混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置及包含它的監(jiān)測(cè)裝置，混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置包括寬帶光源、Y型光纖耦合器、耦合器接頭、傳感光纖、LPFG鋼筋銹蝕傳感探頭、LPFG溫度傳感探頭、光開關(guān)、光譜儀和計(jì)算機(jī)；寬帶光源進(jìn)入Y型光纖耦合器的輸入端，傳播到Y(jié)型光纖耦合器的輸出端，再通過耦合器接頭和傳感光纖，分別傳播到LPFG鋼筋銹蝕傳感探頭和LPFG溫度傳感探頭，再經(jīng)過光開關(guān)，由光開關(guān)的出射端進(jìn)入光譜儀，最后經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理輸出透射光譜與銹蝕狀態(tài)之間的關(guān)系曲線。采用上述裝置可實(shí)現(xiàn)混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)。
【專利說(shuō)明】混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置及包含它的監(jiān)測(cè)裝置，屬于土木工程傳感器測(cè)試領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]長(zhǎng)周期光纖光柵(以下簡(jiǎn)稱LPG)是一種基于纖芯導(dǎo)模與包層模式耦合理論的傳感性光柵，它對(duì)其周圍所處環(huán)境的折射率變化非常敏感，進(jìn)而可以得到周圍環(huán)境中粒子的濃度?；谠擇詈侠碚摰纳?、化學(xué)傳感技術(shù)已廣泛應(yīng)用于血液中抗原含量測(cè)量、蛋白質(zhì)物質(zhì)鑒別、藥物篩選、溶液濃度檢測(cè)、污水降解程度判定等多個(gè)生化研究領(lǐng)域。
[0003]隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在大型建筑工程中的廣泛應(yīng)用，混凝土中的鋼筋銹蝕已成為威脅全世界鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最主要災(zāi)害。特別是在沿海、近海及特種橋梁等使用環(huán)境中，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可能因?yàn)殇摻钿P蝕而喪失其耐久性，并導(dǎo)致鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力下降和延性的降低，最終造成結(jié)構(gòu)不能達(dá)到預(yù)定的服役年限而提前失效。每年此類災(zāi)害都給人們的生產(chǎn)生活造成了巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失，甚至在一些國(guó)家已構(gòu)成了沉重的財(cái)政負(fù)擔(dān)。隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)正在進(jìn)行大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。如何對(duì)這些設(shè)施的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)并預(yù)防災(zāi)害的發(fā)生，成為當(dāng)前亟需解決的問題。
[0004]通常，鋼筋腐蝕、凍害、物理化學(xué)影響是環(huán)境條件作用下混凝土的三大破壞原因，其中鋼筋銹蝕是影響混凝土耐久性的最主要因素。大量研究表明，混凝土微孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部在服役過程中含有大量易于與水反應(yīng)生成強(qiáng)堿性氫氧化物的可溶性堿金屬和堿土金屬氧化物，進(jìn)而在混凝土內(nèi)部的鋼筋周圍形成了一個(gè)PH值為12-13的高堿性環(huán)境條件。通常情況下，鋼筋表面在這種高堿性環(huán)境下形成鈍化膜，處于鈍化狀態(tài)，鈍化膜可有效保護(hù)鋼筋免于繼續(xù)受外界有害物質(zhì)的侵蝕，阻止鋼筋發(fā)生銹蝕。但隨著氯離子的侵入或混凝土碳化，混凝土內(nèi)部PH值降低至中性甚至偏酸性，附著于鋼筋表面的鈍化膜將會(huì)慢慢被破壞，而導(dǎo)致鋼筋開始銹蝕。不同銹蝕產(chǎn)物的生成使得銹蝕后鋼筋的體積膨脹率有所不同，即紅銹為4倍，黑銹為2倍。當(dāng)體積膨脹帶給混凝土結(jié)構(gòu)的壓力達(dá)到一定程度時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)沿鋼筋方向開裂、保護(hù)層大面積脫落等現(xiàn)象，導(dǎo)致鋼筋銹蝕的進(jìn)一步加劇.鋼筋銹蝕會(huì)使混凝土對(duì)鋼筋的握裹力下降，引起結(jié)構(gòu)的承載力下降。由此，鋼筋銹蝕機(jī)理的研究日益得到學(xué)術(shù)界的重視。
