胶软管5封装保护；所述的单模光纤1、光子晶体光纤探头2、多孔袖珍盖3、环氧树脂胶4和橡胶软管5构成一个光子晶体光纤探头传感单元；多个光子晶体光纤探头传感单元由环氧树脂胶4固定组装成光子晶体光纤探头阵列。所述的多孔袖珍盖3的顶面和侧面分布有小孔洞6，多孔袖珍盖3的内部为空芯，其内径须大于单模光纤1和光子晶体光纤探头2的直径；多孔袖珍盖3由塑料或木材制作而成。所述的多孔袖珍盖3一部分埋入环氧树脂胶4中，一部分以不同高度裸露在环氧树脂胶4的外部。所述的光子晶体光纤探头阵列中光子晶体光纤探头传感单元的数量根据传感器精度要求以及待测材料混凝土保护层厚度进行调整；光子晶体光纤探头传感单元的间距根据待测材料尺寸以及传感器尺寸要求进行调整。裸露在环氧树脂胶4外部的多孔袖珍盖3的高度根据待测构件混凝土保护层厚度以及传感器灵敏度要求调整。裸露在环氧树脂胶4外部的多孔袖珍盖3顶端面之间的高度差根据传感器精度要求以及传感单元的数量来确定。本专利技术工作原理：基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散传感器原理如图4所示，入侵混凝土中的氯离子经由多孔袖珍盖3上的小孔洞6进入袖珍盖内部，使得光子晶体光纤探头周围的折射率发生变化。光子晶体光纤探头的激发态包层模式对外界折射率的变化非常敏感，外界折射指标的变化会引起包层模式有效折射率的变化。通过光子晶体光纤传播的模态在到达器件末端的球面时被反射回来，该设备的工作原理实质上是一个多光束干涉的迈克尔逊干涉仪。反射光的总反射电场由两个反射镜(第一反射镜为单模光纤和光子晶体光纤衔接面，第二反射镜为光子晶体光纤端面)的总反射电场之和来估计：式中，E0是入射光光场，α1表示第一反射镜的传输损耗，R1和R2分别表示第一反射镜和第二反射镜的反射率，可表示为式中，ni分别表示单模光纤、气泡和光子晶体光纤的折射率。表示相位，可表示为Li表示光子晶体光纤与单模光纤连接处与实心球体尖端之间的距离，此值是一个常量。反射光的干涉光谱最终表示为当混凝土中的氯离子扩散至光子晶体光纤探头阵列中的传感单元i附近时，传感单元i中的光子晶体光纤周围介质折射率从n变为n′，最终导致光谱仪接收到的反射光的整体响应谱线发生波长漂移和光强变化，如图4(c)所示。通过对反射光谱的分析，实现间接监测混凝土中氯离子的扩散以及氯离子浓度的变化。本专利技术的光子晶体光纤探头传感阵列由多个传感单元构成，每个传感单元的多孔袖珍盖顶端面至混凝土表面的距离各不相同。假设袖珍盖顶端面距混凝土表面的距离依次为h1、h2、h3、……、hn(h1<h2<h3<……<hn)，氯离子首先进入距离混凝土表面最近的传感单元的多孔袖珍盖中，引起该传感单元的反射光谱发生变化。随着氯离子在混凝土中不断扩散，距混凝土表面距离为h2、h3、……、hn的多孔袖珍盖依次被氯离子入侵，引起包裹在其中的光子晶体光纤探头-单模光纤的反射光谱依次发生变化。所以，可以通过光子晶体光纤探头传感阵列中不同传感单元反射光谱变化的先后顺序，监测氯离子在混凝土中的扩散随时间的变化。随着氯离子的不断侵蚀，每个传感单元的多孔袖珍盖中的氯离子浓度越来越大，至混凝土表面距离为hi的传感单元周围氯离子的浓度k与光谱的变化ΔI的关系可用下式表示：ΔI＝α(k)(5)式中，α为传感单元i周围氯离子的浓度k与光谱变化ΔI的函数关系，由实验拟合确定。光子晶体光纤传感器反射光谱的改变量ΔI可通过分析计算得到，将其代入关系式(5)即可得出距离混凝土表面hi处的氯离子浓度。将这种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散传感器埋置在混凝土结构中，即可实现混凝土中氯离子扩散深度随时间的变化以及混凝土中氯离子浓度沿深度的分布状况。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术将单模光纤和光子晶体光纤结合，光子晶体光纤探头对外界折射率变化异常敏感，使得该专利技术具有较高的灵敏度。(2)本专利技术可以实现对混凝土保护层中氯离子扩散沿深度的分布情况进行实时监测。(3)本专利技术体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器，其特征在于，所述的光子晶体光纤探头阵列包括单模光纤(1)、光子晶体光纤(PCF)探头(2)、多孔袖珍盖(3)、环氧树脂胶(4)和橡胶软管(5)；/n所述的单模光纤(1)与光子晶体光纤探头(2)一端相熔接，所述的光子晶体光纤探头(2)插入多孔袖珍盖(3)中并靠近多孔袖珍盖(3)的顶端面，但不接触；所述的多孔袖珍盖(3)开口处由环氧树脂胶(4)完全密封；/n所述的单模光纤(1)的外部由一层橡胶软管(5)封装保护；/n所述的单模光纤(1)、光子晶体光纤探头(2)、多孔袖珍盖(3)、环氧树脂胶(4)和橡胶软管(5)构成一个光子晶体光纤探头传感单元；多个光子晶体光纤探头传感单元由环氧树脂胶(4)固定组装成光子晶体光纤探头阵列。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光子晶体光纤探头阵列的混凝土中氯离子扩散监测传感器，其特征在于，所述的光子晶体光纤探头阵列包括单模光纤(1)、光子晶体光纤(PCF)探头(2)、多孔袖珍盖(3)、环氧树脂胶(4)和橡胶软管(5)；
所述的单模光纤(1)与光子晶体光纤探头(2)一端相熔接，所述的光子晶体光纤探头(2)插入多孔袖珍盖(3)中并靠近多孔袖珍盖(3)的顶端面，但不接触；所述的多孔袖珍盖(3)开口处由环氧树脂胶(4)完全密封；
所述的单模光纤(1)的外部由一层橡胶软管(5)封装保护；
所述的单模光纤(1)、光子晶体光纤探头(2)、多孔袖珍盖(3)、环氧树脂胶(4)和橡胶软管(5)构成一个光子晶体光纤探头传感单元；多个光子晶体光纤探头传感单元由环氧树脂胶(4)固定组装成光子晶体光纤探头阵列。


2.根据权利要求1所述的混凝土中氯离子扩散监测传感器，其特征在于，所述的多孔袖珍盖(3)的顶面和侧面分布有小孔洞(6)，多孔袖珍盖(3)的内部为空芯，其内径须大于单模光纤(1)和光子晶体光纤探头(2)的直径；多孔袖珍盖(3)由塑料或木材制作而成。


3.根据权利要求1或2所述的混凝土中氯离子扩散监测传感器，其特征在于，所述的多孔袖珍盖(3)一部分埋入环氧树脂胶(4)中，一部分以不同高度裸露在环氧树脂胶(4)的外部。


4.根据权利要求1或2所述的混凝土中氯离子扩散监测传感器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐福建，赵丽芝，李宏男，李钢，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21