一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器制造技术

本发明专利技术提供了一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，属于结构健康监测技术领域。所述传感器包括柔性薄膜；单模光纤：纤芯、包层、涂覆层；铁薄膜。该装置基于侧面抛光光纤对外界环境折射率的高度敏感性和具有与碳钢主要成分相似的铁薄膜，实现对钢结构涂层老化脱落状态的无损、在线实时、定量监测，较为准确地判定钢结构是否被腐蚀及腐蚀程度，从而保障重大重要结构物的安全。本发明专利技术结构简单、设计合理、适用性强，灵敏度高，可靠性强，具有广阔的应用前景和推广市场。

【技术实现步骤摘要】
一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器
本专利技术涉及一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，属于结构健康监测

技术介绍
钢材因其塑性韧性好、强度高、抗震性能好、制作方便等优点而在土木工程领域中得到广泛应用，是当今世界应用最多的土木工程材料之一。钢结构的防腐和防火处理是钢结构设计和施工工作中的关键环节，钢结构涂层是延长钢结构使用寿命的有效方法。因此，有必要对钢结构涂层老化脱落进行监测，掌握钢结构涂层状态，为钢结构腐蚀程度评估、耐久性评定、剩余寿命预测提供重要依据。目前，涂层脱落监测有目视法、叉指电极法、电阻探针法、电化学阻抗谱法等。然而上述监测方法或多或少存在一些问题：目视法耗费人力且不能实时监测；叉指电极传感器主要用作金属涂层状态监测，对有机涂层监测有所不足；电阻传感器不能监测涂层降解早期阶段且受温度波动影响；电化学阻抗谱法主要限于实验室使用。近年来，由于光纤小巧轻便、抗电磁干扰、可以进行网络化等优点，一些基于光纤传感技术的传感器也应用于腐蚀监测领域。与普通光纤传感技术相比，侧面抛光光纤传感器对外界环境折射率具有高度敏感性，更好地适用于钢结构涂层脱落监测，且对金属涂层和有机涂层均适用。因此，针对刚结构涂层脱落状况的监测，基于侧面抛光光纤对外界环境折射率的高度敏感性，提供一种对涂层脱落状态高度灵敏、准确可靠的侧面抛光光纤传感器是十分有必要的，从而为评估钢结构涂层的性能提供重要依据。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于钢结构涂层老化脱落的光纤传感器，其目的是实现对钢结构涂层老化脱落状态的无损、在线实时、定量监测，准确地提示修复涂层的时间，从而降低钢结构涂层老化脱落导致钢结构腐蚀情况的发生，保障重大重要工程结构的安全。本专利技术采用如下技术方案：一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，包括柔性薄片1、单模光纤2和铁薄膜3；其中单模光纤2包括纤芯4、包层5和涂覆层6；柔性薄片1中间部位沿宽度方向被打磨出一个长方体的凹槽；单模光纤2被在柔性薄片1的长度范围内被其完全包裹；单模光纤2在柔性薄片1的凹槽位置处的一侧被打磨掉部分包层5，该区域为抛光区域，抛光区域被铁薄膜3覆盖，非抛光区域被柔性薄片1包裹。所述柔性薄片1的尺寸根据被监测对象和使用寿命的要求进行调整；所述单模光纤2的长度根据被监测对象和传感器敏感度的要求进行调整；所述单模光纤2的打磨程度根据被监测对象和传感器灵敏度的要求进行调整；所述单模光纤2的抛光区域的铁薄膜.3厚度根据传感器敏感度要求进行调整。本专利技术工作原理：侧面抛光光纤传感器原理如图5。在常规单模光纤中，倏逝波的振幅以指数衰减，相互作用的光场和声场几乎完全限制在纤维材料内，因此布里渊频移(BFS)不受环境折射率的影响。然而，在去除包层之后，倏逝波增大，光场能够通过其倏逝场与外部介质相互作用。在这种情况下，外部介质的折射率会影响有效折射率neff，从而通过式(1)影响布里渊频移。式中BFS为布里渊频移，neff单为有效折射率，Va为玻璃中的声速，λ为波长。因为钢的主要成分是铁，侧面抛光光纤的抛光区域镀铁薄膜。当铁薄膜表面的涂层老化脱落时，铁薄膜接触空气发生锈蚀，侧面抛光光纤周围介质的折射率发生改变，光纤的有效折射率neff因此发生改变，从而引起布里渊频移由BFS变为BFS′，布里渊频移的改变量为ΔBFS，即ΔBFS＝BFS-BFS'(2)涂层老化脱落引起的涂层质量损失百分比η与布里渊频移改变量ΔBFS的关系可用下式表示：ΔBFS＝β(η)(3)式中，β为涂层质量损失百分比η与布里渊频移改变量ΔBFS的函数关系，由实验拟合确定。因此，将钢结构涂层老化脱落监测传感器布置在钢结构表面，通过测量布里渊频移的改变量ΔBFS，再依据式(3)得出涂层质量损失百分比，即可实现涂层老化脱落状态的定量监测。