[0005]目前對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)的非破損檢測(cè)方法(NDT)可以分為電化學(xué)方法和物理方法兩大類。電化學(xué)檢測(cè)方法是通過檢測(cè)銹蝕過程中鋼筋混凝土銹蝕體系的電化學(xué)變化情況來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕程度或速度的檢測(cè)。目前具有發(fā)展前景的電化學(xué)方法主要有半電池電位法、線性極化法、交流阻抗法、混凝土電阻法等，其中半電池電位法是根據(jù)金屬在一定環(huán)境中電位是否變化的原理對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕進(jìn)行診斷，是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的鋼筋銹蝕檢測(cè)方法，其優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)速度快，但其只能對(duì)鋼筋腐蝕的腐蝕概率進(jìn)行定性判斷，無(wú)法直接得出腐蝕速度，且測(cè)得的指標(biāo)單一。線性極化法是基于Stern公式建立起來(lái)的一種鋼筋腐蝕速度檢測(cè)方法，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快的特點(diǎn)，目前可用的成品測(cè)量?jī)x器有普通恒電位儀和GECOR、NSC、CAPCIS等專用儀器。上述鋼筋銹蝕檢測(cè)方法都需將外部檢測(cè)探頭或參比電極置于混凝土結(jié)構(gòu)表面，這對(duì)于測(cè)量部位較多、檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜(如橋墩底部、過江隧道外側(cè))和需要長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)的重要建筑而言，工作量巨大，且外界因素的干擾(如接觸位置的差異、參比電極溶液對(duì)結(jié)構(gòu)的污染等)對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響較大。因此必須研制能夠埋入混凝土內(nèi)部，使之能夠滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)需要的混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)。
[0006]物理方法主要是通過檢測(cè)由于銹蝕導(dǎo)致的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部電阻、電磁、熱傳導(dǎo)、聲波傳播等特性的變化情況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋的銹蝕狀況進(jìn)行檢測(cè)。常用的方法包括:電阻棒法、電渦流探測(cè)法、射線法、聲發(fā)射探測(cè)法等。電阻棒法測(cè)量因鋼筋銹蝕導(dǎo)致體積狀態(tài)發(fā)生變化而引起的電阻值變化，可利用導(dǎo)電原理對(duì)鋼筋的剩余面積進(jìn)行間接推算。渦流探測(cè)法主要是測(cè)定勵(lì)磁電流與鋼筋內(nèi)部次生波的相位關(guān)系，進(jìn)而對(duì)鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行判定。射線法是通過對(duì)混凝中鋼筋結(jié)構(gòu)進(jìn)行X射線或Z射線拍攝，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕情況更加直接的觀察。上述物理方法的主要優(yōu)點(diǎn)是操作方便，適于工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。如日本M.Ridha等提出采用超導(dǎo)量子干涉技術(shù)來(lái)測(cè)量鋼筋銹蝕所引起微小磁場(chǎng)，進(jìn)而獲得銹蝕信息。美國(guó)IIinois大學(xué)J.TBernhard教授采用超聲波技術(shù)監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕情況，再通過寬帶微波天線實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，但此方法的測(cè)試成本很高。物理方法對(duì)鋼筋銹蝕程度的檢測(cè)只能給予定性的結(jié)論，難以獲得定量的分析，因而也無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕情況的在線檢測(cè)。
