一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统和传感器制作方法技术方案

本发明专利技术公开了一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统，包括：光纤依次连接的光源、光纤传感器和光谱分析仪，其中，光纤传感器采用碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器，用于碳量子点选择性吸收一定浓度的铁离子后，对光栅表面折射率进行调制，根据调制后的表面折射率变化，获取倾斜光纤光栅的截止包层模波长和截止包层模波长漂移速率，光谱分析仪，用于对碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器光谱信息进行收集，根据截止包层模波长计算折射率以及对应的铁离子浓度，根据截止包层模波长漂移速率和铁离子浓度变化率计算金属管道腐蚀速率。该系统克服当前腐蚀传感器灵敏度低、无法适用于多种复杂场景应用的缺陷。复杂场景应用的缺陷。复杂场景应用的缺陷。

【技术实现步骤摘要】
一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统和传感器制作方法


[0001]本专利技术涉及光纤传感器
，更具体的涉及一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统和传感器制作方法。

技术介绍

[0002]腐蚀是在环境作用下材料的理想物化性能恶化，这个自然过程对金属材料和非金属材料都有影响。金属腐蚀即在周围介质的化学或电化学作用下，金属被氧化，转为离子形态，肉眼表象为金属表面出现锈迹或腐蚀坑等。金属管道内金属腐蚀会使得管壁变薄，出现缺陷，管道内流体产生泄露，对国民经济、人类安全以及环境保护造成严重后果。同时早期金属腐蚀超出人类肉眼观测范围，因此对金属管道初期腐蚀进行及时、准确的检测可有效防止腐蚀事故发生，提高经济效益，保障人生安全。
[0003]传统金属腐蚀检测手段包括重量法、气体测定法以及电化学方法等一定程度可对金属的腐蚀速率进行计算，但实现快速、高灵敏度、无损、原位实时腐蚀检测、满足复杂应用场景需求是目前腐蚀传感器发展的根本趋势。光纤传感器以光纤为载体，通过检测光信号参量变化实现对待测量检测，具有体积小、质量轻、抗电磁干扰、分辨率高等优势，受到众多研究学者的关注。目前光纤腐蚀传感器主要用于检测腐蚀位移、材料结构以及与腐蚀相关的振动、应力、温度、湿度裂纹等物理参量变化，从而反映或预测腐蚀的发生和腐蚀程度。该类腐蚀传感器能够工作于恶劣环境进行长期稳定检测，但对金属腐蚀内部化学反应信息并不明确，且缺乏早期腐蚀实时检测预警能力。

