一種fbg金屬腐蝕傳感器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及橋梁、隧道、大巧和樓宇等構(gòu)筑物中鋼筋誘蝕健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其設(shè)及 一種FBG金屬腐蝕傳感器及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋼筋混凝±結(jié)構(gòu)耐久性較好，但處于海洋環(huán)境等惡劣環(huán)境中時(shí)，鋼筋會(huì)發(fā)生腐蝕， 導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的耐久性不足，直接影響整體結(jié)構(gòu)的安全性和適用性，甚至造成建筑物過早破壞。 因此，鋼筋腐蝕程度的監(jiān)測(cè)具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。
[0003] 鋼筋腐蝕本質(zhì)上是電化學(xué)過程，因此電化學(xué)方法成為監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕的本質(zhì)方法， 也是目前技術(shù)比較成熟的方法。鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的電化學(xué)方法主要有半電池電位法、混凝± 電阻率法、線性極化法等，通過測(cè)量鋼筋電位、混凝±電阻率、腐蝕電流密度等確定鋼筋的 腐蝕程度或腐蝕速率。電化學(xué)方法的缺點(diǎn)是；工作量大、測(cè)量結(jié)果容易受到含水率等外界因 素的干擾、只能定性判斷鋼筋腐蝕狀態(tài)，不能直接描述鋼筋的腐蝕程度、不能實(shí)現(xiàn)定量在線 監(jiān)測(cè)、一些不易達(dá)到的位置難W檢測(cè)，并且該方法對(duì)早期的輕微腐蝕很難做出反映。
[0004] 光纖傳感器具有體積小、精度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、適合于隱蔽部位W及危險(xiǎn) 區(qū)域等特定部位監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，因而光纖傳感器在鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)方面也得到了廣泛的研究。 K.D.Bennett設(shè)計(jì)了 "腐蝕保險(xiǎn)絲"傳感方案，通過鋼筋與保險(xiǎn)絲的腐蝕對(duì)比推斷出鋼筋 腐蝕程度，但是該種傳感器體積大，造價(jià)高，而且不能給出保險(xiǎn)絲斷裂W前和斷裂W后的腐 蝕信息。黎學(xué)明等人采用電化學(xué)方法制備了用于混凝±結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)的光纖傳感器， 通過電沉積于光纖纖巧上的敏感膜將腐蝕信息傳遞給光纖內(nèi)傳導(dǎo)的光波，從而獲取腐蝕信 息，該種方法測(cè)量精度很高，但對(duì)鍛膜的工藝要求較高，且受量程和壽命的限制而難W用于 實(shí)際工程。J.A.Greene等人設(shè)計(jì)了預(yù)拉應(yīng)變FBG腐蝕傳感器，但由于光柵應(yīng)變減小的程 度和速率與金屬薄板的直徑及成分都有關(guān)，影響因素較為復(fù)雜，難W單獨(dú)確定腐蝕的影響， 并且由于FBG預(yù)先拉伸，即使沒有腐蝕發(fā)生，應(yīng)變也會(huì)因預(yù)應(yīng)力松弛及環(huán)氧樹脂的蠕變而 有所減小，不利于鋼筋腐蝕的長期監(jiān)測(cè)。江毅等人根據(jù)鋼筋誘蝕后體積膨脹的原理提出了 一種FBG腐蝕傳感器，但該種方法粘貼點(diǎn)易脫落，并且FBG容易損壞。