本發(fā)明屬于土木工程和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器及其溫度補(bǔ)償方法。

背景技術(shù)：

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于跨海大橋、港口和化工廠房等。然而，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在海水、酸性氣體等腐蝕性介質(zhì)的長(zhǎng)期作用下容易出現(xiàn)銹蝕，削弱鋼筋的受力性能，進(jìn)而影響整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力。因此，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于評(píng)估整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載性能具有重要意義。由于鋼筋銹蝕是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，且鋼筋埋置于混凝土內(nèi)部，如何長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確測(cè)量鋼筋銹蝕一直是土木工程領(lǐng)域的難題。常用的方法是測(cè)量鋼筋由于銹蝕而產(chǎn)生的截面積膨脹，通過(guò)截面積膨脹量或者銹脹力來(lái)計(jì)算鋼筋的銹蝕率。

光纖光柵利用一段具有周期性折射率的芯內(nèi)體光柵作為傳感元件，通過(guò)中心波長(zhǎng)的漂移來(lái)感知光柵柵距的改變，進(jìn)而得到外界應(yīng)變和溫度的變化。與電類(lèi)傳感元件相比，光纖光柵具有測(cè)量精度高、耐腐蝕、體積小、重量輕、抗電磁干擾、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸及分布式測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，是制作鋼筋銹蝕傳感器的良好傳感元件。已有的光纖光柵銹蝕傳感器大多采用埋置于被測(cè)鋼筋附近的獨(dú)立銹蝕敏感元件來(lái)感知腐蝕介質(zhì)的入侵，通過(guò)測(cè)量銹蝕敏感元件的銹蝕狀況來(lái)間接獲得鋼筋的銹蝕情況。這些光纖光柵銹蝕傳感器難以保證銹蝕敏感元件位置的腐蝕介質(zhì)入侵情況與實(shí)際鋼筋位置的腐蝕介質(zhì)入侵情況相一致，因此，其測(cè)量結(jié)果往往不能反映混凝土中鋼筋的實(shí)際銹蝕情況。也有采用光纖光柵直接測(cè)量鋼筋銹脹的傳感器，但仍存在對(duì)被測(cè)鋼筋腐蝕環(huán)境擾動(dòng)大、測(cè)量精度低、量程小和構(gòu)造復(fù)雜等缺點(diǎn)，難以在實(shí)際工程中應(yīng)用。另外，溫度和應(yīng)變均會(huì)造成光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移，為了得到由于鋼筋銹脹引起的光纖光柵應(yīng)變，需要對(duì)測(cè)量的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量進(jìn)行溫度補(bǔ)償。因此，設(shè)計(jì)一種對(duì)被測(cè)鋼箱腐蝕環(huán)境影響小且能夠?qū)崿F(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵鋼筋銹蝕傳感器，就成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，它能對(duì)溫度變化引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償并對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋的銹蝕進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量；同時(shí)，還能得到測(cè)點(diǎn)處的溫度值。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供的一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，包括安裝在外殼中的懸臂梁、光纖光柵和探頭，所述懸臂梁具有固定端和自由端，所述固定端與殼體固連，所述探頭安裝在自由端上，所述光纖光柵貼設(shè)于懸臂梁上，所述殼體具有鋼筋接觸部和懸空部，所述探頭從懸空部穿出。

作為優(yōu)選，所述光纖光柵包括第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵，包括相互平行的第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵，所述第一裸光纖光柵與懸臂梁的長(zhǎng)度方向正交。也即第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵均與懸臂梁縱向平行，并通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固定于懸臂梁上表面縱向不同位置。

作為優(yōu)選，所述殼體上具有小孔，所述第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵通過(guò)第二尾纖連接；第一裸光纖光柵的第一尾纖通過(guò)小孔穿出。

作為優(yōu)選，所述外殼內(nèi)填充有柔性材料，防止水泥砂漿進(jìn)入空腔。

作為優(yōu)選，所述懸臂梁的自由端與外殼之間聯(lián)接有彈簧，彈簧的彈力可以保證探頭下端與被測(cè)鋼筋表面緊密接觸，用于感知鋼筋由于銹蝕而引起的截面膨脹。

