專利名稱：監(jiān)測(cè)金屬銹蝕的光纖傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖傳感，特別是一種監(jiān)測(cè)金屬銹蝕的光纖傳感裝置，主要應(yīng)用于鋼索、鋼筋混凝土的大橋、道路、房屋等建筑物中使用的鋼材在空氣中發(fā)生銹蝕情況的監(jiān)測(cè)，也可以用于監(jiān)測(cè)鋁材和其他金屬材料的結(jié)構(gòu)在各種氣氛環(huán)境中被腐蝕的狀況。
背景技術(shù)：
鋼筋混凝土和鋼索是現(xiàn)代基礎(chǔ)設(shè)施中使用最廣泛的建筑結(jié)構(gòu)材料。鋼材具有高強(qiáng)度、易加工、地球上資源豐富的優(yōu)點(diǎn)，但是作為鋼材主要成分的鐵，在水分和氧氣的作用下很容易被氧化銹蝕。鋼索和鋼筋發(fā)生銹蝕，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)坍塌而造成人的生命和財(cái)產(chǎn)的巨大損失。鋁材或其他金屬材料也是人們廣泛使用的結(jié)構(gòu)材料，比如飛機(jī)等運(yùn)輸器具和多種公用設(shè)施。雖然鋁材相對(duì)于鋼鐵不易銹蝕，但是在某些場(chǎng)合，比如在鹽霧區(qū)域，也仍然存在銹蝕變質(zhì)的問題。為了解決結(jié)構(gòu)材料的銹蝕老化的問題，人們采取油漆、電鍍、電化學(xué)等技術(shù)以減輕銹蝕的速度和程度。但是這些措施不可能完全防止銹蝕的發(fā)生。因此人們必須在防銹的同時(shí)，隨時(shí)了解、監(jiān)測(cè)這些材料被腐蝕的情況，以便及時(shí)采取防范措施。在線監(jiān)測(cè)鋼材等金屬材料的銹蝕狀態(tài)，掌握腐蝕速度及其變化規(guī)律，對(duì)于確保建筑結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行，具有十分重要的意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
為了監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料的銹蝕狀況，人們已經(jīng)提出了若干技術(shù)方案。在先技術(shù)之一[[陳偉民等，光子學(xué)報(bào)第28卷第2期129-133頁1999年]，是利用金屬涂復(fù)光纖的傳輸損耗隨金屬層被腐蝕程度的變化來感知金屬的銹蝕狀況。這一方法的傳感頭制作比較困難，首先要將已經(jīng)很細(xì)的光纖腐蝕得更細(xì)，再在其表面制作金屬化，代價(jià)較高。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于金屬材料的初期銹蝕不大敏感。在先技術(shù)之二[P.L.Fuhr等，Proceeding SPIE，1995，24462～8]，是測(cè)量金屬銹蝕后表面顏色的變化來感知材料被腐蝕狀況的。在這一方法中光纖只是起到導(dǎo)光的作用。這一方法的缺點(diǎn)是色譜測(cè)量和分析的成本較高；材料顏色隨銹蝕的變化比較復(fù)雜，容易受到其他環(huán)境情況變化的影響。在先技術(shù)之三[K.D.Benntt，Proceeding SPIE，1995，244671～82]，是采用一個(gè)銹蝕保險(xiǎn)絲，該保險(xiǎn)絲固定一個(gè)小的光纖環(huán)，因此增加了光纖的損耗。當(dāng)保險(xiǎn)絲腐蝕斷的時(shí)候，光纖環(huán)恢復(fù)平直，損耗減小。因而可以對(duì)于金屬材料銹蝕情況給出報(bào)警。這一方法的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)可靠，但是對(duì)于初期銹蝕情況不敏感。不適用于早期和正常運(yùn)行期的監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服在先技術(shù)的缺點(diǎn)，更好地滿足金屬銹蝕狀況監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，本發(fā)明提出一種監(jiān)測(cè)金屬銹蝕的光纖傳感裝置，它是利用光波相位受金屬材料銹蝕狀況影響作為傳感原理的光纖傳感裝置。它應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，可以獲得高靈敏度；可以構(gòu)成多觀察點(diǎn)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種監(jiān)測(cè)金屬銹蝕的光纖傳感裝置，其特征在于包括一探測(cè)頭是由第一光纖在待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料上纏繞N圈構(gòu)成；一參考頭是由第二光纖在一與待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料構(gòu)形和半徑相同的耐腐蝕材料上纏繞N圈構(gòu)成；所述的探測(cè)頭的第一光纖的一端與參考頭的第二光纖的一端經(jīng)分束比為1∶1的第一光纖耦合器耦合并形成第一端口和第二端口，所述的第一光纖和第二光纖的另一端經(jīng)分束比為1∶1的第二光纖耦合器耦合并形成第三端口和第四端口。