技术实现思路

[0004]本专利技术实施例提供一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统，包括：
[0005]光纤依次连接的光源、光纤传感器和光谱分析仪；
[0006]其中，光纤传感器采用碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器，用于
[0007]碳量子点选择性吸收一定浓度的铁离子后，对光栅表面碳量子点折射率进行调制；
[0008]根据调制后的光栅表面折射率变化，获取倾斜光纤光栅的截止包层模波长和截止包层模波长漂移速率；
[0009]光谱分析仪，用于
[0010]对碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器光谱信息进行收集；
[0011]根据截止包层模波长和折射率的函数关系，计算折射率；
[0012]根据折射率和铁离子浓度的函数关系，计算对应的铁离子浓度；
[0013]根据截止包层模波长漂移速率和铁离子浓度变化函数关系，计算铁离子浓度变化率；
[0014]根据铁离子浓度变化率计算金属管道腐蚀速率。
[0015]进一步，所述碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器的倾斜光纤光栅参数，包括：
[0016]角度6～12度；
[0017]栅区长度1cm；
[0018]包层直径125μm；
[0019]光栅周期555nm。
[0020]进一步，所述碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器，根据布拉格共振峰对金属管道温度、应力进行测量。
[0021]进一步，光源为宽带光源，波长范围包括1500
‑
1600nm。
[0022]进一步，光谱分析仪工作波长包括：1500
‑
1600nm。
[0023]本专利技术还提供一种检测金属管道初期腐蚀的传感器制作方法，包括：
[0024]写制栅平面与光纤轴向成一定角度的倾斜光纤光栅；
[0025]将等量的柠檬酸和硫脲溶解于去离子水中；
[0026]将溶液放在温度为800W的微波炉，加热6分钟得到黑褐色沉淀物，冷却至室温后加入适量去离子水；
[0027]在超声水浴中对混合物进行超声处理，使碳化产物充分分散；
[0028]离心、过滤得到碳量子点；
[0029]采用硅烷偶联法使碳量子点在光栅表面沉积，获取用于金属管道初期腐蚀检测的倾斜光纤光栅传感器。
[0030]进一步，硅烷偶联法使碳量子点在光栅表面沉积的步骤，包括：
[0031]使用食人鱼溶液对倾斜光纤光栅栅区进行羟基化；
[0032]将羟基化的倾斜光纤光栅浸入3
‑
氨基丙基
‑
三甲氧基硅烷APTMS乙醇溶液中；
[0033]使用乙醇和超纯水对倾斜光纤光栅进行多次冲洗，去除表面多余的APTMS溶液，并将清洗后的倾斜光纤光栅进行真空干燥；
[0034]将碳量子点溶解于磷酸盐缓冲溶液中，采用EDC
‑
NHS对碳量子点表面基团进行活化；
[0035]将倾斜光纤光栅浸入活化基团的碳量子点磷酸盐缓冲溶液中，完成碳量子点在倾斜光纤光栅侧表面的沉积。
[0036]本专利技术实施例提供一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统和传感器制作方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
[0037]本专利技术，利用碳量子点功能化倾斜光纤光栅对金属管道初期腐蚀产生的金属铁离子浓度进行检测，分析倾斜光纤光栅截止包层模波长偏移量，计算铁离子浓度变化率，之后对金属管道腐蚀速率进行评估，同时倾斜光纤光栅丰富的光谱信息可同时对金属管道内温度、压力进行检测，实现金属管道内部多参量测量。
[0038]2、本专利技术克服当前腐蚀传感器灵敏度低、无法实时、长距离检测的缺陷，具有小型化、高灵敏度、原位、实时监测等优点，适用于多种复杂场景应用。
附图说明
[0039]图1是本专利技术的系统图；
[0040]图2是采用硅烷偶联法实现碳量子点在倾斜光纤光栅表面的自组装图；
[0041]图3是倾斜光纤光栅截止包层模波长对折射率测量透射光谱图；
[0042]图4是倾斜光纤光栅截止包层模波长折射率灵敏度。
具体实施方式
[0043]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0044]本专利技术的目的是提供一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统和传感器制作方法，采用可吸收金属铁离子的碳量子点功能化倾斜光纤光栅，对光栅包层区域折射率变化进行检测。利用光栅截止包层模波长漂移信息计算铁离子浓度，之后对金属管道腐蚀速率进行评估，解决该领域检测技术测试周期长、无法适应恶劣环境和实时监测等缺陷，具有灵巧、原位、实时、高灵敏度早期腐蚀检测预警等优点，适用于海水、石油、污水等多场景金属管道初期腐蚀检测。
[0045]参见图1～4，本专利技术实施例提供一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统，该系统包括：
[0046]光纤依次连接的光源、光纤传感器和光谱分析仪；
[0047]其中，光纤传感器采用碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器，用于
[0048]碳量子点选择性吸收一定浓度的铁离子后，对光栅表面碳量子点的折射率进行调制；
[0049]根据调制后的光栅表面折射率变化，获取倾斜光纤光栅的截止包层模波长和截止包层模波长漂移速率；
[0050]光谱分析仪本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统，其特征在于，包括：光纤依次连接的光源、光纤传感器和光谱分析仪；其中，光纤传感器采用碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器，用于碳量子点选择性吸收一定浓度的铁离子后，对光栅表面折射率进行调制；根据调制后的光栅表面折射率变化，获取倾斜光纤光栅的截止包层模波长和截止包层模波长漂移速率；光谱分析仪，用于对碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器光谱信息进行收集；根据截止包层模波长和折射率的函数关系，计算折射率；根据折射率和铁离子浓度的函数关系，计算对应的铁离子浓度；根据截止包层模波长漂移速率和铁离子浓度变化率函数关系，计算铁离子浓度变化率；根据铁离子浓度变化率计算金属管道腐蚀速率。2.如权利要求1所述的一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统，其特征在于，所述碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器的倾斜光纤光栅参数，包括：角度6～12度；栅区长度1cm；包层直径125μm；光栅周期555nm。3.如权利要求1所述的一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统，其特征在于，所述碳量子点功能化倾斜光纤光栅传感器，根据布拉格共振峰对金属管道温度、应力进行测量。4.如权利要求1所述的一种检测金属管道初期腐蚀的传感系统，其特征在于，所述光源为宽带光源，波长范围包括：1500
‑
1600nm。5.如权利要求1所述的一种检测金属管道初...

【专利技术属性】
技术研发人员：王芳，周春花，刘绍鼎，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：