[0007]由于光纖傳感系統(tǒng)具有眾多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，使得基于光纖傳感的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與應(yīng)用也成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外土木工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)論題。1998年，F(xiàn)uhr等人將化學(xué)領(lǐng)域的Fajans方法與光纖傳感技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氯離子濃度的定量檢測(cè)，并將其應(yīng)用于鋼筋混凝土環(huán)境中的氯離子濃度檢測(cè)方面，開展了大量的研究工作。此方法具有操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，但此方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)氯離子濃度的連續(xù)檢測(cè)，且檢測(cè)反應(yīng)不可逆，需考慮所使用的熒光物質(zhì)的壽命衰減問題。Bennett K D提出了一種基于光纖微彎效應(yīng)的“腐蝕保險(xiǎn)絲”傳感方案。當(dāng)腐蝕保險(xiǎn)絲與鋼筋處于同一銹蝕過程時(shí)，“腐蝕保險(xiǎn)絲”會(huì)生銹而逐漸變細(xì)斷裂，此過程使得彎曲光纖失去約束而彈開，其曲率將變小，從而使通過光纖內(nèi)部的光通量迅速增加。該傳感器能較好地反映出“腐蝕保險(xiǎn)絲”是否斷裂，即保險(xiǎn)絲直徑的選擇直接決定了某腐蝕程度的閾值，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕過程的連續(xù)反映。重慶大學(xué)黎學(xué)明和陳偉民等人提出將光纖包層的局部采用Fe-C合金膜結(jié)構(gòu)替代，構(gòu)成較靈敏的腐蝕敏感膜，通過監(jiān)測(cè)傳感光纖輸出光功率變化隨銹蝕鋼筋周圍環(huán)境PH值的變化情況，獲取鋼筋腐蝕信息。此方法優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，且化學(xué)鍍膜過程簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是還需進(jìn)一步提高鍍層材料、厚度與附著力控制工藝以便獲得實(shí)際應(yīng)用，且檢測(cè)過程不可逆，無(wú)法重復(fù)使用。
[0008]然而上述方法大都是通過環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕狀態(tài)的判斷，屬于間接測(cè)試方法。為能更加直接地監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕萌生發(fā)展的全過程，還須研制出能夠?qū)P蝕過程與光纖傳感技術(shù)巧妙結(jié)合起來(lái)的具備原位、在線及可重復(fù)使用特點(diǎn)的新型直接監(jiān)測(cè)方法。
[0009]在LPFG銹蝕傳感方面，2008年，南京航空航天大學(xué)王彥等人在光譜學(xué)與光譜分析著文“基于光纖光柵光譜分析的混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)”，利用LPFG的彎曲特性制成了鋼筋銹蝕傳感器，用來(lái)檢測(cè)混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)。該系統(tǒng)如圖9所示，將鋼筋放入一凹槽形的不銹鋼基座內(nèi)并用膠將其與基座固定，基座高度與鋼筋直徑相同，將光柵段外套保護(hù)管后平放于鋼筋表面，對(duì)光柵兩端光纖施加一定的預(yù)拉伸力使光柵保持水平伸直狀態(tài)，光柵兩端搭在基座兩端，一端光纖用環(huán)氧樹脂膠與基座粘貼固定，并且此端的光纖也與保護(hù)管粘貼固定。在鋼筋未發(fā)生銹蝕的初始狀態(tài)，長(zhǎng)周期光纖光柵保持筆直狀態(tài)。當(dāng)鋼筋銹蝕體積發(fā)生徑向膨脹，鋼筋體直徑增大，就會(huì)引起長(zhǎng)周期光纖光柵發(fā)生彎曲，陷波效應(yīng)變小。但由于該傳感器僅能實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕的某一圓周上的線監(jiān)測(cè)，不能實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕的全提及檢測(cè)，即:該傳感器僅能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)，帶有其偶然性，不能真實(shí)反映鋼筋銹蝕狀態(tài)。同時(shí)，監(jiān)測(cè)過程中并沒有相關(guān)的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)，無(wú)法消除傳感過程中溫度對(duì)銹蝕監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響。