所述的光纖圈數(shù)N的取值為N≥1的正整數(shù)。
所述的金屬結(jié)構(gòu)材料的外形為圓柱體。
所述的第三端口和第四端口閉合形成一光纖環(huán)形鏡。
所述的探測(cè)頭是由第一光纖在待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料制成的模擬監(jiān)測(cè)圓柱體上纏繞N圈構(gòu)成的。
該光纖傳感裝置是由多個(gè)所述的探測(cè)頭和多個(gè)參考頭分別串聯(lián)構(gòu)成的。
一種監(jiān)測(cè)金屬銹蝕的光纖傳感裝置，其特征在于探測(cè)頭是由第一光纖在待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料上纏繞N圈后，該第一光纖的兩端經(jīng)一分束比為1∶1的第三光纖耦合器耦合成一薩格納克(Sagnac)環(huán)而構(gòu)成。
本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是(1)本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，與在先技術(shù)相比具有較好的魯棒性。
(2)本發(fā)明可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和制作。采用多的光纖圈數(shù)，可以獲得高的初期銹蝕靈敏度；采用大拉伸應(yīng)力條件下繞制光纖環(huán)，可以滿足較寬的銹蝕程度范圍的監(jiān)測(cè)需要。
(3)本發(fā)明可以采用若干光纖光路實(shí)現(xiàn)多觀察點(diǎn)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明的光纖環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的多圈光纖環(huán)的立體示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1——馬赫-曾德干涉儀方案示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2——邁克爾遜干涉儀方案示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例3——薩格納克(Sagnac)干涉儀方案示意圖；圖6為本發(fā)明在多股鋼索上多圈光纖環(huán)方案的立體示意圖；圖7為本發(fā)明的具有補(bǔ)償溫度效應(yīng)的多段材料補(bǔ)償方案的立體示意圖。
具體實(shí)施例方式
先請(qǐng)參閱圖3，圖3本發(fā)明實(shí)施例1——馬赫-曾德干涉儀示意圖，由圖可見，本發(fā)明監(jiān)測(cè)金屬銹蝕的光纖傳感裝置，其構(gòu)成包括一探測(cè)頭A是由第一光纖2在外形為圓柱體的待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料1上纏繞N圈構(gòu)成；
一參考頭B是由第二光纖21在一與待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料1構(gòu)形和半徑相同的耐腐蝕材料4上纏繞N圈構(gòu)成；所述的探測(cè)頭A的第一光纖2的一端與參考頭B的第二光纖21的一端經(jīng)分束比為1∶1的第一光纖耦合器5耦合并形成第一端口01和第二端口02，所述的第一光纖2和第二光纖21的另一端經(jīng)分束比為1∶1的第二光纖耦合器51耦合并形成第三端口03和第四端口04。
所述的光纖圈數(shù)N的取值為N≥1的正整數(shù)。
圖1本發(fā)明的光纖環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖，是本發(fā)明的核心結(jié)構(gòu)。圖中1為圓柱形金屬結(jié)構(gòu)材料，如鋼筋。2為緊密圍繞在金屬結(jié)構(gòu)材料1四周的傳感光纖；光纖圈數(shù)N根據(jù)具體場(chǎng)合要求，可以是單圈或多圈。3為金屬結(jié)構(gòu)材料的銹蝕層。圖2為本發(fā)明的多圈光纖環(huán)的立體示意圖；本發(fā)明的工作原理如下當(dāng)金屬材料1表面發(fā)生銹蝕時(shí)，銹飾層出現(xiàn)金屬的氧化物或者某種鹽類，其體積就會(huì)膨脹，從而使纏繞在該材料1上的光纖2受到拉伸的應(yīng)力。當(dāng)銹蝕進(jìn)一步發(fā)展，銹蝕程度比較嚴(yán)重時(shí)，由于銹蝕層3的機(jī)械強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于金屬材料，銹蝕層3將發(fā)生脫落和坍縮，纏繞在其四周的光纖2所受到的應(yīng)力將被釋放。因此材料的銹蝕情況可以從光纖所受應(yīng)力的變化反映出來。設(shè)待監(jiān)測(cè)的金屬結(jié)構(gòu)材料1未銹蝕時(shí)的半徑為R，纏繞的光纖2的圈數(shù)為N，光纖2的長(zhǎng)度為L(zhǎng)1＝2πNR。金屬發(fā)生銹蝕后，其半徑改變量為δR，則光纖2的長(zhǎng)度變化量為δL＝2πNδR?？梢?，只要在待測(cè)材料1上纏繞足夠多的光纖圈數(shù)N，就可以實(shí)現(xiàn)待測(cè)材料銹蝕狀態(tài)的高靈敏度監(jiān)測(cè)。
