一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置及其温度补偿方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置及其温度补偿方法，属于岩土工程技术领域。本发明专利技术包括钢筋、至少一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块、光纤光栅温度补偿模块、光纤信号传输模块、介质层、保护层和传感器外壳。所述的介质层环绕且包裹住钢筋；所述的一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块放置在所测钢筋的两侧且连接于介质层上方，成对称结构，所述的保护层包裹住一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块；所述的光纤光栅温度补偿模块和钢筋的一侧连接；所述的光纤信号传输模块分别与一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块和光纤光栅温度补偿模块的一侧相连接。本发明专利技术可用于混凝土结构中钢筋腐蚀的早期监测，具有较好的经济效益和社会效益。

【技术实现步骤摘要】
一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置及其温度补偿方法
本专利技术涉及一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置及其温度补偿方法，属于岩土工程

技术介绍
钢筋混凝土结构的耐久性是指结构在设计要求的目标使用期内，在各种力学和非力学因素的长期作用下，不需要进行大量的加固处理而能保证其安全性和适用性的能力。即结构潜在的抵抗其自身或外界环境因素长期破坏作用的能力。钢筋混凝土中的钢筋腐蚀是影响结构耐久性的主要影响因素之一。与混凝土保护层碳化引起的钢筋腐蚀相比，氯离子入侵引起的钢筋腐蚀速度更快、造成的损失更大，已引起工程界和学术界的广泛关注。与钢筋腐蚀后采取防腐措施相比，通过一定的监测手段监测钢筋腐蚀危险性的情况并在钢筋腐蚀前采取防腐措施，经济消耗更少，防腐效果更好。目前，常用的钢筋腐蚀检/监测方法主要有:钻芯取样法、半电池电位法、线性极化法、宏电流法、脉冲电流法等。钻芯取样法能较准确地测量钢筋腐蚀率，但这种方法会破坏结构的完整性。半电池电位法对结构破坏较小，但其只能定性判断钢筋腐蚀状况。其它三种技术与半电池电位法一样，属于电化学测试技术，理论上讲能够定量测量钢筋腐蚀率。然而实际上，由于混凝土介质中引起钢筋腐蚀的因素很多(包括CI-浓度、O2含量、pH值等)，而且电化学测试容易受介质条件影响，导致单种电化学测试技术往往很难真实反映钢筋腐蚀状况，必须将多种技术和参数结合综合分析才能合理地判断真实状况。此外，传统的检测方法需要逐点检测，工作量大，而且易受人为因素和自然条件(如风浪、天气等)的影响，耗费人力物力。而且，由于是人工定时采集数据，可能会导致腐蚀监测在时间上的不连续性。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置及其温度补偿方法，其检测原理为设置一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变，同时单独设置一个光纤光栅温度补偿模块3来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变，进而分离出钢筋1由于锈蚀所引起的体积变化。通过监测波长的漂移可以直接测量钢筋1锈蚀程度，并且不受锈蚀因素的影响，可用于混凝土结构中钢筋1锈蚀的早期监测。本专利技术采用的技术方案是：一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，包括钢筋1、至少一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2、光纤光栅温度补偿模块3、光纤信号传输模块4、介质层5、保护层6和传感器外壳7，所述的介质层5环绕且包裹住钢筋1；所述的一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2放置在所测钢筋的两侧且连接于介质层5上方，成对称结构，所述的保护层6包裹住一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2；所述的光纤光栅温度补偿模块3和钢筋1的一侧连接；所述的光纤信号传输模块4分别与一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3的一侧相连接。每一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2成差动式对称结构，所述的光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3的感应元件采用光纤布拉格Bragg光栅。所述的光纤布拉格Bragg光栅的测量精度优于±0.1μm，测量范围约12μm。所述的介质层5的形状为多孔型介质垫层，材料选用聚四氟乙烯。所述的保护层6为实心结构，采用的材料为水泥砂浆，其厚度保持在3--5mm之间。所述的传感器外壳7采用金属制外壳。一种根据所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置的温度补偿方法，利用钢筋1腐蚀后体积膨胀而使光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2中光纤光栅发生波长漂移的原理来测量钢筋1的腐蚀程度，当温度、应变发生变化时，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2中光纤Bragg光栅中心反射波长的变化量表示为：Δλ＝λ·[(1-Pε)ε+(α+β)ΔT]其中，λ为光栅的初始中心波长；Δλ为中心波长位移量；ε为整个光纤光栅区域的轴向应变；Pε为光纤的有效弹光系数；α为光纤的热膨胀系数；β为光纤的热光系数；ΔT是温度变化量；令：则光栅中心波长位移为：Δλ＝k1ε+k2ΔT式中，k1为应变敏感系数，k2为温度敏感系数。具体步骤如下：假设钢筋1均匀腐蚀，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3与钢筋1的连接端能保持很好的固定效果，由于光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3中光栅材质相同，初始中心波长一样，则它们的Pε、α、β相同，即两者的k1、k2一致，与此同时，两传感器中温度相同，ΔT也相等；光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2和光纤光栅温度补偿模块3的中心波长位移可分别表示为因此，两者的光栅中心波长位移差为Δλ1-2＝Δλ1-Δλ2＝k1(ε1-ε2)式中，ε1为光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2的轴向应变，ε2为光纤光栅温度补偿模块3的轴向应变；在此传感器装置中，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2的应变是由钢筋1径向尺寸的变化以及周围温度变化产生的，因此，对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2的应变而言，温度有双重影响，一方面钢筋随温度体积变化会造成光栅应变，从而引起波长的移动；另一方面是温度的变化也会使光栅产生应变，从而导致光栅波长的移动，而影响光纤光栅温度补偿模块3应变的因素只有一个，即传感装置中温度的变化；设εc为腐蚀产生的应变，εT为温度引起的应变，设温度为增加，则其中，α1与α2分别为钢筋1两处的热膨胀系数，α1≈α2，因此有εT1＝εT2由联立上式得若不考虑钢筋1体积膨胀后与周围混凝土的相瓦作用，假设钢筋1初始直径为d0，腐蚀后名义直径为d1，而钢筋1净直径为dp，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2中光纤光栅初始粘贴长度为l0，拉伸后光纤光栅长度为l1，则设钢筋1腐蚀的体积膨胀率为n，钢筋1腐蚀率为ρ，则由联立上式得从上式可以看出，通过在线监测传感器中光栅波长移动，可以直接推算出钢筋腐蚀率。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术通过对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块1的合理设计，使其成差动式对称结构。可使传感装置的腐蚀检测精度得到提高，同时提升了传感装置的检测准确率。(2)与现有技术相比，本专利技术单独设置一个光纤光栅温度补偿模块3来监测由于钢筋腐蚀和温度变化引起的光栅应变，进而分离出钢筋1由于锈蚀所引起的体积变化。通过监测波长的漂移可以直接测量钢筋1锈蚀程度，使本传感装置不会受到外界温度的影响，进一步提升本专利技术检测钢筋1腐蚀的正确率。量。附图说明图1为本专利技术一种用于检测钢筋腐蚀的差动式光纤传感装置的结构图；图2为本专利技术一种用于检测钢筋腐蚀的差动式光纤传感装置的左视图；图3为本专利技术图光纤Bragg光栅的结构示意图；图4为本专利技术一种用于检测钢筋腐蚀的差动式光纤传感装置的工作实图。图中各标号为：钢筋—1、光纤光栅腐蚀膨胀检测模块—2、光纤光栅温度补偿模块—3、光纤信号传输模块—4、介质层—5、保护层—6、岩石层—8、涂敷层—9、光纤纤芯—10、光纤包层—11。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步说明。实施例1：如图1-4所示，一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，包括钢筋1、至少一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块2、光纤光栅温度补偿模块3、光纤信号传输模块4、介质层5、保护层6和传感器外壳7组成。所述的介质层5环绕且包裹住钢筋1；所述的一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块5放置在所测钢筋的两侧且连接于介质层5上方，成对称结构，所述的保护层6包裹住一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块5；所述的光纤光栅温度补偿模块3和钢筋1的一侧连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：包括钢筋(1)、至少一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)、光纤光栅温度补偿模块(3)、光纤信号传输模块(4)、介质层(5)、保护层(6)和传感器外壳(7)，所述的介质层(5)环绕且包裹住钢筋(1)；所述的一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)放置在所测钢筋的两侧且连接于介质层(5)上方，成对称结构，所述的保护层(6)包裹住一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)；所述的光纤光栅温度补偿模块(3)和钢筋(1)的一侧连接；所述的光纤信号传输模块(4)分别与一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)和光纤光栅温度补偿模块(3)的一侧相连接。

