一种基于光纤传感的锈蚀环境监测装置及其监测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种锈蚀环境监测装置及监测方法，其中监测装置包括一监测钢筋、钢筋支撑架、传感器、解调仪及监测数据处理器；所述钢筋支撑架包括两个挡板、位于两个挡板之间的支撑柱以及位于两个挡板外侧的锚具，所述监测钢筋穿过所述两个挡板并通过锚具与挡板固定；所述传感器包括FBG温度传感器及FBG应力传感器，其中FBG温度传感器作为温度补偿传感器，所述FBG温度传感器及FBG应力传感器设置在所述支撑柱上；所述FBG温度传感器及FBG应力传感器串联后通过所述解调仪与所述监测装置处理器连接。本发明专利技术能够在不干扰锈蚀产生发展的情况下，实现准确、高精度、原位监测预应力筋的锈蚀程度，预测锈蚀的发展情况。使用该装置误差小，精度高，并且能够长期监测锈蚀环境的情况。

A monitoring device for corrosion environment based on optical fiber sensing and its monitoring method

The invention discloses a corrosion monitoring device and monitoring method, the monitoring device comprises a monitoring bar, reinforced support frame, sensor, demodulation and monitoring data processor; the reinforced support frame comprises two baffle plates, located between the two baffle support column and is located in the two baffle outside the anchorage, the the monitoring of reinforcement through the two baffle and the baffle is fixed by anchor and; the sensor comprises a temperature sensor FBG and FBG stress sensor, the temperature sensor FBG as temperature compensation sensor, the temperature sensor FBG and FBG stress sensor is arranged on the support column; the temperature sensor FBG and FBG the force sensor are connected in series through the demodulator and the processor is connected with monitoring device. The invention can achieve accurate, high-precision and in-situ monitoring of the corrosion degree of prestressed bars without disturbing the development of rust, and predict the development of corrosion. The device has small error, high precision and can monitor the corrosion environment for a long time.

【技术实现步骤摘要】
一种基于光纤传感的锈蚀环境监测装置及其监测方法
本专利技术涉及一种锈蚀环境监测装置，具体为一种基于光纤传感的锈蚀环境监测装置及其监测方法，属于土木工程结构健康监测领域。
技术介绍
