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一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作工藝和鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法

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一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作工藝和鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作工藝和鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法,屬于結(jié)構(gòu)工程和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明是利用單端反射長(zhǎng)周期光纖光柵對(duì)環(huán)境折射率的敏感性,將其通過(guò)水泥砂漿封裝后,固定在鋼筋籠上,定期由光柵解調(diào)儀觀察其反射譜的諧振峰值,以此判斷光柵周?chē)恼凵渎首兓?,并推斷鋼筋銹蝕的程度與速率。本發(fā)明通過(guò)對(duì)埋入的單端反射長(zhǎng)周期光纖光柵的反射譜諧振峰幅值進(jìn)行監(jiān)測(cè),可以在不損傷混凝土表面的前提下,對(duì)任何環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件中的任何型號(hào)鋼筋腐蝕情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),準(zhǔn)確確定鋼筋銹蝕的程度及速率,應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性檢測(cè)和評(píng)估。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作工藝和 鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及的是結(jié)構(gòu)工程和光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域,主要是應(yīng)用于鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方面 的一種單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感,尤其涉及一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳 感器及其制作工藝和鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)憑借其具有良好的耐用性能,應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但當(dāng)它工作在海 水等侵蝕的環(huán)境中時(shí),會(huì)導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋很容易發(fā)生銹蝕。鋼筋銹蝕的問(wèn)題 不僅會(huì)給社會(huì)帶來(lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失,造成資源材料的浪費(fèi),還會(huì)在一定程度上降低鋼 筋的使用年限及其承負(fù)載能力,損壞鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu),甚至?xí)绊懙饺松戆踩K?,關(guān) 于研究鋼筋銹蝕的問(wèn)題具有重要的理論意義和實(shí)際意義。
[0003] 對(duì)于我國(guó)沿海的混凝土結(jié)構(gòu)而言,氯離子侵蝕是造成混凝土中鋼筋銹蝕的主要原 因之一。氯離子侵入混凝土,導(dǎo)致混凝土內(nèi)鋼筋失去鈍化膜保護(hù),是混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕 的先決條件。在氯腐蝕環(huán)境下,氯離子從混凝土外表面向內(nèi)擴(kuò)散,當(dāng)鋼筋表面氯離子濃度超 過(guò)一定含量,鋼筋就會(huì)以較快速度開(kāi)始腐蝕,該閾值稱(chēng)為臨界氯離子濃度。因此,若能對(duì)鋼 筋周?chē)入x子濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),判斷其是否達(dá)到臨界氯離子濃度,則能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼筋的早期 銹蝕監(jiān)測(cè)。
