长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器技术

本发明专利技术涉及长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器，属于结构工程领域和光纤传感技术领域。本发明专利技术是利用贴着钢筋的位置平直地放置一根长周期光纤光栅，定期由光谱仪观察长周期光纤光栅的透射谱变化，以此判断光栅是否发生了弯曲，并推断钢筋腐蚀的程度与速率。本发明专利技术通过对埋入的长周期光纤光栅的透射谱监测，可以实现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钢筋腐蚀情况进行长期监测，准确确定引起钢筋腐蚀的程度及速率，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】

本专利技术属于结构工程领域和光纤传感
，特别涉及了基于长周期光纤光栅对钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的监测方法。
技术介绍
钢筋混凝土是最重要的一种基本建设材料，它是结合了混凝土的高抗压强度和钢筋的高抗折强度的特性制成的一种复合材料。从大量工程结构的病害研究发现，当钢筋混凝土处于有氯离子存在的环境时，钢筋混凝土中钢筋的腐蚀问题是最重要的耐久性问题之一。因此及早掌握混凝土结构中钢筋的腐蚀状况，以便及时采取预防措施防止腐蚀的进一步加剧，对延长混凝土结构的使用寿命意义重大，也是混凝土耐久性研究中的热点。目前研究手段中较成熟的测量钢筋腐蚀都是使用电化学的方法，如测量偏置电阻，电化学阻抗，半电位等方法，这些方法都是通过测定钢筋混凝土腐蚀体系的电化学特性来确定混凝土中钢筋的腐蚀程度或速度的化学检测法等，工作量大，检测结果容易受到外界因素影响，对难以到达的结构表面(如大跨桥梁、海港码头的梁板底面等)无法检测，因此应用可靠性较差，受外界干扰大，难以直接反应钢筋腐蚀情况。由于混凝土中钢筋腐蚀后体积将发生变化，因此通过测量混凝土结构中钢筋腐蚀而发生体积膨胀的直径变化量，就可以实时监测混凝土结构中钢筋的腐蚀状况。光纤光栅传感器具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、本质防爆、耐腐蚀、质量轻、体积小，易于埋入材料中构成智能材料与结构等一系列优点，而长周期光纤光栅更具有易于制作、附加损耗小、无后向反射和与偏振无关等独特优点，并由于其对弯曲的高度敏感性，可以弥补电化学和其他腐蚀监测方法上的不足。目前也有采用长周期光纤光栅监测钢筋腐蚀程度的，但主要是利用长周期光纤光栅对折射率的高度敏感性而对腐蚀环境参数的监测，而环境监测对于钢筋腐蚀状态的判断来说，实际是一种间接的测试方法，其缺陷在于引起钢筋腐蚀的环境参数很多，如钢筋表面湿度，O2、CO2、Cl-浓度及pH值等，这些因素相互影响，和钢筋腐蚀不能建立单一的数学关系，因此必须综合监测这些参数的变化，建立专家系统，才能比较合理地判断钢筋锈蚀情况，这种方法属于间接监测钢筋腐蚀，并不能准确地判断钢筋的腐蚀状态。另外，也有利用布拉格光栅对应变的高度敏感性而对钢筋腐蚀进行监测的方法，但是这一方法的缺点在于布拉格光纤光栅对温度的敏感特性使得其在监测过程中不可避免的存在温度和应变的交叉传感，因此在监测过程中必须进行温度补偿，并且传感器制作过程中需要将光栅用胶粘贴于钢筋棒上，这对于光栅的寿命也是不利的。目前为止，还没有人提出利用长周期光纤光栅的弯曲特性实现钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀监测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现行监测方法中的不足，提供一种钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的监测方法，并且此方法在光栅段无需用胶，同时避免了环境因素温度、折射率的交叉影响，在不损伤混凝土表面的前提下，能准确、无损地监测出实际工作环境下钢筋的腐蚀状态。