作為優(yōu)選，所述懸臂梁、彈簧、探頭和外殼的材質(zhì)均為不銹鋼材

本發(fā)明同時(shí)提供上述光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器的溫度補(bǔ)償方法，其技術(shù)原理如下：

根據(jù)模耦合理論，光纖光柵中心波長(zhǎng)與光纖光柵纖芯的有效折射率和光纖光柵柵距的關(guān)系為：

λ＝2n_eff·Λ (1)

其中，λ是光纖光柵的中心波長(zhǎng)；n_eff是光纖光柵纖芯的有效折射率；Λ是光纖光柵的柵距。反射光信號(hào)的中心波長(zhǎng)λ跟光纖光柵柵距Λ和纖芯的有效折射率n_eff有關(guān)，外界溫度變化和應(yīng)變變化都會(huì)導(dǎo)致反射光中心波長(zhǎng)的改變。光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移Δλ與溫度變化ΔT和應(yīng)變變化Δε的關(guān)系為：

Δλ＝α_TΔT+α_εΔε (2)

其中，α_T為光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)，α_ε為光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

如圖1所示，設(shè)有兩根光纖光柵布置于光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器懸臂梁的上表面，光纖光柵S₁距離探頭中心位置的距離為L(zhǎng)₁，光纖光柵S₂距離探頭中心位置的距離為L(zhǎng)₂，L₁和L₂均小于懸臂梁的總長(zhǎng)度L，且L₁和L₂不相等。

由于鋼筋銹蝕體積膨脹引起探頭的位移為Δω，則探頭上的等效荷載ΔF為：

在等效荷載ΔF作用下，光纖光柵S₁和光纖光柵S₂位置處懸臂梁表面的應(yīng)變分別為：

其中，E為懸臂梁的彈性模量；I為懸臂梁的截面慣性矩；y為懸臂梁厚度的一半。

光纖光柵S₁和光纖光柵S₂為同一批生成，溫度靈敏度系數(shù)和應(yīng)變靈敏度系數(shù)相同。在外界溫度和應(yīng)變的共同影響下，光纖光柵S₁和光纖光柵S₂的中心波長(zhǎng)變化量分別為：

Δλ₁＝α_TΔT+α_εΔε₁ (6)

Δλ₂＝α_TΔT+α_εΔε₂ (7)

將式(4)和式(5)分別代入式(6)和式(7)得：

綜合式(8)和式(9)可得測(cè)點(diǎn)處的等效荷載ΔF和溫度變化分別為：

將式(10)代入式(3)可得測(cè)點(diǎn)處探頭的位移變化量為：

利用試驗(yàn)測(cè)定探頭位移變化量Δω與銹蝕率ρ的相關(guān)系數(shù)為μ，則鋼筋的銹蝕率為：

可見(jiàn)，利用兩根粘貼位置不同的光纖光柵，通過(guò)測(cè)量?jī)筛饫w光柵中心波長(zhǎng)的漂移即實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量的溫度補(bǔ)償，進(jìn)而得到測(cè)點(diǎn)處的鋼筋銹蝕率和溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，可將光纖光柵S₁固定于懸臂梁根部附近，光纖光柵S₂距離光纖光柵S₁一定距離。

有益效果：本發(fā)明的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，利用兩根固定于懸臂梁縱向不同位置的裸光纖光柵對(duì)溫度變化引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)還能得到測(cè)點(diǎn)的溫度變化值，可大大減小基于光纖光柵傳感原理的傳感器的體積，提高傳感器的集成度，可為其他光纖光柵類(lèi)傳感器的設(shè)計(jì)提供參考。本發(fā)明的一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器將裸光纖光柵直接粘貼于懸臂梁上，并利用不銹鋼外殼對(duì)裸光纖光柵進(jìn)行保護(hù)，具有測(cè)量精度高、抗施工干擾能力強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。傳感器長(zhǎng)度可在5厘米以內(nèi)，寬度和厚度均可在1厘米以內(nèi)，傳感器的尺寸微小，埋入后對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)。安裝時(shí)只需將傳感器兩端的外殼緊貼被測(cè)鋼筋，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固定，埋設(shè)簡(jiǎn)單方便，且能保證傳感器外殼不會(huì)因?yàn)殇摻钿P蝕而產(chǎn)生位移，傳感器探頭附近鋼筋仍被混凝土包裹，與未埋設(shè)傳感器處鋼筋的銹蝕情況保持一致，保證測(cè)量的客觀性?？蓮V泛用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的測(cè)試，應(yīng)用前景廣闊