[0004] 目前,鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)的方法很多,有物理檢測(cè)法、電化學(xué)檢測(cè)法、光纖檢測(cè)法等。相 對(duì)而言,光纖徑細(xì)、質(zhì)輕、靈敏度高、抗強(qiáng)電磁干擾、耐腐蝕、集信息傳感和傳輸于一體,易于 實(shí)現(xiàn)光纖傳感陣列、多點(diǎn)或分布式監(jiān)測(cè),特別適合于隱蔽部位及肉眼無(wú)法看到或接觸到的 危險(xiǎn)區(qū)域,在土木工程領(lǐng)域受到極大重視,并在鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方面逐漸成為熱點(diǎn)之一。
[0005] 李俊等人提出了采用光纖布喇格光柵測(cè)量鋼筋的應(yīng)變來(lái)監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕的狀態(tài),同 時(shí)另外設(shè)置一個(gè)光纖光柵傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償;劉宏月等人利用長(zhǎng)周期光纖光柵的折射率 敏感特性來(lái)監(jiān)測(cè)鋼筋銹蝕的程度和速度,但其采用的長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器為透射結(jié)構(gòu), 由于透射結(jié)構(gòu)必須使用寬帶光源及光譜儀進(jìn)行檢測(cè),設(shè)備價(jià)格昂貴,且檢測(cè)方案必須進(jìn)行 溫度補(bǔ)償;王彥等人利用長(zhǎng)周期光纖光柵的微彎特性來(lái)監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹蝕,但 是以上采用的長(zhǎng)周期光纖光柵都是透射式結(jié)構(gòu),檢測(cè)設(shè)備昂貴笨重,在實(shí)際監(jiān)測(cè)過(guò)程非常 不方便,導(dǎo)致工程應(yīng)用并不廣泛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 1.發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0007] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)中存在的監(jiān)測(cè)靈敏度低的問(wèn)題。本發(fā)明提出了 一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器及其制作工藝和鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法,它通過(guò)監(jiān) 測(cè)傳感探頭反射譜波長(zhǎng)的變化,判斷鋼筋的銹蝕程度,并通過(guò)采用有機(jī)玻璃材料對(duì)傳感探 頭固定,從理論上解決了實(shí)際運(yùn)用中光纖光柵受多參量影響的溫度補(bǔ)償問(wèn)題,并且無(wú)需使 用昂貴笨重的檢測(cè)設(shè)備如寬帶光源及光譜儀,進(jìn)一步解決了普通長(zhǎng)周期光纖光柵傳感的應(yīng) 用限制。
[0008] 2.技術(shù)方案
[0009] 為解決上述問(wèn)題,本發(fā)明提供的技術(shù)方案為:
[0010] -種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,包括長(zhǎng)周期光纖光柵傳感,長(zhǎng)周期 光纖光柵傳感包括光纖光柵段、光纖段和尾端段,還包括毛細(xì)管和水泥砂漿,從左到右依次 為光纖光柵段、光纖段和尾端段,光纖光柵段的表面上設(shè)有一層光纖光柵段金屬膜,尾端段 的表面上設(shè)有一層尾端段金屬膜,尾端段的端面上設(shè)有一層尾端段端面金屬膜;長(zhǎng)周期光 纖光柵傳感附著在毛細(xì)管上,長(zhǎng)周期光纖光柵傳感和毛細(xì)管的外部為一層水泥砂漿。
[0011] 優(yōu)選地,所述的光纖光柵段金屬膜、尾端段金屬膜和尾端段端面金屬膜均為鈀金 膜,尾端段由內(nèi)至外依次為尾端段纖芯和尾端段金屬膜,尾端段的端面有尾端段端面金屬 膜。
[0012] 優(yōu)選地,光纖光柵段由內(nèi)至外依次為光纖光柵段纖芯和光纖光柵段金屬膜。
[0013] 優(yōu)選地,毛細(xì)管為有機(jī)玻璃毛細(xì)管。有機(jī)玻璃毛細(xì)管的規(guī)格為:長(zhǎng)度為10-14cm,直 徑為1.5-2mm,可以保護(hù)單端反射鍍膜長(zhǎng)周期光纖光柵的使用壽命,并且具有溫度補(bǔ)償?shù)淖?用,避免因溫度的變化造成光纖諧振波長(zhǎng)的變化,從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的干擾。也可以不使用有機(jī) 玻璃毛細(xì)管材料,但只能固定保護(hù),不能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br>[0014] 優(yōu)選地,光纖陶瓷芯位于長(zhǎng)周期光纖光柵傳感靠近探頭傳感端面一端的外面。用 于保護(hù)單端的反射效果。