一种基于长周期光纤光栅对钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀监测方法，其特征在于包括以下步骤(a)、传感器制作选取与工程所用钢筋材质相同的一根钢筋棒，将其放入基座中，用渗透性好的弹性物填充钢筋棒周围与基座之间，长周期光纤光栅外套保护软管，垂直且平放于钢筋表面，两端搭在基座两端，一端的保护软管用环氧树脂胶与基座粘贴，并且此端光纤也用环氧树脂胶与保护软管粘贴，光纤两端从基座穿出并保证光栅处于水平拉直状态，再用上述填充物填充光纤光栅上端，盖紧封壳，基座与封壳预先打上小孔，于是传感器制作完成；(b)、传感器就位将传感器固定在混凝土构件中，并保证钢筋传感器表面水平，然后浇注混凝土；(c)、传感器标定将刻蚀光栅的光纤一端与宽带光源相连，另一端与光谱仪相连，对传感器进行定期监测，观察光栅透射谱漂移情况，即谐振波长处的透射率大小，由此可判断光栅的弯曲程度，从而推断钢筋的直径变化量，进而获得钢筋腐蚀程度与速率，其中主要公式为ΔD＝KL·(PL2-PL1)，其中ΔD为钢筋的直径变化量，PL1为长周期光纤光栅在初始状态下谐振波长的透射率值，PL2为监测过程中测得的长周期光纤光栅谐振波长处的透射率值，KL为钢筋腐蚀敏感系数；KL的标定方法为在制作此传感器的同时，另外再做N组与传感器条件完全相同的试块，保证钢筋棒长度相同，浇注的水泥砂浆等级厚度相同，但在这N组试块中不放置光栅、光纤，在定期监测光栅透射谱漂移的同时，每次在这N组中取1组破损直接检测钢筋棒的腐蚀量，这些钢筋棒的腐蚀可替代传感器中钢筋棒的腐蚀状态，由此通过N组测量，可得到N组不同腐蚀状态下对应的光栅透射谱测量数据，以此再线性回归可标定出KL值，N取值为8-10。一种基于长周期光纤光栅对钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀传感器，其特征在于由基座和封壳组成的壳体，置于壳体中的钢筋棒，垂直且水平置于钢筋棒表面的外套保护软管的长周期光纤光栅，填充于钢筋棒及长周期光纤光栅与基座之间的填充物组成，其中壳体还设有渗透孔，长周期光纤光栅两端连接光纤从基座穿出并保持水平拉直状态。下面论述长周期光纤光栅(Long-period-fiber grating，LPFG)传感原理。长周期光纤光栅的光栅周期一般在100μm以上，它基于光纤内满足相位匹配条件的同向模式之间的谐振耦合，是将前向传输的导模与其他前向导模或前向辐射模之间耦合，将光波中某频带的光耦合到包层中去而损耗掉，因此无后向反射。长周期光纤光栅的谐振波长满足表达式 λL=(neffco-neffcl,m)·Λ---(1)]]>其中λL为谐振波长，neffco，neffcl，m分别为光纤纤芯有效折射率和m次包层模式的有效折射率。当在光纤内引入某种微扰时，会引起不同传播模式间的耦合。当LPFG弯曲时，光纤变成了弯曲波导，同时LPFG中每一个被调制折射率的横截面发生倾斜(相对于第一个周期中被调制的折射率横截面而言)，因此弯曲的LPFG可以等效为直的倾斜光纤光栅。当弯曲度变大(曲率半径减小)时，纤芯与包层模式之间的耦合系数降低，谐振峰的幅值减小。从对LPFG的弯曲特性研究来看，当LPFG发生弯曲时，其透射谱将随着弯曲度的增加而发生右移，并且谐振波长处的透射率也将增大，即整个谱形右移且谱形变浅。通过研究谐振波长处的透射率与弯曲度的关系发现，LPFG谐振波长处的透射率与光栅弯曲度成线性变化。因此，可利用这一特性通过观察LPFG的透射谱获知其弯曲情况，从而判断混凝土结构内的钢筋棒腐蚀造成的直径变化量。由于长周期光纤光栅对温度、应变、弯曲等环境因素均非常敏感，因此，传感器的制作也必须考虑到这些环境因素的交叉影响。