[0010]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]發(fā)明目的:在于克服原有混凝土鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)中的傳感器無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕全體積監(jiān)測(cè)、銹蝕狀態(tài)與溫度場(chǎng)的同時(shí)監(jiān)測(cè)、溫度補(bǔ)償功能等缺點(diǎn)，提供一種靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式在線測(cè)量及鋼筋整體監(jiān)測(cè)的混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置及包含它的監(jiān)測(cè)裝置。
[0012]技術(shù)方案:為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置，包括寬帶光源、Y型光纖耦合器、耦合器接頭、傳感光纖、LPFG鋼筋銹蝕傳感探頭、LPFG溫度傳感探頭、光開關(guān)、光譜儀和計(jì)算機(jī)；寬帶光源進(jìn)入Y型光纖耦合器的輸入端，傳播到Y(jié)型光纖耦合器的輸出端，再通過耦合器接頭和傳感光纖，分別傳播到LPFG鋼筋銹蝕傳感探頭和LPFG溫度傳感探頭，再經(jīng)過光開關(guān)，由光開關(guān)的出射端進(jìn)入光譜儀，最后經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理輸出透射光譜與銹蝕狀態(tài)之間的關(guān)系曲線。
[0013]采用上述裝置可實(shí)現(xiàn)混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)。
[0014]鋼筋銹蝕傳感器探頭包括纖芯、設(shè)在纖芯上的柵區(qū)、設(shè)在柵區(qū)外圍的柔性保護(hù)套管和使柔性保護(hù)套管和纖芯相對(duì)固定的固定裝置。這樣可進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。
[0015]鋼筋銹蝕傳感器探頭包括兩根以上的纖芯，同一根纖芯的不同位置刻有不同諧振峰值的LPFG傳感柵區(qū)，通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同纖芯間的光路切換。
[0016]上述同一根光纖上可以制備多個(gè)感器探頭，且不同根光纖上可通過光開關(guān)進(jìn)行切換，用以實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用。
[0017]一種混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置，包括上述混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置。
[0018]上述混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置，還包括等比例傳動(dòng)裝置和傳感器封裝殼，傳感器封裝殼設(shè)在待測(cè)鋼筋的外圍，鋼筋銹蝕傳感器探頭與傳感器封裝殼單點(diǎn)固支，等比例傳動(dòng)裝置置于鋼筋和混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置之間。
[0019]上述傳感光柵與傳感器保護(hù)封裝殼結(jié)構(gòu)單端固定，確保LPFG傳感器探頭位于等比例傳動(dòng)裝置的彎曲最敏感區(qū)域，避免由于LPFG傳感探頭位置對(duì)檢測(cè)結(jié)果所帶來(lái)的影響；LPFG傳感器探頭與待測(cè)鋼筋之間通過等比例傳動(dòng)裝置，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋼筋體積膨脹的全體積監(jiān)測(cè)；上述LPFG溫度傳感探頭位于封裝結(jié)構(gòu)非受力區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕傳感器的溫度自補(bǔ)償、銹蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及銹蝕狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。[0020]LPFG溫度傳感探頭的外圍設(shè)有保護(hù)套。這樣可對(duì)探頭起到防護(hù)作用。
[0021]為了使用方便，上述混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置還包括用來(lái)固定LPFG溫度傳感探頭的支撐板。
[0022]傳感器封裝殼及混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置的外圍設(shè)有傳感結(jié)構(gòu)支撐架。這樣進(jìn)一步方便了監(jiān)測(cè)。
[0023]傳感結(jié)構(gòu)支撐架的外圍設(shè)有混凝土保護(hù)層。這樣對(duì)監(jiān)測(cè)裝置起到了更進(jìn)一步的保護(hù)作用。
[0024]利用上述裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)的方法，包括以下過程:
(1)、利用LPFG透射光譜法進(jìn)行監(jiān)測(cè)；在待監(jiān)測(cè)的鋼筋和LPFG傳感探頭之間設(shè)計(jì)等比例傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；在封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部加入LPFG溫度傳感探頭，且在以下監(jiān)測(cè)過程中，始終保持LPFG溫度傳感光柵柵區(qū)處于自由且平直狀態(tài)；
(2)、鋼筋銹蝕狀態(tài)全體積監(jiān)測(cè):利用LPFG傳感柵區(qū)對(duì)其自身彎曲狀態(tài)變化的敏感性質(zhì)，將鋼筋銹蝕后體積的膨脹狀態(tài)轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)PFG的彎曲狀態(tài)；通過測(cè)量由于待測(cè)鋼筋體積膨脹變化而引起的諧振峰幅值的變化，檢測(cè)混凝土環(huán)境中鋼筋體積膨脹情況及鋼筋銹蝕狀態(tài)，即:當(dāng)混凝土中鋼筋銹蝕量不斷增加時(shí)，通過檢測(cè)傳感裝置中由柵區(qū)表面彎曲變化引起的諧振峰幅值改變，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋體積膨脹狀態(tài)及鋼筋銹蝕狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；
(3)、混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè):利用LPFG傳感柵區(qū)對(duì)環(huán)境周圍溫度變化的敏感性質(zhì)，通過設(shè)計(jì)相關(guān)的封裝保護(hù)裝置，將混凝土中鋼筋銹蝕傳感裝置與LPFG溫度傳感探頭相結(jié)合，將銹蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)周圍溫度變化情況轉(zhuǎn)化為L(zhǎng)PFG的諧振峰值變化；通過測(cè)量由于待測(cè)環(huán)境中溫度變化而引起的諧振峰值的變化，檢測(cè)混凝土環(huán)境中鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度場(chǎng)狀態(tài)，即:當(dāng)混凝土中鋼筋銹蝕點(diǎn)處溫度發(fā)生變化時(shí)，通過檢測(cè)傳感裝置中由柵區(qū)表面溫度變化引起的諧振峰值改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕點(diǎn)溫度狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕傳感器的溫度自補(bǔ)償和銹蝕狀態(tài)的準(zhǔn)確評(píng)估。
[0025]上述等比例傳動(dòng)裝置可實(shí)現(xiàn)鋼筋體積膨脹量與LPFG傳感器微彎效應(yīng)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)傳感器內(nèi)部被測(cè)鋼筋的全體積監(jiān)測(cè)。利用簡(jiǎn)單機(jī)械傳遞裝置作為待監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕狀態(tài)和LPFG傳感探頭之間的傳動(dòng)裝置，將混凝土內(nèi)部銹蝕鋼筋的體積膨脹量轉(zhuǎn)換成更適合LPFG傳感器監(jiān)測(cè)的狀態(tài)，同時(shí)盡可能減少固態(tài)鐵銹的液化。
[0026]上述溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)元件為L(zhǎng)PFG，可實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕傳感器的溫度自補(bǔ)償、銹蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)以及銹蝕狀態(tài)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。由于溫度因素對(duì)銹蝕進(jìn)程、LPFG傳感探頭和金屬材料本身的影響非常明顯，因此，在傳感器設(shè)計(jì)之初需考慮該因素的影響。由于LPFG微彎特性的敏感參量為L(zhǎng)PFG諧振峰幅值，與溫度影響的相關(guān)性較小，因此所設(shè)計(jì)的基于LPFG微彎特性的鋼筋銹蝕傳感監(jiān)測(cè)方案的溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)主要考慮兩個(gè)方面，即:由于材料熱膨脹系數(shù)引起的傳感裝置的溫度補(bǔ)償和溫度場(chǎng)對(duì)鋼筋銹蝕進(jìn)程的影響。