[0015] 優(yōu)選地,長(zhǎng)周期光纖光柵傳感的兩端水平放置,用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏貼在毛細(xì)管上。穩(wěn) 定性好,附著力強(qiáng),同時(shí)注意避免環(huán)氧樹(shù)脂膠接觸到光柵傳感區(qū)域及端面反射區(qū)域,否則會(huì) 改變光柵本身的傳感特性。
[0016]優(yōu)選地,光纖光柵段金屬膜的厚度為50-100nm,尾端段金屬膜、尾端段端面金屬膜 的厚度均為700-1000nm〇
[0017]優(yōu)選地,在毛細(xì)管上黏貼兩根長(zhǎng)周期光纖光柵傳感,其中一根長(zhǎng)周期光纖光柵傳 感用于測(cè)溫,采用軟件方式消除溫度誤差。
[0018] 優(yōu)選地,所述光纖光柵段的長(zhǎng)度為4-6cm,光纖段的長(zhǎng)度為l-2cm,尾端段的長(zhǎng)度為 l-6cm〇
[0019] -種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器制作工藝,其步驟為:
[0020] A、根據(jù)以上所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,將長(zhǎng)周期光纖光 柵的一端切平,形成光纖光柵段和光纖段;
[0021] B、光纖光柵段內(nèi)部是光纖光柵段纖芯,在光纖光柵段表面鍍一層光纖光柵段金屬 膜,長(zhǎng)周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng);
[0022] C、選取普通圓柱形單模光纖,在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜,以 形成高反射率鏡面,在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜,該單模光纖為尾端段; [0023] D、將光纖段與尾端段熔接,形成探頭傳感結(jié)構(gòu),構(gòu)成長(zhǎng)周期光纖光柵傳感;
[0024] E、光纖陶瓷芯位于長(zhǎng)周期光纖光柵傳感靠近探頭傳感端面一端的外面;
[0025] F、用環(huán)氧樹(shù)脂膠將長(zhǎng)周期光纖光柵傳感黏貼在毛細(xì)管上;
[0026] G、長(zhǎng)周期光纖光柵傳感和毛細(xì)管構(gòu)成的整體采用水泥砂漿澆筑。
[0027] 9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器制作工藝, 其特征在于,水泥砂漿的厚度為1.5-3cm。便于保持傳感器內(nèi)外環(huán)境一致,使得傳感器與待 測(cè)鋼筋所處環(huán)境相同,提高測(cè)量的精準(zhǔn)度。
[0028] -種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法,其步驟為:
[0029] A、根據(jù)以上所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,將光纖光柵段1 引出的傳輸線纜與光纖光柵解調(diào)儀連接,光纖光柵解調(diào)儀的精度與光譜儀的精度對(duì)比連 接;
[0030] B、光纖光柵解調(diào)儀通道內(nèi)部發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)光纖光柵段、光纖段和尾端段;
[0031] C、光在光纖光柵段上發(fā)生SPR效應(yīng),通過(guò)光纖段到達(dá)探頭傳感端面;
[0032] D、光從探頭傳感端面被反射回來(lái),依次經(jīng)過(guò)尾端段、光纖段和光纖光柵段,發(fā)生 SPR效應(yīng),且與前向傳輸?shù)墓獍l(fā)生自干涉效應(yīng),返回到光纖光柵解調(diào)儀通道內(nèi);
[0033] E、光纖光柵解調(diào)儀將光傳輸過(guò)程中的光譜顯示出來(lái);
[0034] F、把鋼筋銹蝕的狀態(tài)和光譜的諧振峰波長(zhǎng)的偏移聯(lián)系起來(lái),從而計(jì)算出實(shí)際中鋼 筋銹蝕的狀態(tài)。
[0035] 3.有益效果
[0036] 采用本發(fā)明提供的技術(shù)方案,與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有如下有益效果:
[0037] (1)本發(fā)明的長(zhǎng)周期光纖光柵折射率的敏感性,能夠監(jiān)測(cè)出鋼筋周?chē)h(huán)境的變化, 而環(huán)境中的氯離子濃度是影響鋼筋銹蝕狀態(tài)的主要原因,本發(fā)明的傳感器能夠檢測(cè)出鋼筋 所在環(huán)境中的氯離子濃度,光譜的諧振峰波長(zhǎng)的偏移反映出鋼筋所在環(huán)境中的氯離子濃度 值,根據(jù)氯離子濃度與鋼筋銹蝕之間的關(guān)系,進(jìn)而從光譜的諧振峰波長(zhǎng)的偏移,判斷出鋼筋 銹蝕的狀態(tài);
[0038] (2)本發(fā)明利用水泥砂漿封裝傳感器,保證傳感器內(nèi)與外界鋼筋所處的環(huán)境相同, 基座的材料為不銹鋼;結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于操作,抗振動(dòng),抗沖擊,解決了長(zhǎng)周期光纖光柵在實(shí)際 使用過(guò)程中監(jiān)測(cè)不方便的問(wèn)題;