本發(fā)明利用兩根固定于懸臂梁縱向不同位置的裸光纖光柵同時(shí)感受由于溫度變化和鋼筋銹蝕引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移，根據(jù)兩根光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量的差異實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕測(cè)量結(jié)果的溫度補(bǔ)償，同時(shí)得到測(cè)點(diǎn)處鋼筋的銹蝕率和溫度變化，此補(bǔ)償方法可大大減小基于光纖光柵傳感原理的傳感器的體積，提高傳感器的集成度。光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵均與懸臂梁縱向平行并通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固定于懸臂梁上表面縱向不同位置構(gòu)成鋼筋銹蝕傳感器的主體。通過(guò)外殼將鋼筋銹蝕傳感器固定于被測(cè)鋼筋表面，安裝方便且能保證鋼筋銹蝕傳感器不會(huì)因?yàn)殇摻钿P蝕而移動(dòng)。鋼筋由于銹蝕而引起的體積膨脹推動(dòng)與懸臂梁相連探頭，使懸臂梁發(fā)生彎曲并在第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵位置產(chǎn)生應(yīng)變。根據(jù)第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移，利用本發(fā)明的溫度補(bǔ)償方法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的補(bǔ)償，得到被測(cè)鋼筋的銹蝕情況和測(cè)點(diǎn)處的溫度變化。該傳感器精度高、體積小、耐久性好、抗電磁干擾，可為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)試提供極大的便利。

除了上面所述的本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題、構(gòu)成技術(shù)方案的技術(shù)特征以及由這些技術(shù)方案的技術(shù)特征所帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)外，本發(fā)明的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器及其溫度補(bǔ)償方法所能解決的其他技術(shù)問(wèn)題、技術(shù)方案中包含的其他技術(shù)特征以及這些技術(shù)特征帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)，將結(jié)合附圖做出進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的光纖光柵溫度補(bǔ)償幾何關(guān)系圖；

圖2是本發(fā)明的光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器內(nèi)部構(gòu)造示意圖；

圖3是本發(fā)明的A-A剖視圖；

圖4是本發(fā)明的B-B剖視圖；

圖5是本發(fā)明的C-C剖視圖；

圖6是本發(fā)明的D-D剖視圖；

圖7是本發(fā)明的E-E剖視圖；

圖中：第一裸光纖光柵1；第二裸光纖光柵2；第一尾纖3；第二尾纖4；小孔5；懸臂梁6；彈簧7；探頭8；外殼9；被測(cè)鋼筋10；柔性材料11。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

本實(shí)施例的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器包括光纖光柵溫度補(bǔ)償方法和光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器；

其中，光纖光柵溫度補(bǔ)償方法，利用兩根光纖光柵布置于光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器懸臂梁的上表面，如圖1所示。光纖光柵S₁距離探頭中心位置的距離為L(zhǎng)₁，光纖光柵S₂距離探頭中心位置的距離為L(zhǎng)₂，L₁和L₂均小于懸臂梁的總長(zhǎng)度L，且L₁和L₂不相等。

根據(jù)模耦合理論，光纖光柵中心波長(zhǎng)與光纖光柵纖芯的有效折射率和光纖光柵柵距的關(guān)系為：

λ＝2n_eff·Λ (1)

其中，λ是光纖光柵的中心波長(zhǎng)；n_eff是光纖光柵纖芯的有效折射率；Λ是光纖光柵的柵距。反射光信號(hào)的中心波長(zhǎng)λ跟光纖光柵柵距Λ和纖芯的有效折射率n_eff有關(guān)，外界溫度變化和應(yīng)變變化都會(huì)導(dǎo)致反射光中心波長(zhǎng)的改變。光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移Δλ與溫度變化ΔT和應(yīng)變變化Δε的關(guān)系為：

Δλ＝α_TΔT+α_εΔε (2)

其中，α_T為光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)，α_ε為光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

