一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器，将测量光纤探头置于待测混凝土中，测量光纤探头的结构为H型微结构光纤，H型微结构光纤的凹槽表面镀有氯离子敏感膜，平衡光纤探头的结构与测量光纤探头的结构相同。待测混凝土中的氯离子与测量光纤探头中的氯离子敏感膜接触发生荧光猝灭反应，测量光纤探头和平衡光纤探头中激发出的荧光经过反射后，经过滤光片，进入信号接收与数据处理单元，信号接收与数据处理单元用于采集反射光谱数据并计算待测混凝土中的氯离子浓度。本发明专利技术荧光型光纤传感器具有测量精度和灵敏度较高、稳定性高以及方便监测等特点，可以用于在线评估钢筋混凝土中氯离子的浓度。

Fluorescent optical fiber sensor for detecting chloride ion concentration in concrete

The invention discloses a method for detecting the fluorescence optical fiber sensor of chloride ion concentration in concrete, the measurement of optical fiber probe in the concrete to be measured, the measurement of optical fiber probe structure for H type micro structure optical fiber H groove surface micro structure fiber coated with chloride ion sensitive membrane structure, balance structure and measurement of optical fiber probe the same optical fiber probe. The measured chlorine ion sensitive membrane in concrete chloride ion and measurement of optical fiber probe in contact fluorescence quenching reaction, fluorescence excitation measurement of optical fiber probe and optical fiber probe in the balance after the reflection, after entering the filter, signal receiving and data processing unit, a signal receiver is used to collect spectral data and the data processing unit and calculation the concentration of chloride ion in concrete test. The fluorescent optical fiber sensor of the invention has the advantages of high measuring precision, high sensitivity, high stability and convenient monitoring, and can be used to evaluate the concentration of chloride ion in the reinforced concrete online.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微结构光纤传感器领域，尤其涉及一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器。
技术介绍
混凝土耐久性问题是当今世界各国土木工程领域所面临的最严峻问题之一，在环境介质的长期作用下，混凝土的外观完整性和使用性能逐渐降低，产生巨大的安全隐患。其中，氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀在混凝土破坏中处于首要位置，而处于严酷环境(高盐、高温差、低湿度、浪溅冲刷)下的混凝土更是承受着高浓度的氯离子侵蚀。氯离子侵蚀会导致混凝土中钢筋表面产生点蚀，在高氯离子浓度和足够的氧气条件下会使得多点蚀坑扩大与合并，形成大面积的钢筋锈蚀。将会使构件承载能力下降，同时钢筋腐蚀后体积膨胀(最大可为腐蚀前体积的6～7倍)，会使钢筋周围的混凝土产生拉应力，降低结构的刚度，变形增加，影响结构的正常使用降低结构的耐久性。如果能在早期发现混凝土中氯离子浓度，诊断及时修补，将会大大增强结构的安全性，并且减少经济损失。传统的并且广泛使用的检测混凝土中氯离子浓度的方法有：蒸馏分离——汞盐滴定法、电位滴定法、硫氰酸铵容量法、比浊法等，这些检测方法或多或少都有耗时较长，操作繁琐等缺点。而且，上述方法均需要取样进行有损检测，无法实现实时、多点监测混凝土中的氯离子浓度。因此，开发一种可以实时监测混凝土中氯离子浓度的无损监测方法，对严酷环境中混凝土耐久性的研究具有重要意义。光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信和光电子技术的发展而迅速发展起来的，以光波为传输媒质，通过光纤感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。与传统传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、质量轻、体积小、可进行远距离实时分析等诸多优点。因此，采用光纤传感器技术对混凝土中氯离子浓度监测具有显著优势。在国内相关的研究鲜有报道，在国外相关的研究主要是采用在光纤表面或者端面固定氯离子荧光指示剂进行监测，这样会存在光纤探头长时间使用后，特别是在诸如混凝土内部这类条件复杂的环境中，荧光指示剂易脱落或溶出的问题。随着光纤传输理论和制备工艺的发展，微结构光纤成为光纤传感领域的研究热点。相比传统的光纤传感器，基于简化微结构光纤的传感器具有极其突出的优点：(1)显著提高灵敏度。简化微结构光纤具有相当大的内比表面积可用于敏感材料的负载，并且敏感材料与待测物具有足够大的接触面积，可以有效提高光纤传感探头的灵敏度；(2)显著提高稳定性。