[0039] (3)本發(fā)明在光纖光柵段表面鍍一層光纖光柵段金屬膜,在尾端段的端面鍍一層 尾端段端面金屬膜,以形成高反射率鏡面,在尾端段的表面鍍一層尾端段金屬膜,鍍膜的方 法是:采用鍍膜設(shè)備HUMMER離子鍍膜儀,鍍膜材料為鈀金,選擇鈀金的原因是由于其具有高 反射率、不易氧化,從而提高了監(jiān)測(cè)的靈敏度,極易與光纖附著粘合,鍍膜時(shí)間為5min,鍍膜 后端面反射率可達(dá)75 %,尾端段端面金屬膜作為全波段的端面反射鏡,并且光纖光柵段到 尾端段端面金屬膜的中間存在一定的距離,這樣就形成一種單端反射式長(zhǎng)周期光纖光柵;
[0040] (4)本發(fā)明通過(guò)光纖光柵解調(diào)儀通道內(nèi)部發(fā)出的光經(jīng)過(guò)本發(fā)明的傳感器后,被反 射回光纖光柵解調(diào)儀并顯示光譜,不需要采用寬帶光源及光譜儀進(jìn)行測(cè)量,從而節(jié)省了成 本,便于在實(shí)踐中推廣使用,且不要占用較多人力;
[0041] (5)本發(fā)明的這種光纖段和尾端段分開(kāi)式的結(jié)構(gòu),使得尾端段能夠選擇具有一些 特殊性質(zhì)的光纖,且在使用過(guò)程中,端部容易受外界碰觸而損壞,而分段式結(jié)構(gòu)易于更換端 部結(jié)構(gòu);
[0042] (6)光從探頭傳感端面被反射回來(lái),依次經(jīng)過(guò)尾端段、光纖段和光纖光柵段,發(fā)生 SPR效應(yīng),且與前向傳輸?shù)墓獍l(fā)生自干涉效應(yīng),返回到光纖光柵解調(diào)儀通道內(nèi);前向傳輸?shù)?光與反向傳輸?shù)墓獍l(fā)生自干涉效應(yīng),使諧振峰值更大,起到了信號(hào)放大的作用,提高了測(cè)量 的精度和檢測(cè)的靈敏度;
[0043] (7)本發(fā)明通過(guò)對(duì)埋入的單端反射長(zhǎng)周期光纖光柵的反射譜諧振峰幅值進(jìn)行監(jiān) 測(cè),可以在不損傷混凝土表面的前提下,對(duì)任何環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件中的任何型號(hào)鋼筋 腐蝕情況進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),準(zhǔn)確確定鋼筋銹蝕的程度及速率,應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域中鋼筋混 凝土結(jié)構(gòu)的耐久性檢測(cè)和評(píng)估。
【附圖說(shuō)明】
[0044] 圖1為本發(fā)明的傳感器的封裝圖;
[0045]圖2為本發(fā)明的傳感器的原理圖;
[0046] 圖3為本發(fā)明的系統(tǒng)連接示意圖。
[0047] 不意圖中的標(biāo)號(hào)說(shuō)明:
[0048] 1、光纖光柵段;2、光纖段;3、尾端段;4、光纖光柵段纖芯;5、光纖段纖芯;6、尾端段 纖芯;61、探頭傳感端面;7、光纖光柵段金屬膜;8、尾端段金屬膜;9、尾端段端面金屬膜;10、 光纖光柵解調(diào)儀;11、長(zhǎng)周期光纖光柵傳感;12、光纖陶瓷芯;13、毛細(xì)管;14、水泥砂漿;15、 環(huán)氧樹(shù)脂膠。
【具體實(shí)施方式】
[0049] 為進(jìn)一步了解本發(fā)明的內(nèi)容,結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。
[0050] -種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,包括長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11,長(zhǎng)周 期光纖光柵傳感11包括光纖光柵段1、光纖段2和尾端段3,還包括毛細(xì)管13和水泥砂漿14, 從左到右依次為光纖光柵段1、光纖段2和尾端段3,光纖光柵段1的表面上設(shè)有一層光纖光 柵段金屬膜7,尾端段3的表面上設(shè)有一層尾端段金屬膜8,尾端段3的端面上設(shè)有一層尾端 段端面金屬膜9;長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11附著在毛細(xì)管13上,長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11和毛細(xì) 管13的外部為一層水泥砂衆(zhòng)14。
