一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法，包括纤芯，纤芯外部一端包裹有包层，包层外部一端包裹有涂覆层，纤芯外部另一端表面修饰有金属层，金属层表面设置有合金敏感膜，合金敏感膜为Fe‑C合金敏感膜。本发明专利技术制备的传感器结构简单且设计合理，易于制作，高灵敏度，高精度，对环境适应性好，可实现非接触、非破坏性监测，达到高密度检测，高速度传输，而且使用简便的独特优势。

An iron carbon alloy polymer optical fiber corrosion sensor and its preparation method

The invention discloses an iron carbon alloy film polymer optical fiber corrosion sensor and its preparation method, including the core, the outer end of the core is wrapped with a cladding, the outer end of the coating is coated with a coating layer, the surface of the outer end of the core is decorated with a metal layer, the metal layer has a gold closing sensitive film on the surface of the metal layer, and the alloy sensitive film is Fe C combined. Gold sensitive membrane. The sensor has the advantages of simple structure and reasonable design, easy to make, high sensitivity, high precision, good adaptability to the environment, non-contact and non destructive monitoring, high density detection, high speed transmission, and simple and unique advantages.

【技术实现步骤摘要】
一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法
本专利技术属于光纤腐蚀传感器及其制造
，具体涉及一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法。
技术介绍
随着国家在基础设施的投资力度逐渐增大，钢筋混凝土基于诸多优点的条件下成为当今世界应用最广泛的建筑材料。充分认识钢筋在混凝土结构中所起的作用、钢筋腐蚀带来的危害性、钢筋腐蚀监测的重要性等诸多问题，对于保证这些建筑结构安全运行是非常重要的。其中，混凝土结构中的钢筋锈蚀导致混凝土结构的过早破坏，是影响混凝土耐久性的首要原因。并且钢筋的锈蚀会导致混凝土构件承载力下降从而影响结构的安全性，造成巨大经济损失。因此监测混凝土结构中钢筋的腐蚀状况，掌握腐蚀速度及其变化规律是刻不容缓需要解决的问题。钢筋腐蚀监测就是对钢筋腐蚀速度及某些与腐蚀速度有关的参数进行连续或断续的测量，同时根据测量结果对有关条件进行控制。其目的在于揭示钢筋腐蚀过程以及了解如何对钢筋腐蚀进行控制及控制效果，钢筋腐蚀监测获得的数据为结构的耐久性评估提供重要依据，同时腐蚀监测也是监控、评价腐蚀效果的有效手段。钢筋锈蚀的检测/监测方法很多，主要分为物理检测和电化学检测，其中物理检测包括光纤传感器监测。由于混凝土结构中钢筋所处环境复杂，应用传统的化学和电化学腐蚀监测方法十分困难。基于光学方法的光纤腐蚀传感器则具有径细、质轻、抗强电磁干扰，耐高温、集信息传输与传感于一体及易集成至难以接近的待测区域等优点，有望克服传统腐蚀监测方法的缺陷，备受国内外专家和用户的青睐。并且钢筋腐蚀监测技术能够提供有关钢筋腐蚀状态、腐蚀速度及其变化规律方面的信息，在评价混凝土结构安全性方面起着十分重要的作用。目前，国内外开发的监测钢筋腐蚀的光纤传感器基于的原理大致包括：对腐蚀环境参数监测、“腐蚀保险丝”、铁锈颜色的检测、弹簧锈蚀、金属腐蚀敏感膜、钢筋腐蚀体积膨胀等。其中，由于体积小，测量精度高，可靠性好，耐腐蚀，抗电磁干扰，抗雷电，寿命长等优越性，Fe-C合金膜光纤腐蚀传感器在土木工程和腐蚀与防护领域得到了广泛的应用。该传感器是在光纤的芯部镀上Fe-C合金敏感膜。Fe-C合金敏感膜具备良好的信号吸收率，如果敏感膜没有受到腐蚀，检测到的光信号比较弱，如果受到腐蚀，则光信号比较强，根据这个原理可以进行光纤传感器的制作，将其埋设于混凝土中，通过对敏感膜腐蚀推测模块的开展，实现钢筋腐蚀状况的在线性监测，相比于传统的腐蚀检测方法，Fe-C合金膜光纤腐蚀监测技术具备更高的工作效益，能够进行混凝土内部结构检测、分布式检测等诸多工作的要求，实现工作成本的有效性降低，实现工程费用的有效维护。光纤根据材质可分为玻璃光纤和聚合物光纤，上世纪60年代末，聚合物光纤几乎和玻璃光纤同时出现，由于玻璃光纤具有较低的传输衰减，所以很快就成主流发展技术。早期的聚合物光纤传输衰减在可见光波段达1000dB/km，而同期的玻璃光纤在1550nm处衰减只有1dB/km。目前，随着聚合物材料制作工艺的完善和发展，小于10dB/km传输衰减的聚合物光纤在市场上已有销售。传输损耗小于0.3dB/km的单模聚合物光纤已有研究报道，但制作材料和工艺相对较高和复杂。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器及其制备方法，利用该光纤传感技术对腐蚀环境中的钢筋结构物实现实时腐蚀监测，尤其是对于海洋环境中的钢筋混凝土结构的实时腐蚀监控。本专利技术采用以下技术方案：一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，包括纤芯，纤芯外部一端包裹有包层，包层外部一端包裹有涂覆层，纤芯外部另一端表面修饰有金属层，金属层表面设置有合金敏感膜，合金敏感膜为Fe-C合金敏感膜。具体的，合金敏感膜的厚度远小于检测所用光波的波长，导电且电连续。进一步的，合金敏感膜的厚度为10～1000μm。具体的，金属层为纤芯活化后再经过化学镀的膜层，厚度远小于检测所用光波的波长，导电且电连续。进一步的，金属层为镍层，厚度为10～50μm。一种制备铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的方法，将一段聚合物光纤的涂覆层和包层去除，经打磨之后在纤芯外表面修饰导电的金属层，在金属层外表面上，再电镀Fe-C合金敏感膜，具体步骤如下：S1、取一段聚合物光纤，使用刀片去除光纤的涂覆层，裸露包层和纤芯的长度为6～10cm；S2、使用砂纸对裸露包层和纤芯部分采用边旋转边打磨方式打磨其表面；S3、将打磨后的纤芯部分放置在含有NaOH、Na2Co3、Na3PO4和洗衣粉的除油溶液中充分除油，除油溶液温度为60～65℃，除油时间为40～50min，除油结束后将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理；S4、将S3制备的纤芯部分，放置在敏化溶液中充分敏化；S5、将S4制备的纤芯部分，放置在活化溶液中充分活化；S6、将化学镀液放入恒温水浴锅中，并将S5中处理过的光纤纤芯传感区域保持水平放入化学镀液中保持20～30min，并保持化学镀液温度为90～95℃进行化学镀镍；S7、将S6中镀有镍层的光纤纤芯带电放入电镀液中，将阳极卷成筒状，电镀时将金属化纤芯置于阳极的碳钢筒内，金属化纤芯的中轴线与阳极中轴线保持平行，采用恒电流电镀制成铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器。具体的，步骤S1中，聚合物光纤的内外芯径尺寸为1.0mm/2.2mm。具体的，步骤S4中，敏化溶液由5～10mL/L的ActPP-950塑料电镀胶体钯、280～300mL/L的盐酸混合而成；控制敏化溶液温度为20～25℃，敏化时间为12～20min；敏化结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理。具体的，步骤S5中，活化溶液由70～100mL/L的JSAccelerate960塑胶电镀、280～300mL/L的盐酸混合而成；控制活化溶液温度为45～50℃，活化时间为12～20min；活化结束后需将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理。具体的，步骤S7中，电镀Fe-C合金的工艺参数为：电流密度i＝0.8～1.5mA/cm2，电镀时间为30～60min。与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：本专利技术一种实时监控钢筋腐蚀的Fe-C合金敏感膜光纤腐蚀传感器，包括纤芯以及依次设置在纤芯外部一端的包层和涂覆层，在纤芯的另一端修饰有金属层，并在金属层上设置Fe-C合金敏感膜，具有高灵敏度、高精度，且对环境的适应性好，能够进行非接触、非破坏性测试，能够进行高密度监测、高速传输，且使用简便，能够解决传统的检测技术无法解决的易燃、易爆、空间狭窄和具有强腐蚀性气体、液体以及射线污染的环境条件下进行腐蚀监控，光纤传输无电流通过，更加适合于苛刻环境条件下的多种参量的检测。进一步的，根据光波导理论可知，两个介质之间膜层厚度远小于光波波长时，光波将从一个介质耦合到另一个介质，因此该中间导电层的厚度必须小于所用光波的波长(1550nm)，光波才能从纤芯内耦合到Fe-C合金膜上，才能通过光纤反映Fe-C合金膜的腐蚀信息。进一步的，中间的导电金属层(镍层)越薄越好，但是若镍层过薄，膜层会出现多空、疏松，甚至出现不连续现象，将导致下一步电镀变得非常困难。因此，在保证中间导电层连续的情况下，应力求使中间层尽量薄，本专利技术控制化学镀金属层的厚度在10～50μm的范围内。进一步的，最外层合金敏感膜的厚度应控制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，包括纤芯(1)，纤芯(1)外部一端包裹有包层(2)，包层(2)外部一端包裹有涂覆层(3)，纤芯(1)外部另一端表面修饰有金属层(5)，金属层(5)表面设置有合金敏感膜(4)，合金敏感膜(4)为Fe‑C合金敏感膜。