[0027]本發(fā)明的有益效果是:將鋼筋銹蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)分為兩個(gè)方面，即:鋼筋銹蝕體積膨脹狀態(tài)監(jiān)測(cè)和銹蝕過程中鋼筋附近溫度場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，在實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕狀態(tài)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了鋼筋銹蝕全體積監(jiān)測(cè)、銹蝕狀態(tài)與溫度場(chǎng)的同時(shí)監(jiān)測(cè)、溫度補(bǔ)償功能等，提供了一種靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式在線測(cè)量及鋼筋整體監(jiān)測(cè)，帶有溫度自補(bǔ)償功能的混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)方法、傳感器及監(jiān)測(cè)裝置；利用LPFG對(duì)環(huán)境微彎、溫度變化分辨率高、響應(yīng)快、高通量、敏感、特異、簡(jiǎn)便、對(duì)樣品本身無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)混凝土中鋼筋銹蝕體積膨脹狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，確定混凝土中已銹蝕鋼筋的具體定位和鋼筋銹蝕狀況，可應(yīng)用于橋梁、碼頭等建筑物的銹蝕狀況監(jiān)測(cè)；同時(shí)由于采用了光纖作為傳感基體，具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐高壓、耐腐蝕、可實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量以及遠(yuǎn)程遙測(cè)監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)；通過簡(jiǎn)化傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)且采用光譜檢測(cè)技術(shù)，可提高測(cè)量精度，克服光強(qiáng)測(cè)量易受光源不穩(wěn)定影響的缺點(diǎn)；通過采用相應(yīng)的封裝及保護(hù)方式，可避免由于外界應(yīng)力、應(yīng)變對(duì)LPFG傳感器探頭所帶來(lái)的影響，保證銹蝕監(jiān)測(cè)的可靠性和耐久性。
[0028]有益效果:本發(fā)明鋼板剪力墻具有良好的抗震性能、延性和耗能性能，能實(shí)現(xiàn)鋼板開孔區(qū)域全截面的屈服，能提高鋼板的利用率，且能有效抑制縫端部的應(yīng)力集中現(xiàn)象，是一種優(yōu)越的耗能構(gòu)件。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0029]圖1是混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖2是Y型光纖耦合器示意圖。
[0031]圖3是Y型機(jī)械式光開關(guān)示意圖。
[0032]圖4是LPFG鋼筋銹蝕傳感探頭示意圖。
[0033]圖5是兩根光纖LPFG鋼筋銹蝕傳感探頭示意圖。
[0034]圖6是長(zhǎng)周期光纖光柵鋼筋銹蝕傳感機(jī)制圖。
[0035]圖7是長(zhǎng)周期光纖光柵鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)傳感探頭與待測(cè)鋼筋排布圖。
[0036]圖8是混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037]圖9是LPFG彎曲特性鋼筋銹蝕傳感器示意圖。
[0038]圖中的標(biāo)號(hào)名稱:1.寬帶光源，2.Y型光纖f禹合器,3.1禹合器接頭,4.傳感光纖，
5.長(zhǎng)周期光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器的銹蝕傳感探頭，6.長(zhǎng)周期光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器的溫度傳感探頭，7.光開關(guān)，8.觸發(fā)控制電路，9.光譜儀，10.計(jì)算機(jī)，11.輸入端，12.輸出端，61.LPFG柵區(qū)，62.纖芯，63.柔性保護(hù)套管，64.軟管固定端，13.傳感器封裝殼，14.鋼筋，15.等比例傳動(dòng)裝置，16.溫度傳感保護(hù)套管，17.側(cè)向外支撐板，18.傳感結(jié)構(gòu)支撐架，19.混凝土保護(hù)層，20.傳感LPFG，21.封裝外殼，22.傳感器保護(hù)管。
【具體實(shí)施方式】實(shí)施例
[0039]下面結(jié)合附圖與【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