但是，利用LPFG的弯曲特性进行混凝土钢筋腐蚀程度监测的优势也正在于此。由于温度的变化，会造成长周期光纤光栅的波长漂移，温度升高，谐振波长右移；温度降低，谐振波长左移。但是，温度造成的LPFG透射谱的漂移并不影响透射谱的谱形，即温度的变化不影响谐振波长处的透射率值。同样的，对于应变也是如此，应变的变化不影响谐振波长处的透射率值而只改变谐振波长的位置。因此，采用观察LPFG透射谱的谐振波长处的透射率值，可以避免环境因素温度、应变造成的影响，当发现谐振波长处的透射率发生变化时，即是光栅发生了弯曲，而此弯曲则是由钢筋棒体积增大、直径增加引起的。LPFG的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法，其特征在于包括以下步骤：（ａ）、传感器制作：选取与工程所用钢筋材质相同的一根钢筋棒，将其放入基座中，用渗透性好的弹性物填充钢筋棒周围与基座之间，长周期光纤光栅外套保护软管，垂直且平放于钢筋表面，两端搭在基座两端，一端的保护软管用环氧树脂胶与基座粘贴，并且此端光纤也用环氧树脂胶与保护软管粘贴，光纤两端从基座穿出并保证光栅处于水平拉直状态，再用上述填充物填充光纤光栅上端，盖紧封壳，基座与封壳预先打上小孔，于是传感器制作完成；（ｂ）、传感器就位：将传感器固定在混凝土构件中，并保证钢筋传感器表面水平，然后浇注混凝土；（ｃ）、传感器标定：将刻蚀光栅的光纤一端与宽带光源相连，另一端与光谱仪相连，对传感器进行定期监测，观察光栅透射谱漂移情况，即谐振波长处的透射率大小，由此可判断光栅的弯曲程度，从而推断钢筋的直径变化量，进而获得钢筋腐蚀程度与速率，其中主要公式为：△Ｄ＝Ｋ↓［Ｌ］.（Ｐ↓［Ｌ２］－Ｐ↓［Ｌ１］），其中△Ｄ为钢筋的直径变化量，Ｐ↓［Ｌ１］为长周期光纤光栅在初始状态下谐振波长的透射率值，Ｐ↓［Ｌ２］为监测过程中测得的长周期光纤光栅谐振波长处的透射率值，Ｋ↓［Ｌ］为钢筋腐蚀敏感系数；Ｋ↓［Ｌ］的标定方法为：在制作此传感器的同时，另外再做Ｎ组与传感器条件完全相同的试块，保证钢筋棒长度相同，浇注的水泥砂浆等级厚度相同，但在这Ｎ组试块中不放置光栅、光纤，在定期监测光栅透射谱漂移的同时，每次在这Ｎ组中取１组破损直接检测钢筋棒的腐蚀量，这些钢筋棒的腐蚀可替代传感器中钢筋棒的腐蚀状态，由此通过Ｎ组测量，可得到Ｎ组不同腐蚀状态下对应的光栅透射谱测量数据，以此再线性回归可标定出Ｋ↓［Ｌ］值，Ｎ取值为８－１０。...

【技术特征摘要】
1.一种长周期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法，其特征在于包括以下步骤(a)、传感器制作选取与工程所用钢筋材质相同的一根钢筋棒，将其放入基座中，用渗透性好的弹性物填充钢筋棒周围与基座之间，长周期光纤光栅外套保护软管，垂直且平放于钢筋表面，两端搭在基座两端，一端的保护软管用环氧树脂胶与基座粘贴，并且此端光纤也用环氧树脂胶与保护软管粘贴，光纤两端从基座穿出并保证光栅处于水平拉直状态，再用上述填充物填充光纤光栅上端，盖紧封壳，基座与封壳预先打上小孔，于是传感器制作完成；(b)、传感器就位将传感器固定在混凝土构件中，并保证钢筋传感器表面水平，然后浇注混凝土；(c)、传感器标定将刻蚀光栅的光纤一端与宽带光源相连，另一端与光谱仪相连，对传感器进行定期监测，观察光栅透射谱漂移情况，即谐振波长处的透射率大小，由此可判断光栅的弯曲程度，从而推断钢筋的直径变化量，进而获得钢筋腐蚀程度与速率，其中主要公式为ΔD＝KL·(PL2-PL1)，其中ΔD为钢筋的直径变化量，PL1为长周期光纤光栅在初始状态下谐振波长的透射率值，PL2为监测过程中测得的长周期光纤光栅谐振波长处的透...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁大开，王彦，周兵，曾捷，芦吉云，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]