金屬圓柱體銹蝕引起的光纖應(yīng)變，可以用光學(xué)干涉的原理進(jìn)行測(cè)量。本發(fā)明提出的監(jiān)測(cè)光纖應(yīng)變的干涉測(cè)量實(shí)施例1，如圖3所示。圖中A為待監(jiān)測(cè)的金屬材料構(gòu)成的探測(cè)頭。4為一個(gè)由耐腐蝕材料制作的、幾何尺寸與待監(jiān)測(cè)材料相同的圓柱體；四周顫繞長(zhǎng)度為L(zhǎng)2的光纖21，構(gòu)成對(duì)比參考頭B。將監(jiān)測(cè)頭A和對(duì)比參考頭B，用分束比為1∶1的第一光纖耦合器5和第二光纖耦合器51，如圖所示連接起來，構(gòu)成一個(gè)馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)。功率為I0的光源從圖中所示第一輸入端口01或第二輸入端口02輸入，經(jīng)過馬赫-曾德干涉儀兩臂，從第一輸出端口03或第二輸出端口04輸出的光強(qiáng)信號(hào)I1可以表示為I1=I02[1+cos2πnλ(L1-L2)]---(1)]]>式中n為光纖的折射率。當(dāng)材料發(fā)生銹蝕時(shí)，探測(cè)頭A的第一光纖長(zhǎng)度L1發(fā)生變化δL，輸出光強(qiáng)信號(hào)就會(huì)發(fā)生變化。從而可以通過干涉信號(hào)的變化探知金屬材料的銹蝕狀況。
圖4為本發(fā)明實(shí)施例2——邁克爾遜干涉儀方案的示意圖。這是一個(gè)修正的邁克爾遜干涉儀方案。圖中第二光纖耦合器51的第三端口03和第四端口04連接起來，構(gòu)成一個(gè)光纖環(huán)形鏡C。在第二光纖耦合器51的分束比符合1∶1的情況下，從第二光纖耦合器51左邊連接探測(cè)頭A和對(duì)比參考頭B的兩個(gè)端口入射的光波將分別從原端口反方向返回，相當(dāng)于一個(gè)寬帶的全反射鏡。此時(shí)從圖中所標(biāo)的02端口測(cè)量得到的信號(hào)，是由探測(cè)頭A和對(duì)比參考頭B以及共同的光纖環(huán)形鏡C構(gòu)成的邁克爾遜干涉儀的干涉信號(hào)。由于光波在光纖傳感裝置中要走過一個(gè)來回的距離，所以干涉信號(hào)應(yīng)正比于I1=I02[1+cos4πnλ(L1-L2)]---(2)]]>本發(fā)明提出的第二種監(jiān)測(cè)原理，是利用探測(cè)頭A光纖環(huán)的雙折射特性。圍繞成圓環(huán)狀的光纖，在一定條件下會(huì)產(chǎn)生雙折射，這是常用的偏振控制器的基本原理。光纖環(huán)形鏡C的雙折射相位差反比于光纖環(huán)的半徑，正比于光纖環(huán)的圈數(shù)，并正比于光纖所受到的側(cè)向應(yīng)力。在繞制本發(fā)明探測(cè)頭A的光纖環(huán)時(shí)，對(duì)光纖施加一定的軸向拉力，繞好后固定。光纖側(cè)面同待監(jiān)測(cè)的材料圓柱體1之間達(dá)到應(yīng)力的平衡。這樣，當(dāng)材料發(fā)生銹蝕時(shí)，對(duì)光纖側(cè)面的應(yīng)力會(huì)發(fā)生變化，光纖的雙折射將隨之變化。采用一個(gè)偏振光源，對(duì)光纖環(huán)的雙折射特性進(jìn)行測(cè)量，就可以得到待測(cè)材料的銹蝕狀況的信息。
圖5為本發(fā)明實(shí)施例3——薩格納克(Sagnac)干涉儀方案示意圖，是監(jiān)測(cè)光纖環(huán)雙折射特性的Sagnac環(huán)方案。圖中D為一個(gè)將探測(cè)頭A的第一光纖2的兩端通過以分束比為1∶1第三光纖耦合器52用光纖連接起來的Sagnac環(huán)。6為測(cè)試用的光源；7為光電接收器。在這一裝置中，從接收器7得到的光強(qiáng)信號(hào)，可以獲得多圈光纖環(huán)探測(cè)頭A的雙折射特性的變化的信息。
本發(fā)明提出的待監(jiān)測(cè)金屬材料圓柱1，可以用需要監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)材料相同的金屬材料制作，并采用與建筑結(jié)構(gòu)相同的防腐蝕方法，比如油漆等進(jìn)行表面保護(hù)，安置在建筑結(jié)構(gòu)所在的環(huán)境中。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的情況和條件，也可以直接將光纖纏繞在結(jié)構(gòu)材料上。圖6為光纖纏繞在多股鋼索上的傳感頭。圖中2為傳感光纖，8為建筑結(jié)構(gòu)的多股鋼索。