由圖1-3可知，混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置，包括寬帶光源、Y型光纖耦合器、耦合器接頭、傳感光纖、LPFG鋼筋銹蝕傳感探頭、LPFG溫度傳感探頭、光開關(guān)、光譜儀和計(jì)算機(jī)；寬帶光源(采用LG150型寬帶光源)進(jìn)入Y型光纖耦合器的輸入端，傳播到Y(jié)型光纖耦合器的輸出端，再通過耦合器接頭和傳感光纖，分別傳播到LPFG鋼筋銹蝕傳感探頭和LPFG溫度傳感探頭，與待測(cè)環(huán)境中的被測(cè)環(huán)境相互作用產(chǎn)生纖芯和包層的耦合效應(yīng)，再經(jīng)過光開關(guān)中的觸發(fā)控制電路8作用后形成相應(yīng)檢測(cè)光路，光線通過Y型機(jī)械式光開關(guān)的出射端進(jìn)入光譜儀(采用AQ6317型光譜儀)，最后經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理輸出透射光譜與銹蝕狀態(tài)之間的關(guān)系曲線，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)測(cè)量光路部分的全光纖化。
[0040]如圖4所示，鋼筋銹蝕傳感器探頭包括纖芯、設(shè)在纖芯上的柵區(qū)、設(shè)在柵區(qū)外圍的柔性保護(hù)套管和使柔性保護(hù)套管和纖芯相對(duì)固定的固定裝置。
[0041]如圖5所示，鋼筋銹蝕傳感器探頭包括兩根纖芯，同一根纖芯的不同位置刻有不同諧振峰值的LPFG傳感柵區(qū)，通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同纖芯間的光路切換。在同一根光纖纖芯的不同位置刻入不同諧振峰值的LPFG傳感柵區(qū)，以實(shí)現(xiàn)在同一根光纖上制備多個(gè)在線長(zhǎng)周期光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器探頭，同時(shí)通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同根光纖間的光路切換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空分復(fù)用。
[0042]根據(jù)LPFG光譜輸出特性，通過不同諧振光譜的LPFG可對(duì)鋼筋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多位點(diǎn)探測(cè)的分布式長(zhǎng)周期光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器。當(dāng)這些LPFG傳感段處于不同測(cè)試環(huán)境中時(shí)，不同的待測(cè)環(huán)境中的鋼筋體積膨脹情況與傳感器相互作用，從而引起各個(gè)LPFG傳感器微彎情況的變化。通過對(duì)傳感器輸出LPFG光譜的檢測(cè)，可以得到分布式檢測(cè)的信號(hào)。
[0043]如圖6-9所示，混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置，包上述混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置，還包括等比例傳動(dòng)裝置和傳感器封裝殼，傳感器封裝殼設(shè)在待測(cè)鋼筋的外圍，鋼筋銹蝕傳感器探頭與傳感器封裝殼單點(diǎn)固支，用于避免銹蝕過程中由于其他因素導(dǎo)致的傳感器彎曲，對(duì)鋼筋銹蝕的全過程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，等比例傳動(dòng)裝置置于鋼筋和混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置之間，利用傳動(dòng)特性將鋼筋銹蝕后的體積膨脹與LPFG彎曲特性相結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕狀態(tài)的監(jiān)測(cè)；LPFG溫度傳感探頭的外圍設(shè)有保護(hù)套，利用保護(hù)套管將溫度傳感器探頭保護(hù)起來(lái)，固定于側(cè)向支撐板上，在保證環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)的同時(shí)，消除混凝土試件澆筑過程及傳感器監(jiān)測(cè)過程中外界環(huán)境的附加影響。
[0044]上述混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置，還包括用來(lái)固定LPFG溫度傳感探頭的支撐板；傳感器封裝殼及混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置的外圍設(shè)有傳感結(jié)構(gòu)支撐架；傳感結(jié)構(gòu)支撐架的外圍設(shè)有混凝土保護(hù)層，利用混凝土保護(hù)層的澆筑將長(zhǎng)周期光纖光柵鋼筋銹蝕及溫度場(chǎng)傳感器保護(hù)起來(lái)，便于傳感器在施工過程中的安裝。