由于鋼筋銹蝕體積膨脹引起探頭的位移為Δω，則探頭上的等效荷載ΔF為：

在等效荷載ΔF作用下，光纖光柵S₁和光纖光柵S₂位置處懸臂梁表面的應(yīng)變分別為：

其中，E為懸臂梁的彈性模量；/為懸臂梁的截面慣性矩；y為懸臂梁厚度的一半。

光纖光柵S₁和光纖光柵S₂為同一批生成，溫度靈敏度系數(shù)和應(yīng)變靈敏度系數(shù)相同。在外界溫度和應(yīng)變的共同影響下，光纖光柵S₁和光纖光柵S₂的中心波長(zhǎng)變化量分別為：

Δλ₁＝α_TΔT+α_εΔε₁ (6)

Δλ₂＝α_TΔT+α_εΔε₂ (7)

將式(4)和式(5)分別代入式(6)和式(7)得：

綜合式(8)和式(9)可得測(cè)點(diǎn)處的等效荷載ΔF和溫度變化分別為：

將式(10)代入式(3)可得測(cè)點(diǎn)處探頭的位移變化量為：

利用試驗(yàn)測(cè)定探頭位移變化量Δω與銹蝕率ρ的相關(guān)系數(shù)為μ，則鋼筋的銹蝕率為：

可見(jiàn)，利用兩根粘貼位置不同的光纖光柵，通過(guò)測(cè)量?jī)筛饫w光柵中心波長(zhǎng)的漂移即實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量的溫度補(bǔ)償，進(jìn)而得到測(cè)點(diǎn)處鋼筋的銹蝕率和溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，可將光纖光柵S₁固定于懸臂梁根部附近，光纖光柵S₂距離光纖光柵S₁一定距離。

如圖2-圖7所示，光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，包括第一裸光纖光柵1；第二裸光纖光柵2；第一尾纖3；第二尾纖4；小孔5；懸臂梁6；彈簧7；探頭8；外殼9；柔性材料10；被測(cè)鋼筋11；其中外殼9左端設(shè)小孔5；第一裸光纖光柵1和第二裸光纖光柵2均與懸臂梁6縱向平行并通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固定于懸臂梁6上表面縱向不同位置；第一裸光纖光柵1和第二裸光纖光柵2通過(guò)第二尾纖4連接；第一裸光纖光柵1的第一尾纖3通過(guò)小孔5穿出；懸臂梁6左端固定于外殼9左端內(nèi)側(cè)表面；探頭8上端固定于懸臂梁6右端下表面，下端與被測(cè)鋼筋11表面緊密接觸，用于感知鋼筋由于銹蝕而引起的截面膨脹；彈簧7上端固定于外殼9上端內(nèi)側(cè)表面，下端固定于懸臂梁6右端上表面；光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器空腔內(nèi)填充柔性材料10，防止水泥砂漿進(jìn)入空腔。

在測(cè)量時(shí)，將光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器兩端外殼緊貼被測(cè)鋼筋，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固定，可保證光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器不會(huì)因?yàn)殇摻钿P蝕體積膨脹而產(chǎn)生位移。光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器中部探頭附近，傳感器外殼與被測(cè)鋼筋之間存在縫隙，水泥砂漿可順利滲入縫隙將被測(cè)鋼筋包裹，從而保證探頭處鋼筋的腐蝕環(huán)境與其余未安裝傳感器位置處鋼筋的腐蝕環(huán)境一致，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在探頭四周表面涂抹脫模劑，防止混凝土與探頭粘連，保證探頭能夠順利移動(dòng)。在測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)鋼筋由于銹蝕而產(chǎn)生體積膨脹，推動(dòng)探頭向內(nèi)移動(dòng)，使得懸臂梁在第一裸光纖光柵1和第二裸光纖光柵2處產(chǎn)生應(yīng)變。第一裸光纖光柵1和第二裸光纖光柵2在外界溫度以及應(yīng)變的作用下發(fā)生中心波長(zhǎng)漂移，利用公式(10)和(11)即可對(duì)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果進(jìn)行溫度補(bǔ)償并得到測(cè)點(diǎn)處的溫度變化，利用式(13)可以得到被測(cè)鋼筋的銹蝕率。

以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施方式。對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，在本發(fā)明的原理和技術(shù)思想的范圍內(nèi)，對(duì)這些實(shí)施方式進(jìn)行多種變化、修改、替換和變形仍落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。