專利名稱：監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及金屬的腐蝕監(jiān)測技術的改進，具體講是一種監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器及其制備方法，其屬于光纖傳感技術的應用領域。
背景技術：
在海洋環(huán)境中，金屬的腐蝕監(jiān)測多為目視檢測。當金屬腐蝕可以被發(fā)現(xiàn)時，其腐蝕厚度已達原有金屬層厚度的1/10，其損失危害是巨大的，修復工作也比較困難。而且這種檢測方法耗費大量的人力、物力。特別是對未發(fā)生腐蝕部位的拆裝檢查，還會破壞原有設備的完整性，并且還可能降低設備的整體結構強度，造成不必要的浪費。況且，目視檢測是無法實現(xiàn)原位實時監(jiān)控的。還有一種超聲波測試法，其很難區(qū)分腐蝕產(chǎn)物和原有金屬層厚度，極易造成檢測失誤。
光纖傳感技術是本世紀七十年代伴隨光纖通信技術發(fā)展而形成的一門新學科、新技術分支。到八十年代中期，光纖傳感已成為現(xiàn)代信息技術的重要組成部分。然而，至今未見應用光纖傳感技術實現(xiàn)金屬腐蝕的原位實時監(jiān)控的報導。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的發(fā)明目的是要利用光纖傳感技術對環(huán)境中的金屬結構物實現(xiàn)實時腐蝕監(jiān)控，尤其是對海洋環(huán)境中的金屬結構物的實時腐蝕監(jiān)控。設計一種監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器及其制備方法，該傳感器要具有結構簡單，制造容易，高靈敏度，高精度，對環(huán)境的適應性好，可實現(xiàn)非接觸、非破壞性測量，實現(xiàn)高密度檢測，數(shù)據(jù)高速度傳輸，而且使用簡便的特點。
本發(fā)明的任務是由以下技術方案完成的，研制了一種監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器，其是去除護套、涂敷層和包層的一段光纖的纖芯，該光纖傳感器將被監(jiān)測金屬的呈現(xiàn)規(guī)律性改變的腐蝕光學信號，通過相應的傳輸設備傳輸至監(jiān)測儀器，該儀器顯示并監(jiān)測腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。該技術方案的關鍵是在該纖芯外表面上真空沉積有被監(jiān)測的金屬材料的敏感膜，該膜組織均勻致密地沉積在該纖芯外表面上，該膜的兩端分別與包層的斷面密切結合，構成包層的相對兩斷面夾制的、適當徑向厚度的、晶態(tài)結構的、被監(jiān)測金屬材料的敏感膜。
所述的被監(jiān)測金屬材料，其為鋼材，或鋁材，或鋅材，或鎳鐵合金，或Fe-C合金。
所述的適當厚度的被監(jiān)測金屬材料的敏感膜，其徑向厚度為0.01--100μm，軸向長度為10--20mm。
一種監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器的制備方法，其按如下步驟進行(1)取一段市售通訊光纖，切除去該光纖的護套和涂敷層，裸露10--20mm的包層；(2)以5--30％的氫氟酸溶液腐蝕該包層，以去除部分包層；(3)當該氫氟酸溶液腐蝕到纖芯表面后，采用螺旋測微儀不斷監(jiān)測纖芯的直徑，直到該纖芯直徑達到50--60μm為止，其腐蝕時間在30--180min內(nèi)；
(4)采用真空沉積設備，將被監(jiān)測金屬材料真空沉積到包層的相對兩斷面之間的纖芯外表面上，制得由包層的相對兩斷面夾制的、被監(jiān)測金屬材質(zhì)的均勻晶態(tài)結構的敏感膜層。