[0051] 光纖光柵段金屬膜7、尾端段金屬膜8和尾端段端面金屬膜9均為鈀金膜,尾端段3 由內(nèi)至外依次為尾端段纖芯6和尾端段金屬膜8,尾端段3的端面有尾端段端面金屬膜9。 [0052]長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11的兩端水平放置,用環(huán)氧樹(shù)脂膠15黏貼在毛細(xì)管13上,光 纖光柵段1由內(nèi)至外依次為光纖光柵段纖芯4和光纖光柵段金屬膜7,毛細(xì)管13為有機(jī)玻璃 毛細(xì)管,有機(jī)玻璃毛細(xì)管4的規(guī)格為:長(zhǎng)度為10-14cm,直徑為1.5-2_,可以保護(hù)單端反射鍍 膜長(zhǎng)周期光纖光柵的使用壽命,并且具有溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?,避免因溫度的變化造成光纖諧 振波長(zhǎng)的變化,從而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的干擾。也可以不使用有機(jī)玻璃毛細(xì)管材料,但只能固定保 護(hù),不能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?br>[0053] 光纖陶瓷芯12位于長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11靠近探頭傳感端面61-端的外面。用于 保護(hù)單端的反射效果。
[0054]穩(wěn)定性好,附著力強(qiáng),同時(shí)注意避免環(huán)氧樹(shù)脂膠15接觸到光柵傳感區(qū)域及端面反 射區(qū)域,否則會(huì)改變光柵本身的傳感特性。
[0055]光纖光柵段金屬膜7的厚度為50-100nm,尾端段金屬膜8、尾端段端面金屬膜9的厚 度均為700-1000nm。光纖光柵段1的長(zhǎng)度為4-6cm,光纖段2的長(zhǎng)度為l-2cm,尾端段3的長(zhǎng)度 為l-6cm。在毛細(xì)管13上黏貼兩根長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11,其中一根長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11 用于測(cè)溫,另一根長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11用于測(cè)溫和折射率,采用軟件方式消除溫度誤差, 在軟件中算法實(shí)現(xiàn),將溫度的影響去除,只剩下折射率的變化。
[0056] -種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器制作工藝,其步驟為:
[0057] A、根據(jù)以上所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,將長(zhǎng)周期光纖光 柵的一端切平,形成光纖光柵段1和光纖段2;
[0058] B、光纖光柵段1內(nèi)部是光纖光柵段纖芯4,在光纖光柵段1表面鍍一層光纖光柵段 金屬膜7,長(zhǎng)周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng);
[0059] C、選取普通圓柱形單模光纖,在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜9,以 形成高反射率鏡面,在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜8,該單模光纖為尾端段3;
[0060] D、將光纖段2與尾端段3熔接,形成探頭傳感結(jié)構(gòu),構(gòu)成長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11; [0061] E、光纖陶瓷芯12位于長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11靠近探頭傳感端面61-端的外面;
[0062] F、用環(huán)氧樹(shù)脂膠15將長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11黏貼在毛細(xì)管13上;
[0063] G、長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11和毛細(xì)管13構(gòu)成的整體采用水泥砂漿14澆筑。水泥砂漿 14的厚度為1.5-3cm。便于保持傳感器內(nèi)外環(huán)境一致,使得傳感器與待測(cè)鋼筋所處環(huán)境相 同,提高測(cè)量的精準(zhǔn)度。
[0064] -種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法,其步驟為:
[0065] A、根據(jù)以上所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,將光纖光柵段1 引出的傳輸線纜與光纖光柵解調(diào)儀10連接,光纖光柵解調(diào)儀10的精度與光譜儀的精度對(duì)比 連接;
[0066] B、光纖光柵解調(diào)儀10通道內(nèi)部發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)光纖光柵段1、光纖段2和尾端段 3;
[0067] C、光在光纖光柵段1上發(fā)生SPR效應(yīng),通過(guò)光纖段2到達(dá)探頭傳感端面61;
[0068] D、光從探頭傳感端面61被反射回來(lái),依次經(jīng)過(guò)尾端段3、光纖段2和光纖光柵段1, 發(fā)生SPR效應(yīng),且與前向傳輸?shù)墓獍l(fā)生自干涉效應(yīng),返回到光纖光柵解調(diào)儀10通道內(nèi);