[0045]研究混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理及銹蝕后鋼筋體積膨脹原理，利用長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)周圍環(huán)境微彎的敏感特性，將所設(shè)計(jì)的用于檢測(cè)混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)的長(zhǎng)周期光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器探頭埋入混凝土結(jié)構(gòu)中，檢測(cè)待測(cè)鋼筋銹蝕后體積膨脹所帶來(lái)的傳感器微彎效應(yīng)。隨著混凝土中鋼筋銹蝕的不斷增加，待測(cè)鋼筋的體積膨脹狀態(tài)發(fā)生變化。同時(shí)，鋼筋銹蝕傳感器內(nèi)部的溫度傳感探頭對(duì)銹蝕鋼筋附近的溫度場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以預(yù)測(cè)鋼筋銹蝕的進(jìn)程。整個(gè)過程中，整個(gè)鋼筋銹蝕過程狀態(tài)以及測(cè)點(diǎn)附近的溫度環(huán)境將通過周圍環(huán)境中彎曲、溫度情況的變化而被捕獲。通過檢測(cè)諧振光譜的變化情況實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕狀況及溫度場(chǎng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
【權(quán)利要求】
1.一種混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置，其特征在于:包括寬帶光源、Y型光纖耦合器、耦合器接頭、傳感光纖、LPFG鋼筋銹蝕傳感探頭、LPFG溫度傳感探頭、光開關(guān)、光譜儀和計(jì)算機(jī)；寬帶光源進(jìn)入Y型光纖耦合器的輸入端，傳播到Y(jié)型光纖耦合器的輸出端，再通過耦合器接頭和傳感光纖，分別傳播到LPFG鋼筋銹蝕傳感探頭和LPFG溫度傳感探頭，再經(jīng)過光開關(guān)，由光開關(guān)的出射端進(jìn)入光譜儀，最后經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理輸出透射光譜與銹蝕狀態(tài)之間的關(guān)系曲線。
2.如權(quán)利要求1所述的混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置，其特征在于:鋼筋銹蝕傳感器探頭包括纖芯、設(shè)在纖芯上的柵區(qū)、設(shè)在柵區(qū)外圍的柔性保護(hù)套管和使柔性保護(hù)套管和纖芯相對(duì)固定的固定裝置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置，其特征在于:鋼筋銹蝕傳感器探頭包括兩根以上的纖芯，同一根纖芯的不同位置刻有不同諧振峰值的LPFG傳感柵區(qū)，通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)不同纖芯間的光路切換。
4.一種混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:包括權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述的混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置。
5.如權(quán)利要求4所述的混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:還包括等比例傳動(dòng)裝置和傳感器封裝殼，傳感器封裝殼設(shè)在待測(cè)鋼筋的外圍，鋼筋銹蝕傳感器探頭與傳感器封裝殼單點(diǎn)固支，等比例傳動(dòng)裝置置于鋼筋和混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置之間。
6.如權(quán)利要求4或5所述的混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于=LPFG溫度傳感探頭的外圍設(shè)有保護(hù)套。
7.如權(quán)利要求4或5所述的混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:還包括用來(lái)固定LPFG溫度傳感探頭的支撐板。
8.如權(quán)利要求4或5所述的混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:傳感器封裝殼及混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)傳感裝置的外圍設(shè)有傳感結(jié)構(gòu)支撐架。
9.如權(quán)利要求8所述的混凝土中鋼筋銹蝕狀態(tài)及溫度場(chǎng)狀態(tài)的全體積監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于:傳感結(jié)構(gòu)支撐架的外圍設(shè)有混凝土保護(hù)層。
【文檔編號(hào)】G01K11/32GK103512850SQ201310506514
【公開日】2014年1月15日 申請(qǐng)日期:2013年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月24日
【發(fā)明者】劉宏月, 韓曉林, 費(fèi)慶國(guó), 芮棽 申請(qǐng)人:東南大學(xué)