所采用的真空沉積設備是JEE-4X型真空蒸鍍機設備，其中半球形的真空槽是在裸露的纖芯外表面真空沉積被監(jiān)測金屬材質(zhì)的主要裝置；所述的真空槽，還設有輔助裝置，其是中間挖空的長方體夾具；該夾具分為上、下兩層，在該兩層中間設有夾制光纖用的橡膠墊片，該夾具的中央?yún)^(qū)域是挖空的；裸露的纖芯處于中央挖空區(qū)，并有螺栓夾緊固定住該兩層、纖芯及其橡膠墊片；在真空沉積過程中，不斷翻轉(zhuǎn)該夾具--纖芯裝置，即可在該纖芯外表面真空沉積有均勻晶態(tài)結構的膜層--被監(jiān)測金屬材質(zhì)的敏感膜。
所述的真空槽，還設有輔助裝置，其是有機玻璃板質(zhì)的夾具；該夾具的上、下板兩側對應地挖有凹槽，該凹槽可以容納塑料套管，該套管穿套在該光纖的包層和纖芯外且固定在支架上；在沉積過程中，不斷旋轉(zhuǎn)光纖，即可在該纖芯外表面真空沉積有均勻晶態(tài)結構的膜層--被監(jiān)測金屬材質(zhì)的敏感膜。
所述的被監(jiān)測金屬材質(zhì)是以鋼為靶材的，其上樣沉積量為1--20mg/次，通電電流為4--400A；上樣前初始真空度為10-4Pa，靶材與光纖距離為5--25cm。
所述的被監(jiān)測金屬材質(zhì)是以鋁為靶材的，其上樣沉積量為5--30mg/次，通電電流為3--300A；上樣前初始真空度為10-4Pa，靶材與光纖距離為5--25cm。
本發(fā)明的優(yōu)點在于由于該光纖傳感器是去除護套、涂敷層和包層的一段光纖的纖芯；該技術方案的關鍵是在該纖芯外表面上真空沉積有被監(jiān)測的金屬材料的敏感膜，該膜組織均勻致密地沉積在該纖芯外表面上，該膜的兩端分別與包層的斷面密切結合，構成包層的相對兩斷面夾制的、適當徑向厚度的、晶態(tài)結構的、被監(jiān)測金屬材料的敏感膜。具有這種敏感膜的光纖傳感器將被監(jiān)測金屬的呈現(xiàn)規(guī)律性改變的腐蝕光學信號，通過相應的傳輸設備傳輸至監(jiān)測儀器。該儀器即可顯示并監(jiān)測腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。再加上光纖原有的體積小(光纖直徑小于150μm)、重量輕、覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)信息量大的優(yōu)點，因此，可在對傳統(tǒng)的檢測技術無法解決的易燃、易爆、空間狹窄的情況下和在具有腐蝕性強的氣體、液體以及射線污染的條件下，以及各種的苛刻環(huán)境條件下，進行被測金屬的實時腐蝕監(jiān)控；該光纖傳感器的制造形狀靈活、經(jīng)久耐用，其可根據(jù)具體工況需要彎曲成多種形狀，不僅省時省力，而且具有抗電磁干擾的優(yōu)越性。該傳感器在對傳統(tǒng)的檢測技術無法解決的易燃、易爆、空間狹窄的情況和在具有腐蝕性強的氣體、液體以及射線污染的條件下，都能夠應用光纖對上述苛刻的環(huán)境條件進行實時腐蝕監(jiān)控，并且具有多種參量檢測的功能。這些優(yōu)越性是現(xiàn)有機械的、電磁的、電子的方法所無法實現(xiàn)或無法比擬的，因而本發(fā)明的光纖傳感器具有很強的生命力。
由于本發(fā)明的監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器的制備方法的步驟中，選擇采用了螺旋測微儀，來不斷監(jiān)測纖芯的恰當直徑50--60μm，其腐蝕時間在30--180min內(nèi)，使得該纖芯外表面在真空沉積敏感膜以后，光纖總的直徑不致過大，否則影響金屬膜腐蝕監(jiān)測效果。如果使氫氟酸溶液腐蝕纖芯表面過多，留有的光纖直徑就過小，這樣光纖的強度就太低，易折斷，影響該光纖傳感器的壽命。
