基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统，包括依次光路连接的光源、偏振控制器、光波导模式选择器和偏振态测试仪；其中光源发出的光经偏振控制器转换为圆偏振光，经过在腐蚀环境中的光波导模式选择器后输出，由偏振态测试仪监测输出光的消光比随腐蚀时间的变化；所述的光波导模式选择器包括传输层，传输层的一侧设有金属腐蚀敏感膜，传输层的另一侧设有折射率更小的包层，金属腐蚀敏感膜的材质与被测金属相同。本发明专利技术利用金属腐蚀产物复杂度的变化，对传输光偏振模选择性衰减的影响，通过监测偏振模式消光比的变化，来判断金属的腐蚀程度。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术属于光学传感领域，具体涉及一种基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统及方法。

技术介绍

金属腐蚀会显著降低金属材料的强度、塑性、韧性等力学性能，破坏金属构件的几何形状，增加转动件间的磨损，恶化电学和光学等性能，缩短设备的使用寿命，甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故。据工业发达国家的统计，每年由于金属腐蚀造成的钢铁损失约占当年钢产量的10％～20％。虽然金属腐蚀可以有效控制，但是并不能完全避免，所以腐蚀监测非常重要。传统的腐蚀监测方法，如目测法、电化学法、取样法、力学测试法等，但都存在不同程度的局限性。
光电子信息腐蚀传感器是光电子信息传感技术与腐蚀监测相结合的产物。由于具有体积小、重量轻、探测灵敏度高、抗电磁干扰、可以进行远距离探测等诸多优点，近年来，光电子信息传感器越来越多地应用于金属腐蚀传感监测研究领域，特别是相对于传统方法难于到达的腐蚀环境，光电子信息腐蚀传感器显示出了其优越性，典型的例子是用光纤传感器对飞机上金属部件和混凝土中钢筋的腐蚀进行传感监测。
目前，现有光电子信息金属腐蚀传感器有很多种，大体可分为两类：一是光纤光栅型传感器；二是光波导型传感器。其中，光纤布拉格光栅型传感器又可分为裸光栅型和敏感膜型。
大连理工大学专利技术的一种将光纤光栅拉伸缠绕在钢筋表面的锈蚀传感器（专利申请号：CN201320299845.6），以及中国科学院上海光学精密机械研究所公开的一种将光纤光栅封装在待测金属材料制备的弹簧中的锈蚀传感器（专利申请号：CN200510024173.8）是典型的裸光栅型金属腐蚀传感器。该类传感器监测的原理是利用待测金属腐蚀产生的膨胀应力引起光栅栅距变化，导致中心波长漂移，实现对待测金属腐蚀监测。
武汉理工大学提出了一种镀有敏感膜的光纤光栅锈蚀传感器（专利申请号：CN201010201763.4）。在光纤光栅表面制备一层金属敏感膜，敏感膜锈蚀膨胀使光纤光栅受力，中心波长漂移。
以上金属腐蚀传感器都是直接或间接利用了光纤光栅的应变传感机理，完成对腐蚀的监测。
中国船舶重工集团公司第七二五研究所提出了一种光波导型光纤传感器（专利申请号：CN200410035475.0）。该传感器是在刻蚀的光纤表面磁控溅射一层导电金属层，再在该金属层表面电镀金属腐蚀敏感膜而成。通过监测传感器输出光功率衰减的变化来判断被测金属的腐蚀程度。该传感器具有环境适应性好，可实现非接触、非破坏性测量，实现高密度检测，高速度传输，而且使用简便等特点。