又因为铁薄膜和钢结构的性质相似，涂层和钢结构的粘结性能与铁薄膜和涂层的粘结性能相似，测量出铁薄膜上涂层的质量损失率，所以被测钢结构涂层老化脱落状态定量监测也由此实现。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术通过监测侧面抛光光纤布里渊频移的改变量，实现对涂层脱落状态的定量监测；(2)本专利技术灵敏度高，采用侧面抛光光纤，使布里渊频移对周围介质的折射率敏感度增强；(3)本专利技术布设方便，可实现对涂层老化脱落状态的在线实时监测；(4)本专利技术可实现非破坏性监测，能够无损地监测钢结构涂层老化脱落状态，及时修复涂层，从而避免钢结构因涂层脱落导致腐蚀破坏；(5)本专利技术环境适应性好，使用寿命长；(6)本专利技术适用性强，对金属涂层和有机涂层均适用。(7)本专利技术可监测参数多，当通过试验拟合出布里渊频移改变量与铁薄膜因腐蚀引起的质量损失百分比的关系后，便可在监测钢结构涂层老化脱落状态的同时监测钢结构的腐蚀状态。附图说明图1为本专利技术用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器的结构示意图；图2为本专利技术用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器的俯视图；图3为本专利技术用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器的A-A截面剖视图；图4为本专利技术用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器的侧面抛光光纤横断面图；图5为本专利技术用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器传感的原理图；(a)为涂层脱落前，(b)涂层脱落后；图6为本专利技术用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器的布置示意图；图中：1柔性薄片；2单模光纤；3铁薄膜；4纤芯；5包层；6涂覆层。具体实施方式为使得本专利技术的目的、特征、优点能够更加的直观易懂，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1～4所示，本专利技术提供的一种用于钢结构涂层老化脱落监测传感器的一个实例，包括环氧树脂柔性薄片1、单模光纤2、铁薄膜3、纤芯4、包层5、涂覆层6。柔性薄片1中间部位沿宽度方向被打磨出一个长方体的凹槽；单模光纤2被在柔性薄片1的长度范围内被其完全包裹；单模光纤2在柔性薄片1的凹槽位置处的一侧被打磨掉部分包层6，该区域为抛光区域，抛光区域被铁薄膜3覆盖，非抛光区域被柔性薄片1包裹。进一步的，所述柔性薄片1的材料选取为环氧树脂；进一步的，所述柔性薄片1的尺寸为10cm×8cm×1cm；进一步的，所述单模光纤2折射率为1.468；进一步的，所述抛光区域的长度为3cm；进一步的，所述纤芯4的直径为9μm，包层5的直径为125μm，涂覆层6的直径为255μm；进一步的，所述铁薄膜3厚度为0.3μm，面积覆盖整个凹槽表面。当进行监测时，首先本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，其特征在于，该光纤传感器包括柔性薄片(1)、单模光纤(2)和铁薄膜(3)；其中单模光纤(2)包括纤芯(4)、包层(5)和涂覆层(6)；/n柔性薄片(1)中间部位沿宽度方向被打磨出一个长方体的凹槽；/n单模光纤(2)被在柔性薄片(1)的长度范围内被其完全包裹；/n单模光纤(2)在柔性薄片(1)的凹槽位置处的一侧被打磨掉部分包层(5)，该区域为抛光区域，抛光区域被铁薄膜(3)覆盖，非抛光区域被柔性薄片(1)包裹。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，其特征在于，该光纤传感器包括柔性薄片(1)、单模光纤(2)和铁薄膜(3)；其中单模光纤(2)包括纤芯(4)、包层(5)和涂覆层(6)；
柔性薄片(1)中间部位沿宽度方向被打磨出一个长方体的凹槽；
单模光纤(2)被在柔性薄片(1)的长度范围内被其完全包裹；
单模光纤(2)在柔性薄片(1)的凹槽位置处的一侧被打磨掉部分包层(5)，该区域为抛光区域，抛光区域被铁薄膜(3)覆盖，非抛光区域被柔性薄片(1)包裹。

【专利技术属性】
技术研发人员：唐福建，秦疆伟，李宏男，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21