由于選擇了步驟(4)所采用的JEE-4X型真空蒸鍍機--一種適合的真空沉積設備，將被監(jiān)測金屬材料真空沉積在包層的相對兩斷面之間的纖芯外表面上，制得由包層的相對兩斷面夾制的、被監(jiān)測金屬材質(zhì)的均勻晶態(tài)結構的敏感膜層。該真空沉積設備的鍍層操作具有簡單易行、直接上靶材的特點。由于設計了中間挖空的長方體夾具的輔助裝置，在其中間挖空處放入橡膠墊片，用于防止夾斷光纖，再用螺栓緊固，使光纖放置在該夾具中間且使纖芯部分處于中間挖空區(qū)，這樣就可以保證纖芯部分不容易折斷，而且可以通過不斷翻轉(zhuǎn)該夾具--纖芯裝置，使沉積在纖芯上的敏感膜層有比較均勻致密的晶態(tài)組織結構。由于設計了改進的輔助裝置，其是有機玻璃板質(zhì)的夾具。該夾具設有可以容納塑料套管的凹槽，該套管穿套在光纖的包層和纖芯外且固定在支架上，固定在支架上的套管不會晃動或脫落。由于套管的內(nèi)徑比光纖的外徑稍大，可以使光纖不易受到損傷。在真空沉積過程中，不斷旋轉(zhuǎn)光纖，使所鍍的敏感膜層更加均勻，即可在該纖芯外表面真空沉積有均勻晶態(tài)結構的膜層--被監(jiān)測金屬材質(zhì)的敏感膜。
附圖及其實施例本發(fā)明的保護范圍不僅局限于實施例中。結合附圖進一步說明如下

圖1為監(jiān)測金屬腐蝕的光纖傳感器的敏感膜放大結構示意圖。
圖2為真空沉積鍍膜的一種夾具--纖芯輔助裝置的結構示意圖。
圖3為真空沉積鍍膜的一種夾具--纖芯輔助裝置的側視結構示意圖。
圖4為真空沉積鍍膜的另一種夾具--纖芯輔助裝置的結構示意圖。
圖5為真空沉積鋁敏感膜的掃描電鏡圖譜。
圖6為該光纖傳感器進行腐蝕模擬實驗的結構示意圖。
圖7為真空沉積Fe-C合金敏感膜的腐蝕前后光輸出功率的變化圖譜。
圖8為真空沉積鋁敏感膜的腐蝕前后光輸出功率的變化圖譜。
圖9為Fe-C合金膜和921A碳鋼的X-射線衍射圖譜。
圖10為光纖鍍膜試樣與鋁靶材的X-射線衍射圖譜。
圖11為真空蒸鍍機設備的真空槽側視結構示意圖。
圖12為真空蒸鍍機設備的真空槽俯視結構示意圖。
圖13為光纖的基本結構示意圖。
參見圖1--13，制成的監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器，其是如圖13所示的去除護套1、涂敷層2和包層3的一段光纖的纖芯4，該光纖傳感器將被監(jiān)測金屬的呈現(xiàn)規(guī)律性改變的腐蝕光學信號，通過相應的傳輸設備(圖中未畫出)傳輸至監(jiān)測儀器(圖中未畫出)，該儀器顯示并監(jiān)測腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。該技術方案的關鍵是在該纖芯4外表面上真空沉積有被監(jiān)測的金屬材料的敏感膜5，該膜5組織均勻致密地沉積在該纖芯4外表面上，該膜5的兩端分別與包層3的斷面密切結合，構成包層3的相對兩斷面夾制的、適當徑向厚度的、晶態(tài)結構的、被監(jiān)測金屬材料的敏感膜5。
所述的被監(jiān)測金屬材料，其為鋼材，或鋁材，或鋅材，或鎳鐵合金，或Fe-C合金。所述的適當厚度的被監(jiān)測金屬材料的敏感膜5，其徑向厚度為0.01--100μm，軸向長度為10--20mm。
一種監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器的制備方法，其按如下步驟進行
(1)取一段市售通訊光纖，切除去該光纖的護套1和涂敷層2，裸露10，或15，或20mm的包層3；(2)以5--30％的氫氟酸溶液腐蝕該包層3，以去除部分包層3；(3)當該氫氟酸溶液腐蝕到纖芯4表面后，采用螺旋測微儀不斷監(jiān)測纖芯4的直徑，直到該纖芯4直徑達到50--60μm為止，其腐蝕時間在30--180min內(nèi)；(4)采用真空沉積設備(圖中未畫出)，將被監(jiān)測金屬材料真空沉積在包層3的相對兩斷面之間的纖芯4外表面上，制得由包層3的相對兩斷面夾制的、被監(jiān)測金屬材質(zhì)的均勻晶態(tài)結構的敏感膜5層。
所采用的真空沉積設備是JEE-4X型真空蒸鍍機設備，其中如圖11，圖12所示的、半球形的真空槽15是將裸露的纖芯4外表面真空沉積被監(jiān)測金屬材質(zhì)的主要裝置；所述的真空槽15，其內(nèi)設有加熱爐16和沉積臺17，該沉積臺17上還設有輔助裝置，如圖2、圖3所示其是中間挖空的長方體夾具6；該夾具6分為上、下兩層，在該兩層中間設有夾制光纖用的橡膠墊片9，該夾具6的中央?yún)^(qū)域是挖空的；裸露的纖芯處于中央挖空區(qū)10，并有螺栓8夾緊固定住該兩層、纖芯4及其橡膠墊片9，該夾具6外的外部光纖7不進行真空沉積；在真空沉積過程中，不斷翻轉(zhuǎn)該夾具6--纖芯4裝置，即可在該纖芯4外表面真空沉積有均勻晶態(tài)結構的膜層--被監(jiān)測金屬材質(zhì)的敏感膜5。