李俊等人先后提出 了凹槽式、兩根鋼筋并列放置式、剖開式等FBG腐蝕傳感器，理論上鋼筋腐蝕程度的測(cè)量精 度很高，凹槽式腐蝕傳感器的缺點(diǎn)是電偶腐蝕會(huì)加速鋼筋腐蝕，難W有效模擬鋼筋的真實(shí) 腐蝕過程，兩根鋼筋并列放置式FBG腐蝕傳感器和剖開式FBG腐蝕傳感器的缺點(diǎn)是腐蝕傳 感器W雙筋接觸面的腐蝕作為腐蝕信號(hào)來源，而實(shí)際腐蝕不均勻，可能先從其它面發(fā)生腐 蝕，因此其它面的早期腐蝕膨脹信號(hào)很難被FBG捕捉到。SimonK.T.Grattan將FBG直接 纏繞在結(jié)構(gòu)鋼筋上，W測(cè)量鋼筋腐蝕程度，其缺點(diǎn)是光纖粘貼點(diǎn)容易脫落?；痟manSidek 等人在同樣的原理基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，制作了PDMS涂層FBG腐蝕傳感器，但是其光纖粘貼 點(diǎn)同樣容易脫落。MuhammadRosdiAbu化ssan制作了蝕刻FBG腐蝕傳感器，該種傳感器 監(jiān)測(cè)到的只是鋼筋與侶片底座接觸面處的腐蝕信息，并且該傳感器的侶片底座會(huì)影響鋼筋 的腐蝕狀況，此外，該研究是在鹽水環(huán)境中進(jìn)行的，與實(shí)際工程環(huán)境和激勵(lì)存在較大差異。 S.Ali-Alvarez等人設(shè)計(jì)了保險(xiǎn)絲式FBG腐蝕傳感器，其缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)鋼筋的定量、長期 監(jiān)測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明公開了一種FBG金屬腐蝕傳感器，包括鋼筋件， 所述鋼筋件采用腐蝕監(jiān)測(cè)部位所用的結(jié)構(gòu)鋼筋并加工成圓柱形，鋼筋件的中屯、位置設(shè)置有 通孔，在通孔的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有光纜固定孔，所述鋼筋件的表面纏繞設(shè)置FBG誘脹傳感器， 在通孔內(nèi)設(shè)置用于消除FBG誘脹傳感器溫度交叉敏感性的FBG溫度傳感器。
[0006] 所述鋼筋件直徑不小于所采用FBG誘脹傳感器所要求的彎曲半徑。
[0007] 所述鋼筋件上設(shè)置通槽，在通槽內(nèi)填充絕緣材料形成FBG固定槽。
[000引在鋼筋件的表面纏繞FBG誘脹傳感器的區(qū)域設(shè)置有環(huán)形安裝槽，所述FBG誘脹傳 感器安裝于環(huán)形安裝槽內(nèi)。
[0009] 所述環(huán)形安裝槽的深度不大于帶有涂敷層光纖的外徑，環(huán)形安裝槽的寬度等于 FBG誘脹傳感器的纏繞圈數(shù)與帶有涂敷層光纖的外徑的乘積。
[0010] 所述環(huán)形安裝槽中設(shè)置環(huán)形絕緣層，環(huán)形絕緣層的寬度根據(jù)使用壽命計(jì)算得到的 纏繞圈數(shù)確定，環(huán)形絕緣層的厚度不小于0. 5mm。
[0011] 所述FBG固定槽和環(huán)形絕緣層所用材料不局限于環(huán)氧樹脂，可W是滿足優(yōu)良物理 機(jī)械性能、電絕緣性能、化學(xué)性能穩(wěn)定、且與鋼筋粘接良好的材料，為了保證測(cè)量精度，所用 絕緣材料與鋼筋的熱膨脹系數(shù)盡量相近，否則需要通過數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行修正。
[0012] 一種FBG金屬腐蝕傳感器的制造方法，包括W下步驟：
[0013]S1 ;在鋼筋件的中屯、位置加工通孔，在通孔的兩側(cè)對(duì)稱加工光纜固定孔，在鋼筋件 上還加工通槽和環(huán)形安裝槽，在通槽內(nèi)采用絕緣材料填充形成FBG固定槽，在環(huán)形安裝槽 中加工環(huán)形絕緣層；