【技术特征摘要】
1.一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：包括钢筋(1)、至少一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)、光纤光栅温度补偿模块(3)、光纤信号传输模块(4)、介质层(5)、保护层(6)和传感器外壳(7)，所述的介质层(5)环绕且包裹住钢筋(1)；所述的一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)放置在所测钢筋的两侧且连接于介质层(5)上方，成对称结构，所述的保护层(6)包裹住一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)；所述的光纤光栅温度补偿模块(3)和钢筋(1)的一侧连接；所述的光纤信号传输模块(4)分别与一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)和光纤光栅温度补偿模块(3)的一侧相连接。2.根据权利要求1所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：每一对光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)成差动式对称结构，所述的光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)和光纤光栅温度补偿模块(3)的感应元件采用光纤布拉格Bragg光栅。3.根据权利要求2所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：所述的光纤布拉格Bragg光栅的测量精度优于±0.1μm，测量范围约12μm。4.根据权利要求1所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：所述的介质层(5)的形状为多孔型介质垫层，材料选用聚四氟乙烯。5.根据权利要求1所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：所述的保护层(6)为实心结构，采用的材料为水泥砂浆，其厚度保持在3--5mm之间。6.根据权利要求1所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置，其特征在于：所述的传感器外壳(7)采用金属制外壳。7.一种根据权利要求1-6任一项所述的一种用于检测钢筋腐蚀的光纤传感装置的温度补偿方法，其特征在于：利用钢筋(1)腐蚀后体积膨胀而使光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)中光纤光栅发生波长漂移的原理来测量钢筋(1)的腐蚀程度，当温度、应变发生变化时，光纤光栅腐蚀膨胀检测模块(2)中光纤Bragg光栅中心反射波长的变化量表示为：Δλ＝λ·[(1-Pε)ε+(α+β)ΔT]其中，λ为光栅的初始中心波长；Δλ为中心波长位移量；ε为整...

【专利技术属性】
技术研发人员：万舟，祝奔奔，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53