钢材，作为当今使用非常广泛的建筑材料，不仅使用在各种钢结构、输油输气管道以及钢架桥当中，还与混凝土一起以钢筋混凝土这种复合材料的形式在世界范围内的桥梁公路、高楼大厦、防御工事等工业、民用及军事等方面广泛应用。一般而言，钢材具有强度高、塑性韧性好、服役期间使用性能及力学性能稳定等一系列优点，但同时也有一些亟待解决的问题，其中最为引起人们关注的，就是它的耐腐蚀性能差，容易受环境影响受到腐蚀，大大影响其使用性能。尤其是在海边潮湿环境等严峻环境下，锈蚀发展速度较快；或是在钢筋混凝土结构等隐蔽情况下，钢筋锈蚀不易被察觉，被发现时往往已经很难挽回，严重影响工程结构的耐久性与安全，是专家学者们倾力研究，力求解决的重点问题。钢筋锈蚀之所以受到如此广泛的关注，一方面是因为钢筋锈蚀会减小钢筋的有效截面积，降低其强度，对结构产生危害，尤其是在钢筋混凝土当中，锈蚀的持续进行会导致钢筋的锈胀，其锈蚀部分体积会膨胀为原体积的2～4倍，产生锈胀力，同时也会破坏钢筋和混凝土间的摩擦握裹作用，在这些因素的共同影响下，将导致混凝土保护层的胀裂甚至于整体脱落，最终导致混凝土结构失效破坏；另一方面，锈蚀产生的铁锈又会加速未生锈的钢筋的锈蚀进程，结构的安全性能和使用寿命受到严重影响，如若不随时监控锈蚀情况的发展，及时发现并清除锈蚀产物，使结构错失最佳维护期，修复难度及修复费用会成倍增加，甚至于未能及时发现产生的安全隐患，从而引发结构物的倒塌，造成严重的经济损失和人员伤亡。因此，为了有效解决此类问题，发展有效的钢筋锈蚀监测技术，对于正确掌握钢筋锈蚀的现状，预估钢筋锈蚀的后续发展，评估结构物的耐久寿命，进行维修加固的决策，保障人民的生命财产安全都具有十分重大的意义，具有重大的现实意义和社会经济效益。目前，国内外针对钢筋锈蚀，主要是采用定期检查的方案，采用的检查方法主要有：1.电池电位法：通过测量钢筋在锈蚀前后锈蚀电位的变化，由此判断钢筋的锈蚀状态。该方法只能判断钢筋的锈蚀基本情况，找出钢筋的锈蚀部位，无法判断钢筋的锈蚀速度，同时受到影响因素较多，如极化作用，湿度与温度等，不能完全反映钢筋锈蚀状况。2.线性极化法：基于Stern-Geary公式，当外界对混凝土内的钢筋施加一微小电压时，钢筋平衡电位就会发生偏移，极化引起的过电位与极化电流在微极化区呈线性关系。该方法受环境影响较大，适用范围较小，环境条件改变时，检测结果可能产生严重错误。3.电化学噪声(ECN)测试技术是腐蚀研究的重要手段之一，通常应用于工业现场腐蚀监测。ECN装置一般由预埋的三电极组成，其中两个工作电极的尺寸、材质和表面状态完全相同。伴随着腐蚀过程，两个电极的电位、电流产生波动，这种波动称为电化学噪声。电化学噪声测试装备简单，成本低，可以测出腐蚀位置(区域)，比如点蚀的测量。但是其测量的数据不稳定，引起电阻的不准确，而且数据及谱图处理难度大。如何合理解释分析获得的数据,描述数据特征也是ECN测试的难点。此外，还有其它电阻探针、恒电量法等检测方法。这些方法难以对钢筋锈蚀程度进行实时把控，也不能对其锈蚀发展程度进行很好的预估和判断，受外界干扰较大，浪费人力物力，无法在工程中实际得到良好的应用。也有部分学者研究过一些利用光纤光栅进行锈蚀监测的方法，其思路大多是通过监测钢筋锈蚀时产生的锈胀力从而判断钢筋锈蚀程度，但由于光纤较容易遭到破坏，只适用于早期监测，后期容易因为环境因素、锈胀力等各方面原因折断，又因为光纤覆盖钢筋表面，会对钢筋的锈蚀过程产生影响，难以很好地应用于工程实践。钢筋锈蚀现场监测技术仍是混凝土中钢筋锈蚀研究的重点。
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种基于光纤传感的锈蚀环境监测装置及其监测方法，该监测装置不与所需监测的钢筋直接接触，通过对钢筋所在位置锈蚀环境情况的监测，从而得到钢筋的锈蚀状况，能够在不干扰锈蚀产生发展的情况下，实现准确、高精度和原位监测钢筋的锈蚀程度，预测锈蚀情况及其发展。使用该装置误差小，精度高，并且能够长期原位监测钢筋锈蚀程度及其变化。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种锈蚀环境监测装置，其特征在于：包括—监测钢筋、钢筋支撑架、传感器、解调仪及监测数据处理器；所述钢筋支撑架包括两个挡板、位于两个挡板之间的支撑柱以及位于两个挡板外侧的锚具，所述监测钢筋穿过所述两个挡板并通过锚具与挡板固定；所述传感器包括FBG温度传感器及FBG应力传感器，所述FBG温度传感器及FBG应力传感器设置在所述支撑柱上；所述FBG温度传感器及FBG应力传感器串联后通过所述解调仪与所述监测装置处理器连接，所述解调仪用于获取所述FBG温度传感器及FBG应力传感器的波长变化量，所述监测装置处理器根据所述解调仪得到的波长变化量得到用于判断该锈蚀环境锈蚀情况的监测钢筋横截面积。所述监测装置处理器得到的监测钢筋横截面积st为：式中，λf为FBG应力传感器原波长；λft为FBG应力传感器在第t次所测得的数据；λp为FBG温度传感器原波长；λpt为FBG温度传感器在t时间时所测得的数据；r为支撑柱的半径；E为支撑柱的弹性模量，n为支撑柱的数量；μ为应变参数；σt为预应力筋经过t时间的预应力损失后的应力。