所述的真空槽15內(nèi)的沉積臺17上，還設有另一種輔助裝置，其是有機玻璃板質(zhì)的夾具11；如圖4所示該夾具11的上、下板兩側對應地挖有凹槽12，該凹槽12可以容納塑料套管13，該套管13穿套在該光纖7的包層3和纖芯4外且固定在支架14上，該夾具11外的外部光纖7不進行真空沉積。在沉積過程中，不斷旋轉(zhuǎn)該夾具11，即可在該纖芯4外表面真空沉積有均勻晶態(tài)結構的膜層--被監(jiān)測金屬材質(zhì)的敏感膜5。
真空沉積鋁敏感膜的掃描電鏡圖譜如圖5所示。鋼材在硫酸溶液中模擬腐蝕過程，鋁材在氫氧化鈉溶液中模擬腐蝕過程。
腐蝕模擬實驗的結構如圖6所示。在圖6中將設有傳感器--敏感膜5的光纖7浸沒在裝有腐蝕溶液的腐蝕實驗池19中；在該光纖7的一端接有光功率計20，該功率計再接通于計算機21上；在該光纖7的另-端接有光源18。通過監(jiān)測光源18經(jīng)過傳感器--敏感膜5的輸出光功率的規(guī)律性變化情況，可實時地監(jiān)控腐蝕，并相應的傳輸設備傳輸至計算機21的監(jiān)測儀器，即可顯示并監(jiān)測腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。
實驗結果分別表示于圖7和圖8中。圖7和圖8分別證明了本發(fā)明的光纖傳感器制備方法的可行性。圖9和圖10證明了真空沉積技術在光纖上制備的金屬敏感膜與靶材金屬在微觀結構上有一定的相似性，那么金屬腐蝕行為就會有相應的代表性。
如圖9所示的X-射線衍射圖譜表明921A碳鋼的衍射峰為α-Fe，出峰的晶面分別為(110)、(200)和(211)晶面；真空沉積(PVD)和電鍍沉積的Fe-C合金敏感膜都形成了晶態(tài)組織，而且二者的衍射峰位置與921A碳鋼是一致的，這說明實驗制備的Fe-C合金敏感膜與921A碳鋼的主要晶體結構類型基本一致，F(xiàn)e-C合金敏感膜的結構與921A碳鋼的結構非常相近。
如圖10所示的X-射線衍射表明鋁材料的晶面特征峰位于(111)、(200)、(220)、(311)和(222)處。光纖的兩個平行樣品均出現(xiàn)了與之相應的吸收峰，只是強度較低。由此可知鋁在光纖表面基本形成了類似的晶態(tài)結構，只是晶面有部分傾斜造成了強度下降。金屬敏感膜的厚度可以根據(jù)監(jiān)測需要適當增加。
本領域的普通技術人員都會理解，在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)，對于上述實施例進行修改，添加和替換都是可能的，但其都沒有超出本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器，其是去除護套、涂敷層和包層的一段光纖的纖芯，該光纖傳感器將被監(jiān)測金屬的呈現(xiàn)規(guī)律性改變的腐蝕光學信號，通過相應的傳輸設備傳輸至監(jiān)測儀器，該儀器顯示并監(jiān)測腐蝕的發(fā)生和發(fā)展，其特征在于在該纖芯外表面上真空沉積有被監(jiān)測的金屬材料的敏感膜，該膜組織均勻致密地沉積在該纖芯外表面上，該膜的兩端分別與包層的斷面密切結合，構成包層的相對兩斷面夾制的、適當徑向厚度的、晶態(tài)結構的、被監(jiān)測金屬材料的敏感膜。
2.根據(jù)權利要求1所述監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器，其特征在于所述的被監(jiān)測金屬材料，其為鋼材，或鋁材，或鋅材，或鎳鐵合金，或Fe-C合金。
3.根據(jù)權利要求1所述監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器，其特征在于所述的適當厚度的被監(jiān)測金屬材料的敏感膜，其徑向厚度為0.01——100μm，軸向長度為10——20mm。