在微结构光纤传感探头的微孔道内进行待测物的检测，可大大减小样品的采集量，避免了传统光纤传感探头敏感层裸露在外易损伤、易泄漏等问题；(3)灵活设计微结构光纤的结构来优化传感性能。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的问题，提供一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器，实现灵敏、实时监测混凝土中氯离子的浓度。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器，包括光源、测量光纤探头、平衡光纤探头、滤光片、信号接收与数据处理单元，测量光纤探头置于待测混凝土中，测量光纤探头的结构为H型微结构光纤，H型微结构光纤的凹槽表面镀有氯离子敏感膜或光泽精膜，平衡光纤探头的结构与测量光纤探头的结构相同；光源的出射光被分为等强度的两束，分别进入测量光纤探头和平衡光纤探头，分别照射在H型微结构光纤表面的氯离子敏感膜或光泽精膜上，激发出荧光，其中待测混凝土中的氯离子与测量光纤探头中的氯离子敏感膜或光泽精膜接触发生荧光猝灭反应，测量光纤探头和平衡光纤探头中激发出的荧光经过反射后，经过滤光片，进入信号接收与数据处理单元，信号接收与数据处理单元用于采集反射光谱数据并计算待测混凝土中的氯离子浓度。按上述技术方案，H型微结构光纤的结构为，在传统光纤预制棒的两侧打磨出两个对称的U型槽，再经拉制形成的光纤。按上述技术方案，氯离子敏感膜具体采用TEOS溶胶-凝胶体系，取TEOS(正硅酸乙酯)：无水乙醇：0.01M盐酸＝5：8：1.6(V/V)，光泽精浓度为2～6×10-4M，加入14～18％体积浓度的甲酰胺。按上述技术方案，平衡光纤探头与测量光纤探头的H型微结构光纤均使用聚四氟乙烯套进行封装，其中测量光纤探头的聚四氟乙烯套上均匀开孔，孔的直径为：1.8～2.2mm。按上述技术方案，采用提拉法或物理吸附法在H型微结构光纤的凹槽表面镀氯离子敏感膜。本专利技术用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器的工作原理是：利用氯离子影响特定荧光物质的荧光特性这一特点，基于荧光猝灭原理，通过测量荧光指示剂荧光峰值强度来监测混凝土中的氯离子浓度。同时，采用平衡光纤探头与测量光纤探头结合的荧光比率法，解决因光源强度波动或者荧光材料光漂白而导致的氯离子浓度测量不准确的问题。本专利技术产生的有益效果是：本专利技术荧光型光纤传感器具有测量精度和灵敏度较高、稳定性高以及方便监测等特点，可以用于在线评估钢筋混凝土中氯离子的浓度。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：图1是本专利技术实施例用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器的结构示意图；图2是本专利技术实施例中测量光纤探头的剖面图；图3是本专利技术实施例中测量光纤探头的俯视图；图4是本专利技术实施例中测量光纤探头的左视图；图5是本专利技术实施例中H型微结构光纤的横截面示意图；图6是荧光光谱测试图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例中，提供一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器，包括光源、测量光纤探头、平衡光纤探头、滤光片、信号接收与数据处理单元，测量光纤探头置于待测混凝土中，测量光纤探头的结构为H型微结构光纤，H型微结构光纤的凹槽表面镀有氯离子敏感膜或光泽精膜，平衡光纤探头的结构与测量光纤探头的结构相同；光源的出射光被分为等强度的两束，分别进入测量光纤探头和平衡光纤探头，分别照射在H型微结构光纤表面的氯离子敏感膜或光泽精膜上，激发出荧光，其中待测混凝土中的氯离子与测量光纤探头中的氯离子敏感膜或光泽精膜接触发生荧光猝灭反应，测量光纤探头和平衡光纤探头中激发出的荧光经过反射后，经过滤光片，进入信号接收与数据处理单元，信号接收与数据处理单元用于采集反射光谱数据并计算待测混凝土中的氯离子浓度。通过在待测混凝土中多处布置测量光纤探头及平衡光纤探头，可以实现灵敏、实时、多点监测混凝土中氯离子的浓本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器，其特征在于，包括光源、测量光纤探头、平衡光纤探头、滤光片、信号接收与数据处理单元，测量光纤探头置于待测混凝土中，测量光纤探头的结构为H型微结构光纤，H型微结构光纤的凹槽表面镀有氯离子敏感膜或光泽精膜，平衡光纤探头的结构与测量光纤探头的结构相同；光源的出射光被分为等强度的两束，分别进入测量光纤探头和平衡光纤探头，分别照射在H型微结构光纤表面的氯离子敏感膜或光泽精膜上，激发出荧光，其中待测混凝土中的氯离子与测量光纤探头中的氯离子敏感膜或光泽精膜接触发生荧光猝灭反应，测量光纤探头和平衡光纤探头中激发出的荧光经过反射后，经过滤光片，进入信号接收与数据处理单元，信号接收与数据处理单元用于采集反射光谱数据并计算待测混凝土中的氯离子浓度。

【技术特征摘要】
1.一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器，其特征在于，包括光源、
测量光纤探头、平衡光纤探头、滤光片、信号接收与数据处理单元，测量光纤探头置于待
测混凝土中，测量光纤探头的结构为H型微结构光纤，H型微结构光纤的凹槽表面镀有氯
离子敏感膜或光泽精膜，平衡光纤探头的结构与测量光纤探头的结构相同；光源的出射光
被分为等强度的两束，分别进入测量光纤探头和平衡光纤探头，分别照射在H型微结构光
纤表面的氯离子敏感膜或光泽精膜上，激发出荧光，其中待测混凝土中的氯离子与测量光
纤探头中的氯离子敏感膜或光泽精膜接触发生荧光猝灭反应，测量光纤探头和平衡光纤探
头中激发出的荧光经过反射后，经过滤光片，进入信号接收与数据处理单元，信号接收与
数据处理单元用于采集反射光谱数据并计算待测混凝土中的氯离子浓度。
2.根据权利要求1所述的用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁庆军，毛若卿，丁莉芸，李智捷，徐创，郭会勇，陈宏哲，张海林，王登科，
申请(专利权)人：海南瑞泽新型建材股份有限公司，武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：海南;46