在所述挡板下端设置有用于调节高度的支脚，在所述支脚上设置有紧定螺母。一种采用上述监测装置的锈蚀环境监测方法，步骤为：步骤一、监测装置的安装固定，具体包括：将监测钢筋穿过两个挡板，使监测钢筋中间段处于钢筋支撑架内，对监测钢筋进行张拉并在挡板外侧将监测钢筋锚固于挡板上；将FBG应力传感器和FBG温度传感器用光纤串联，并安装于支撑柱表面，其中，FBG应力传感器波长为λf，FBG温度传感器波长为λp；将监测装置放置于待浇筑混凝土模板内受拉预埋钢筋附近，保持监测钢筋水平并调节监测钢筋高度至与预埋钢筋相同后固定；用光纤将FBG应力传感器和FBG温度传感器连接至解调仪；步骤二、将预埋钢筋和监测钢筋通过混凝土浇筑成一体并养护；步骤三、锈蚀监测，具体包括：根据不同时刻测得的FBG应力传感器和FBG温度传感器的数据λft和λpt，计算各对应时间点t时应变大小Δεt和所受力大小力Ft：Ft＝nΔεtEπr2其中，μ为应变参数，n为支撑柱数量；E为支撑柱弹性模量；r为支撑柱半径。然后通过Ft计算出各时间点t的监测钢筋面积st:其中，σt为预应力筋经过t时间的预应力损失后的应力。通过比较不同监测时间点钢筋横截面积，判断该混凝土内部环境锈蚀情况。通过比较各相邻时间点钢筋横截面积，判断该混凝土内部环境锈蚀情况及锈蚀速度。本专利技术的工作原理是：装置内用于监测的预应力筋在锈蚀环境作用下产生锈蚀，锈蚀过程中，钢筋的有效横截面积减小，导致预应力筋的整体刚度降低，而预应力大小不变，从而所监测的钢筋在轴向上应力变大，应变也随之变大，应变会通过预应力筋支撑架的左右挡板传递到支撑柱上，FBG应力传感器的布拉格光栅对温度和应变敏感，在温度和应力共同作用下，光栅产生形变，使其中心反射波长发生改变(产生波长漂移)。在管材内部预留了足够长度的光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种锈蚀环境监测装置，其特征在于：包括一监测钢筋、钢筋支撑架、传感器、解调仪及监测数据处理器；所述钢筋支撑架包括两个挡板、位于两个挡板之间的支撑柱以及位于两个挡板外侧的锚具，所述监测钢筋穿过所述两个挡板并通过锚具与挡板固定；所述传感器包括FBG温度传感器及FBG应力传感器，所述FBG温度传感器及FBG应力传感器设置在所述支撑柱上；所述FBG温度传感器及FBG应力传感器串联后通过所述解调仪与所述监测装置处理器连接，所述解调仪用于获取所述FBG温度传感器及FBG应力传感器的波长变化量，所述监测装置处理器根据所述解调仪得到的波长变化量得到用于判断该被监测锈蚀环境锈蚀情况的监测钢筋横截面积。

【技术特征摘要】
1.一种锈蚀环境监测装置，其特征在于：包括一监测钢筋、钢筋支撑架、传感器、解调仪及监测数据处理器；所述钢筋支撑架包括两个挡板、位于两个挡板之间的支撑柱以及位于两个挡板外侧的锚具，所述监测钢筋穿过所述两个挡板并通过锚具与挡板固定；所述传感器包括FBG温度传感器及FBG应力传感器，所述FBG温度传感器及FBG应力传感器设置在所述支撑柱上；所述FBG温度传感器及FBG应力传感器串联后通过所述解调仪与所述监测装置处理器连接，所述解调仪用于获取所述FBG温度传感器及FBG应力传感器的波长变化量，所述监测装置处理器根据所述解调仪得到的波长变化量得到用于判断该被监测锈蚀环境锈蚀情况的监测钢筋横截面积。2.根据权利要求1所述的锈蚀环境监测装置，其特征在于：所述FBG应力传感器为两个且位于不同的支撑柱上，所述FBG温度传感器为一个且位于其中一个FBG应力传感器所在的支撑住上。3.根据权利要求2所述的锈蚀环境监测装置，其特征在于：所述FBG温度传感器和FBG应力传感器都为光纤传光栅感器，所述FBG应力传感器和FBG温度传感器的两个光栅选用不同栅距。4.根据权利要求1-3任一所述的锈蚀环境监测装置，其特征在于：所述监测装置处理器得到的监测钢筋横截面积st为：式中，λf为FBG应力传感器原波长；λft为FBG应力传感器在第t次所测得的数据；λp为FBG温度传感器原波长；λpt为FBG温度传感器在t时间时所测得的数据；r为支撑柱的半径；E为支撑柱的弹性模量，n为支撑柱的数量；μ为应变参数；σt为预应力筋经过...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨才千，刘博文，张旭辉，潘勇，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43