【技术特征摘要】
1.一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，包括纤芯(1)，纤芯(1)外部一端包裹有包层(2)，包层(2)外部一端包裹有涂覆层(3)，纤芯(1)外部另一端表面修饰有金属层(5)，金属层(5)表面设置有合金敏感膜(4)，合金敏感膜(4)为Fe-C合金敏感膜。2.根据权利要求1所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，合金敏感膜(4)的厚度远小于检测所用光波的波长，导电且电连续。3.根据权利要求2所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，合金敏感膜(4)的厚度为10～1000μm。4.根据权利要求1所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，金属层(5)为纤芯活化后再经过化学镀的膜层，厚度远小于检测所用光波的波长，导电且电连续。5.根据权利要求4所述的一种铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器，其特征在于，金属层(5)为镍层，厚度为10～50μm。6.一种制备权利要求1至5中任一项所述铁碳合金膜聚合物光纤腐蚀传感器的方法，其特征在于，将一段聚合物光纤的涂覆层和包层去除，经打磨之后在纤芯外表面修饰导电的金属层，在金属层外表面上，再电镀Fe-C合金敏感膜，具体步骤如下：S1、取一段聚合物光纤，使用刀片去除光纤的涂覆层，裸露包层和纤芯的长度为6～10cm；S2、使用砂纸对裸露包层和纤芯部分采用边旋转边打磨方式打磨其表面；S3、将打磨后的纤芯部分放置在含有NaOH、Na2Co3、Na3PO4和洗衣粉的除油溶液中充分除油，除油溶液温度为60～65℃，除油时间为40～50min，除油结束后将光纤放入蒸馏水中进行水洗处理；S4、将S3制备的纤芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗冬，李跃进，李鹏，刘唐旻，贾立统，戴杰，李俊楠，李媛媛，
申请(专利权)人：西安交通大学，湖南苏星信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西,61