[0069] E、光纖光柵解調(diào)儀10將光傳輸過(guò)程中的光譜顯示出來(lái);
[0070] F、把鋼筋銹蝕的狀態(tài)和光譜的諧振峰波長(zhǎng)的偏移聯(lián)系起來(lái),從而計(jì)算出實(shí)際中鋼 筋銹蝕的狀態(tài)。
[0071] 實(shí)施例1
[0072] 結(jié)合圖1-3, 一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,包括長(zhǎng)周期光纖光柵傳 感11,其特征在于,長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11包括光纖光柵段1、光纖段2和尾端段3,還包括毛 細(xì)管13和水泥砂漿14,從左到右依次為光纖光柵段1、光纖段2和尾端段3,光纖光柵段1的表 面上設(shè)有一層光纖光柵段金屬膜7,尾端段3的表面上設(shè)有一層尾端段金屬膜8,尾端段3的 端面上設(shè)有一層尾端段端面金屬膜9;長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11附著在毛細(xì)管13上,長(zhǎng)周期光 纖光柵傳感11和毛細(xì)管13的外部為一層水泥砂衆(zhòng)14。
[0073] 實(shí)施例2
[0074]本實(shí)施例同實(shí)施例1類(lèi)似,其中不同之處在于,毛細(xì)管13為有機(jī)玻璃毛細(xì)管,有機(jī) 玻璃毛細(xì)管4的規(guī)格為:長(zhǎng)度為10cm,直徑為1.5mm,光纖光柵段金屬膜7的厚度為50nm,尾端 段金屬膜8、尾端段端面金屬膜9的厚度均為700nm,光纖光柵段1的長(zhǎng)度為4cm,光纖段2的長(zhǎng) 度為lcm,尾端段3的長(zhǎng)度為lcm,水泥砂衆(zhòng)14的厚度為1.5cm〇
[0075] 實(shí)施例3
[0076] 本實(shí)施例同實(shí)施例1類(lèi)似,其中不同之處在于,毛細(xì)管13為有機(jī)玻璃毛細(xì)管,有機(jī) 玻璃毛細(xì)管4的規(guī)格為:長(zhǎng)度為14cm,直徑為2mm,光纖光柵段金屬膜7的厚度為100nm,尾端 段金屬膜8、尾端段端面金屬膜9的厚度均為1000 nm,光纖光柵段1的長(zhǎng)度為6cm,光纖段2的 長(zhǎng)度為2cm,尾端段3的長(zhǎng)度為6cm,水泥砂衆(zhòng)14的厚度為3cm〇
[0077] 實(shí)施例4
[0078] 本實(shí)施例同實(shí)施例1類(lèi)似,其中不同之處在于,毛細(xì)管13為有機(jī)玻璃毛細(xì)管,有機(jī) 玻璃毛細(xì)管4的規(guī)格為:長(zhǎng)度為13cm,直徑為1.82mm,光纖光柵段金屬膜7的厚度為90nm,尾 端段金屬膜8、尾端段端面金屬膜9的厚度均為800nm,光纖光柵段1的長(zhǎng)度為5cm,光纖段2的 長(zhǎng)度為1.5cm,尾端段3的長(zhǎng)度為5cm,水泥砂衆(zhòng)14的厚度為2cm〇
[0079] 實(shí)施例5
[0080] 本實(shí)施例同實(shí)施例1類(lèi)似,其中不同之處在于,長(zhǎng)周期光纖光柵傳感11 一端光纖露 出與外部設(shè)備連接,整個(gè)傳感器體積小,易于安裝,并極易檢測(cè)到傳感器外的鋼筋周?chē)凵?率,在實(shí)際工程應(yīng)用監(jiān)測(cè)時(shí),將傳感器固定在建筑物待測(cè)鋼筋籠上,鋼筋銹蝕的監(jiān)測(cè)的儀器 可使用光纖光柵傳感解調(diào)儀(如Micronoptics SM-125)實(shí)現(xiàn),根據(jù)單端反射長(zhǎng)周期光纖光 柵的波長(zhǎng)值,判斷鋼筋周?chē)h(huán)境折射率的變化,從而判斷鋼筋銹蝕的狀態(tài)。
[0081] 在施工中只需將封裝好的傳感部分固定在鋼筋籠上就可以按照普通的施工方法 進(jìn)行施工,可以大大降低對(duì)施工過(guò)程及結(jié)構(gòu)本身的影響。
[0082] 實(shí)施例6
[0083] 下面論述單端反射長(zhǎng)周期光纖光柵探頭(Single Coating Long-period-fiber grating,SCLPG)的傳感原理。
[0084] 本實(shí)施例是對(duì)實(shí)施例1-5的原理論述,單端反射長(zhǎng)周期光纖光柵探頭(Single Coating Long-period-fiber grating,SCLPG)的傳感原理:
[0085] LPFG的模式耦合屬于纖芯基模LPOl與同向傳輸?shù)囊浑A包層模LPOm之間的耦合。由 耦合模理論可知,長(zhǎng)周期光纖光柵的相位匹配條件可由式表示:
[0086]

[0087] 分別為光纖纖芯和第m次包層模的有效折射率。纖芯基模的有效折射率 ?5·由纖芯折射率m和包層折射率n 2決定,而包層模的有效折射率與m,n2有關(guān)的同時(shí),還與 環(huán)境折射率nsur有關(guān),當(dāng)環(huán)境折射率變化將引起包層模有效折射率的變化,進(jìn)而引起諧振波 長(zhǎng)Al的漂移。因此,LPFG的諧振波長(zhǎng)對(duì)外界環(huán)境折射率的變化尤為敏感,對(duì)一周期固定的 LPFGj-