技术实现思路

本专利技术要解决的技术问题是：提供一种基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统及方法，充分利用光波导模式选择器对传输光偏振模选择性衰减的原理，通过监测消光比的变化，来判断金属的腐蚀程度。
本专利技术为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统，其特征在于：它包括依次光路连接的光源、偏振控制器、光波导模式选择器和偏振态测试仪；其中光源发出的光经偏振控制器转换为圆偏振光，经过在腐蚀环境中的光波导模式选择器后输出，由偏振态测试仪监测输出光的消光比随腐蚀时间的变化；
所述的光波导模式选择器包括传输层，传输层的一侧设有金属腐蚀敏感膜，传输层的另一侧设有折射率更小的包层，金属腐蚀敏感膜的材质与被测金属相同。
按上述系统，所述的金属腐蚀敏感膜的膜厚为10-200nm。
按上述系统，所述的光路连接为光纤连接。
按上述系统，所述的传输层为光纤的纤芯，所述的包层为光纤的包层。
一种基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测方法，其特征在于：将被测金属和光波导模式选择器同步置于腐蚀环境，光波导模式选择器的一端输入圆偏振光，监测从光波导模式选择器的另一端输出的光的消光比随腐蚀时间的变化；
所述的光波导模式选择器包括传输层，传输层的一侧设有金属腐蚀敏感膜，传输层的另一侧设有折射率更小的包层，金属腐蚀敏感膜的材质与被测金属相同。
上述基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统中光波导模式选择器的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、去除光纤中纤芯一侧的包层，形成一个纤芯中传输光的渐逝波场的泄漏窗口；
S2、在泄漏窗口溅射金属腐蚀敏感膜，金属腐蚀敏感膜的材质与被测金属相同，金属腐蚀敏感膜的厚度为10-200nm。
按上述制备方法，所述的S2通过直接在泄漏窗口沉积的方式溅射金属腐蚀敏感膜。
按上述制备方法，所述的S2首先在预先制备好的衬底上溅射一层金属腐蚀敏感膜，再将去除包层的光纤固定在衬底上，使泄漏窗口与金属腐蚀敏感膜相切。
本专利技术的有益效果为：
1、本专利技术基于金属-介质光波导理论，将金属薄膜光波导模式选择性传输的特性与金属腐蚀传感结合在一起，利用金属腐蚀产物复杂度的变化，对传输光偏振模选择性衰减的影响，通过监测偏振模式消光比的变化，来判断金属的腐蚀程度；具有结构简单、成本低廉、灵敏度高、环境适应性好、可实现非接触、非破坏性测量，尤其对金属腐蚀发生的初期具有较好的监测和预警作用。
2、利用光纤传输光，能够减少在光路中的光损耗。
3、用光纤光波导模式选择器，具有灵敏度更高、环境适应性好、无损监测等优点。
附图说明
图1为光波导模式选择性传输的原理示意图。
图2为光波导模式选择器的结构示意图。
图3为本专利技术一实施例的系统结构示意图。
图4为本专利技术一实施例的消光比与腐蚀时间的关系。
图中标号：1-光纤，2-宽带光源，3-光波导模式选择器，4-偏振态测试仪，5-圆偏振光，6-线偏振光，7-金属腐蚀敏感膜，8-传输层，9-包层，10-偏振控制器，11-被测金属，12-腐蚀环境。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本专利技术做进一步说明。
本专利技术提供一种基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统，如图1和图3所示，它包括依次光路连接的光源2、偏振控制器10、光波导模式选择器3和偏振态测试仪4；其中光源2发出的光经偏振控制器10转换为圆偏振光5，经过光波导模式选择器3后输出，由偏振态测试仪4监测输出光的消光比随腐蚀时间的变化。在未腐蚀时，光波导模式选择器3输出的光为线偏振光6。用于腐蚀监测时，将被测金属11和光波导模式选择器3同步置于腐蚀环境12，光波导模式选择器3的一端输入偏振控制器10转换的圆偏振光5，监测从光波导模式选择器3的另一端输出的光的消光比随腐蚀时间的变化。
所述的光波导模式选择器3如图2和图3所示，包括传输层8，传输层8的一侧设有金属腐蚀敏感膜7，传输层8的另一侧设有折射率更小的包层9，金属腐蚀敏感膜7的材质与被测金属相同。图中，nm、n1、n2分别是金属腐蚀敏感膜7、传输层8、包层9的折射率，d、w分别是传输层8和包层9的厚度。由金属腐蚀敏感膜7、传输层8和包层9组成的光波导模式选择器3，因金属腐蚀敏感膜7的腐蚀导致传输光偏振模选择性衰减的差异使其可以对材质相同的被测金属的腐蚀状态进行监测。
其中，所述的传输层8和包层9可以为平面光波导介质，也可以采用光纤来实现。在本实施例中，所述的传输层8为光纤的纤芯，包层9为光纤的包层。
所述的金属腐蚀敏感膜的膜厚根据被测金属的属性而定，通常为10-200nm。
优选的，所述的光路连接为光纤连接，即光源2输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统，其特征在于：它包括依次光路连接的光源、偏振控制器、光波导模式选择器和偏振态测试仪；其中光源发出的光经偏振控制器转换为圆偏振光，经过在腐蚀环境中的光波导模式选择器后输出，由偏振态测试仪监测输出光的消光比随腐蚀时间的变化；所述的光波导模式选择器包括传输层，传输层的一侧设有金属腐蚀敏感膜，传输层的另一侧设有折射率更小的包层，金属腐蚀敏感膜的材质与被测金属相同。

【技术特征摘要】
1.一种基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统，其特征在于：它包括依次光路连接的光源、偏振控制器、光波导模式选择器和偏振态测试仪；其中光源发出的光经偏振控制器转换为圆偏振光，经过在腐蚀环境中的光波导模式选择器后输出，由偏振态测试仪监测输出光的消光比随腐蚀时间的变化；
所述的光波导模式选择器包括传输层，传输层的一侧设有金属腐蚀敏感膜，传输层的另一侧设有折射率更小的包层，金属腐蚀敏感膜的材质与被测金属相同。
2.根据权利要求1所述的基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统，其特征在于：所述的金属腐蚀敏感膜的膜厚为10-200nm。
3.根据权利要求1所述的基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统，其特征在于：所述的光路连接为光纤连接。
4.根据权利要求1或3所述的基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测系统，其特征在于：所述的传输层为光纤的纤芯，所述的包层为光纤的包层。
5.一种基于光波导模式选择性传输的金属腐蚀监测方法，其特征在于：将被测金属和光波导模式选择器同步置于腐蚀环境...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡文彬，朱诚，陈伟，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42