根據(jù)上述發(fā)明內(nèi)容和原理，可以設(shè)計(jì)制作本發(fā)明的金屬銹蝕傳感器的探測(cè)頭A。但由于光纖基質(zhì)材料的折射率有一定的溫度相關(guān)性，實(shí)際器件會(huì)由于溫度的波動(dòng)而產(chǎn)生不穩(wěn)定性，影響測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性。為了解決光纖馬赫-曾德干涉儀的溫度穩(wěn)定性問題，本發(fā)明提出如圖7所示的多段材料補(bǔ)償方案，即。圖中1和4分別為待監(jiān)測(cè)銹蝕狀況的金屬材料和作為對(duì)比的耐腐蝕材料。它們被制作成圓盤狀，互相間隔排列，用螺栓9安裝在一起。第一光纖2和第二21分別緊密纏繞在所述圓盤狀材料構(gòu)成的圓柱材料上。這樣，圖5中所標(biāo)的監(jiān)測(cè)頭A和對(duì)比參考頭B，就能夠很好地處于相同的溫度環(huán)境中。就可以利用圖5所示的馬赫-曾德干涉儀結(jié)構(gòu)，測(cè)量銹蝕引起的干涉光強(qiáng)的變化。
由以上描述可知，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，可以獲得高靈敏度探測(cè)；可以采用若干光纖光路構(gòu)成多觀察點(diǎn)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種監(jiān)測(cè)金屬銹蝕的光纖傳感裝置，其特征在于包括一探測(cè)頭(A)是由第一光纖(2)在待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料(1)上纏繞N圈構(gòu)成的；一參考頭(B)是由第二光纖(21)在一與待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料(1)構(gòu)形和半徑相同的耐腐蝕材料(4)上纏繞N圈構(gòu)成；所述的探測(cè)頭(A)的第一光纖(2)的一端與參考頭(B)的第二光纖(21)的一端經(jīng)分束比為1∶1的第一光纖耦合器(5)耦合并形成第一端口(01)和第二端口(02)，所述的第一光纖(2)和第二光纖(21)的另一端經(jīng)分束比為1∶1的第二光纖耦合器(51)耦合并形成第三端口(03)和第四端口(04)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感裝置，其特征在于所述的光纖圈數(shù)N的取值為N≥1的正整數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感裝置，其特征在于所述的金屬結(jié)構(gòu)材料(1)的外形為圓柱體。
4根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感裝置，其特征在于所述的第三端口(03)和第四端口(04)閉合形成一光纖環(huán)形鏡(C)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感裝置，其特征在于所述的探測(cè)頭(A)是由第一光纖(2)在待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料(1)制成的模擬監(jiān)測(cè)圓柱體(8)上纏繞N圈構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感裝置，其特征在于該光纖傳感裝置是由多個(gè)所述的探測(cè)頭(A)和多個(gè)參考頭(B)分別串聯(lián)構(gòu)成的。
7.一種監(jiān)測(cè)金屬銹蝕的光纖傳感裝置，其特征在于探測(cè)頭(A)是由第一光纖(2)在待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料(1)上纏繞N圈后，該第一光纖(2)的兩端經(jīng)一分束比為1∶1的第三光纖耦合器(52)耦合成一薩格納克環(huán)而構(gòu)成。
全文摘要
一種監(jiān)測(cè)金屬銹蝕的光纖傳感裝置，其構(gòu)成包括一探測(cè)頭是由第一光纖在待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料上纏繞N圈構(gòu)成；一參考頭是由第二光纖在一與待監(jiān)測(cè)金屬結(jié)構(gòu)材料構(gòu)形和半徑相同的耐腐蝕材料上纏繞N圈構(gòu)成；所述的探測(cè)頭的第一光纖的一端與參考頭的第二光纖的一端經(jīng)分束比為1∶1的第一光纖耦合器耦合并形成第一端口和第二端口，所述的第一光纖和第二光纖的另一端經(jīng)分束比為1∶1的第二光纖耦合器耦合并形成第三端口和第四端口。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作容易，可以獲得高靈敏度探測(cè)；可以采用若干光纖光路構(gòu)成多觀察點(diǎn)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01N21/41GK1657908SQ20051002417
公開日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2005年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月2日
發(fā)明者方祖捷, 瞿榮輝, 蔡海文, 陽莎, 耿建新 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所