[0088]
[0089]同時(shí),隨著環(huán)境折射率nsur的變化,LPFG在諧振波長(zhǎng)Al處的透射率T也相應(yīng)發(fā)生變 化:
[0090
[0091 為纖芯基模與包層模之間的耦合系數(shù),L為光柵長(zhǎng)度。
[0092]
[0093] I為纖芯區(qū)域內(nèi)基模與包層模的交叉積分。其中:Ect)re,Eciad分別為纖芯基模和包層 模的電場(chǎng)幅值,Dn。。為纖芯的調(diào)制率,a為纖芯半徑。
[0094]由此可見(jiàn),當(dāng)LPFG受到外界折射率發(fā)生變化時(shí),將引起包層模有效折射率<廣的變 化,由此使諧振波長(zhǎng)k發(fā)生漂移,同時(shí),</B的變化也改變積分I值,從而引起耦合系數(shù)k的變 化,進(jìn)而使得諧振波長(zhǎng)k對(duì)應(yīng)的透射率發(fā)生變化,即LPFG的整個(gè)透射譜發(fā)生變化。
[0095]長(zhǎng)周期光纖光柵的光柵周期一般在100μπι以上,它基于光纖內(nèi)滿(mǎn)足相位匹配條件 的同向模式之間的諧振耦合,是將前向傳輸?shù)膶?dǎo)模與其他前向?qū);蚯跋蜉椛淠Vg耦 合,將光波中某頻帶的光耦合到包層中去而損耗掉,因此無(wú)后向反射。而當(dāng)在光柵端面鍍上 反射率高的金屬膜之后,本來(lái)經(jīng)過(guò)LPFG的透射光將在端面反射,形成單端反射長(zhǎng)周期光纖 光柵探頭。并且經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其同樣具有溫度、折射率傳感特性。
[0096]在環(huán)境折射率小于包層模折射率1.458左右時(shí),諧振波長(zhǎng)隨著環(huán)境折射率的增加 向短波方向偏移,在靠近包層折射率時(shí),偏移量顯著變大,此時(shí)LPFG對(duì)折射率的敏感性增 加;當(dāng)環(huán)境折射率增加到等于包層折射率時(shí),此時(shí)可認(rèn)為包層半徑無(wú)限大,耦合峰全部消 失;而當(dāng)環(huán)境折射率繼續(xù)增大到高于包層折射率時(shí),諧振波長(zhǎng)重新在初始位置出現(xiàn),且隨著 折射率的繼續(xù)增加,諧振峰位置幾乎不變,但此時(shí)耦合強(qiáng)度降低,透射率增加,諧振峰深度 變淺。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知,鋼筋銹蝕較嚴(yán)重時(shí),銹水折射率為1.3536,仍小于包層模的折射率 1.458,即仍然處于可監(jiān)測(cè)范圍。
[0097]以上示意性的對(duì)本發(fā)明及其實(shí)施方式進(jìn)行了描述,該描述沒(méi)有限制性,附圖中所 示的也只是本發(fā)明的實(shí)施方式之一,實(shí)際的結(jié)構(gòu)并不局限于此。所以,如果本領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員受其啟示,在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造宗旨的情況下,不經(jīng)創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)出與該技術(shù)方案 相似的結(jié)構(gòu)方式及實(shí)施例,均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,包括長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11),其特 征在于,長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11)包括光纖光柵段(1)、光纖段(2)和尾端段(3),還包括毛 細(xì)管(13)和水泥砂漿(14),從左到右依次為光纖光柵段(1)、光纖段(2)和尾端段(3),光纖 光柵段(1)的表面上設(shè)有一層光纖光柵段金屬膜(7),尾端段(3)的表面上設(shè)有一層尾端段 金屬膜(8),尾端段(3)的端面上設(shè)有一層尾端段端面金屬膜(9);長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11) 附著在毛細(xì)管(13)上,長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11)和毛細(xì)管(13)的外部為一層水泥砂漿 (14) 〇2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,其特征在于,所 述的光纖光柵段金屬膜(7)、尾端段金屬膜(8)和尾端段端面金屬膜(9)均為鈀金膜,尾端段 (3)由內(nèi)至外依次為尾端段纖芯(6)和尾端段金屬膜(8),尾端段(3)的端面有尾端段端面金 屬膜(9)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,其特征在于,毛 細(xì)管(13)為有機(jī)玻璃毛細(xì)管。