4.一種監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器的制備方法，其特征在于所述的制備方法，按如下步驟進行(1)取一段市售通訊光纖，切除去該光纖的護套和涂敷層，裸露10——20mm的包層；(2)以5——30％的氫氟酸溶液腐蝕該包層，以去除部分包層；(3)當該氫氟酸溶液腐蝕到纖芯表面后，采用螺旋測微儀不斷監(jiān)測纖芯的直徑，直到該纖芯直徑達到50——60μm為止，其腐蝕時間在30——180min內(nèi)；(4)采用真空沉積設備，將被監(jiān)測金屬材料真空沉積到包層的相對兩斷面之間的纖芯外表面上，制得由包層的相對兩斷面夾制的、被監(jiān)測金屬材質(zhì)的均勻晶態(tài)結構的敏感膜層。
5.根據(jù)權利要求4所述監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器的制備方法，其特征在于所采用的真空沉積設備是JEE-4X型真空蒸鍍機設備，其中半球形的真空槽是在裸露的纖芯外表面真空沉積被監(jiān)測金屬材質(zhì)的主要裝置；所述的真空槽，還設有輔助裝置，其是中間挖空的長方體夾具；該夾具分為上、下兩層，在該兩層中間設有夾制光纖用的橡膠墊片，該夾具的中央?yún)^(qū)域是挖空的；裸露的纖芯處于中央挖空區(qū)，并有螺栓夾緊固定住該兩層、纖芯及其橡膠墊片；在真空沉積過程中，不斷翻轉(zhuǎn)該夾具——纖芯裝置，即可在該纖芯外表面真空沉積有均勻晶態(tài)組織結構的膜層——被監(jiān)測金屬材質(zhì)的敏感膜。
6.根據(jù)權利要求5所述監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器的制備方法，其特征在于所述的真空槽，還設有輔助裝置，其是有機玻璃板質(zhì)的夾具；該夾具的上、下板兩側對應地挖有凹槽，該凹槽可以容納塑料套管，該套管穿套在該光纖的包層和纖芯外且固定在支架上；在沉積過程中，不斷旋轉(zhuǎn)光纖，即可在該纖芯外表面真空沉積有均勻晶態(tài)結構的膜層——被監(jiān)測金屬材質(zhì)的敏感膜。
7.根據(jù)權利要求4所述監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器的制備方法，其特征在于所述的被監(jiān)測金屬材質(zhì)是以鋼為靶材的，其上樣沉積量為1——20mg/次，通電電流為4——400A；上樣前初始真空度為10-4Pa，靶材與光纖距離為5——25cm。
8.根據(jù)權利要求4所述監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器的制備方法，其特征在于所述的被監(jiān)測金屬材質(zhì)是以鋁為靶材的，其上樣沉積量為5——30mg/次，通電電流為3——300A；上樣前初始真空度為10-4Pa，靶材與光纖距離為5——25cm。
全文摘要
本發(fā)明是一種監(jiān)測金屬腐蝕的沉積膜光纖傳感器及其制備方法，其是一段光纖的纖芯，該傳感器將被監(jiān)測金屬的呈現(xiàn)規(guī)律性改變的腐蝕光學信號，通過傳輸及監(jiān)測儀器，顯示并監(jiān)測腐蝕的發(fā)生和發(fā)展。其是在該纖芯外表面上真空沉積有被監(jiān)測的金屬材料的敏感膜，該膜組織均勻致密地沉積在該纖芯外表面上，該膜的兩端分別與包層的斷面密切結合，構成包層的相對兩斷面夾制的、適當徑向厚度的、晶態(tài)結構的、被監(jiān)測金屬材料的敏感膜。該傳感器對環(huán)境尤其是對海洋環(huán)境中的金屬結構物的實時腐蝕監(jiān)控。其具有結構簡單，制造容易，高靈敏度，高精度，對環(huán)境的適應性好，可實現(xiàn)非接觸、非破壞性測量，實現(xiàn)高密度檢測，數(shù)據(jù)高速度傳輸，而且使用簡便的特點。
文檔編號G01N21/84GK1598551SQ20041003547
公開日2005年3月23日 申請日期2004年7月29日 優(yōu)先權日2004年7月29日
發(fā)明者董颯英 申請人:中國船舶重工集團公司第七二五研究所