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,其特征在于,光 纖陶瓷芯(12)位于長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11)靠近探頭傳感端面(61)-端的外面。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,其特征在于,長(zhǎng) 周期光纖光柵傳感(11)的兩端水平放置,用環(huán)氧樹(shù)脂膠(15)黏貼在毛細(xì)管(13)上。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,其特征在于,在 毛細(xì)管(13)上黏貼兩根長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11),其中一根長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11)用于 測(cè)溫,采用軟件方式消除溫度誤差。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,其特征在于,所 述光纖光柵段(1)的長(zhǎng)度為4-6cm,光纖段(2)的長(zhǎng)度為l-2cm,尾端段(3)的長(zhǎng)度為l-6cm〇8. -種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器制作工藝,其特征在于: A、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,將長(zhǎng)周期光纖 光柵的一端切平,形成光纖光柵段(1)和光纖段(2); B、 光纖光柵段(1)內(nèi)部是光纖光柵段纖芯(4),在光纖光柵段(1)表面鍍一層光纖光柵 段金屬膜(7),長(zhǎng)周期光纖光柵表面形成等離子體共振效應(yīng); C、 選取普通圓柱形單模光纖,在該單模光纖的端面鍍一層尾端段端面金屬膜(9),以形 成高反射率鏡面,在該單模光纖的表面鍍一層尾端段金屬膜(8),該單模光纖為尾端段(3); D、 將光纖段(2)與尾端段(3)熔接,形成探頭傳感結(jié)構(gòu),構(gòu)成長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11); E、 光纖陶瓷芯(12)位于長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11)靠近探頭傳感端面(61)-端的外面; F、 用環(huán)氧樹(shù)脂膠(15)將長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11)黏貼在毛細(xì)管(13)上; G、 長(zhǎng)周期光纖光柵傳感(11)和毛細(xì)管(13)構(gòu)成的整體采用水泥砂漿(14)澆筑。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器制作工藝,其特 征在于,水泥砂漿(14)的厚度為1.5-3cm〇10. -種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器的鋼筋銹蝕監(jiān)測(cè)方法,其特征在于: A、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單端鍍膜反射式長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器,將光纖光柵段1 引出的傳輸線纜與光纖光柵解調(diào)儀(10)連接,光纖光柵解調(diào)儀(10)的精度與光譜儀的精度 對(duì)比連接; B、 光纖光柵解調(diào)儀(10)通道內(nèi)部發(fā)出的光依次經(jīng)過(guò)光纖光柵段(1)、光纖段(2)和尾端 段⑶; C、 光在光纖光柵段(1)上發(fā)生SPR效應(yīng),通過(guò)光纖段(2)到達(dá)探頭傳感端面(61),光纖陶 瓷芯(12)保護(hù)探頭傳感端面(61 ),使得單端反射效果更好; D、 光從探頭傳感端面(61)被反射回來(lái),依次經(jīng)過(guò)尾端段(3)、光纖段(2)和光纖光柵段 (1),發(fā)生SPR效應(yīng),且與前向傳輸?shù)墓獍l(fā)生自干涉效應(yīng),返回到光纖光柵解調(diào)儀(10)通道 內(nèi); E、 光纖光柵解調(diào)儀(10)將光傳輸過(guò)程中的光譜顯示出來(lái); F、 把鋼筋銹蝕的狀態(tài)和光譜的諧振峰波長(zhǎng)的偏移聯(lián)系起來(lái),從而計(jì)算出實(shí)際中鋼筋銹 蝕的狀態(tài)。
【文檔編號(hào)】G01N21/25GK105842147SQ201610410942
【公開(kāi)日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年6月3日
【發(fā)明人】王彥, 胡興柳, 劉加萍, 趙凱, 孔正義
【申請(qǐng)人】安徽工業(yè)大學(xué)
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