[0014] S2 ;將FBG誘脹傳感器一端剝除光纖涂覆層，得到l-5mm長度的裸光纖，并將裸光 纖粘結(jié)在FBG固定槽上，施加一定拉力并緊密纏繞設(shè)定的圈數(shù)后，將FBG誘脹傳感器另一端 恰好位于FBG固定槽的光纖剝除l-5mm的涂覆層，并用膠粘劑固定在FBG固定槽上；
[0015] S3;將FBG溫度傳感器放置在通孔中，在光纜固定孔內(nèi)用膠粘劑固定光纜并密封 形成光纜固定點(diǎn)；
[0016] S4 ;將制作好的FBG金屬腐蝕傳感器采用與所應(yīng)用工程混凝±配比相近的砂漿進(jìn) 釘園柱形包衷封裝，包衷層厚度2-30mm。
[0017] FBG誘脹傳感器測(cè)得的應(yīng)變e與鋼筋件誘脹應(yīng)變Es之間的關(guān)系為：
[001 引
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種FBG金屬腐蝕傳感器，其特征在于：包括鋼筋件（I)，所述鋼筋件（1)采用腐蝕 監(jiān)測(cè)部位所用的結(jié)構(gòu)鋼筋并加工成圓柱形，鋼筋件（1)的中心位置設(shè)置有通孔（3)，在通孔 (3)的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有光纜固定孔（2)，所述鋼筋件（1)的表面纏繞設(shè)置FBG銹脹傳感器 (5)，在通孔（3)內(nèi)設(shè)置用于消除FBG銹脹傳感器（5)溫度交叉敏感性的FBG溫度傳感器 ⑷。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的FBG金屬腐蝕傳感器，其特征還在于：所述鋼筋件（1)上還 設(shè)置有通槽（6)，在通槽（6)內(nèi)填充絕緣材料形成FBG固定槽（10)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的FBG金屬腐蝕傳感器，其特征還在于：在鋼筋件（1)的表面 纏繞FBG銹脹傳感器（5)的區(qū)域設(shè)置有環(huán)形安裝槽（7)，所述FBG銹脹傳感器（5)安裝于環(huán) 形安裝槽（7)內(nèi)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的FBG金屬腐蝕傳感器，其特征還在于：所述環(huán)形安裝槽（7)的 深度不大于帶有涂敷層光纖的外徑，環(huán)形安裝槽（7)的寬度等于FBG銹脹傳感器（5)的纏 繞圈數(shù)與帶有涂敷層光纖的外徑的乘積。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的FBG金屬腐蝕傳感器，其特征還在于：所述的環(huán)形安裝槽（7) 中設(shè)有環(huán)形絕緣層（11)，環(huán)形絕緣層（11)的寬度根據(jù)使用壽命計(jì)算得到的纏繞圈數(shù)確定， 環(huán)形絕緣層（11)的厚度不小于〇.5_。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的FBG金屬腐蝕傳感器，其特征還在于：所述的FBG固定槽 (10)和環(huán)形絕緣層（11)所用的絕緣材料不局限于環(huán)氧樹脂，可以是滿足優(yōu)良物理機(jī)械性 能、電絕緣性能、化學(xué)性能穩(wěn)定、且與鋼筋粘接良好的材料。
7. -種制作權(quán)利要求1-6任意一項(xiàng)所述的FBG金屬腐蝕傳感器的方法，其特征在于： 包括以下步驟： 51 :在鋼筋件（1)的中心位置加工通孔（3)，在通孔（3)的兩側(cè)對(duì)稱加工光纜固定孔 (2)，在鋼筋件（1)上還加工通槽（6)和環(huán)形安裝槽（7)，在通槽（6)內(nèi)采用絕緣材料填充形 成FBG固定槽（10)，在環(huán)形安裝槽（7)中加工環(huán)形絕緣層（11); 52 :將FBG銹脹傳感器（5) -端剝除光纖涂覆層，得到1-5_長度的裸光纖，并將裸光 纖粘結(jié)在FBG固定槽（10)上，施加一定拉力并緊密纏繞設(shè)定的圈數(shù)后，將FBG銹脹傳感器 (5)另一端恰好位于FBG固定槽（10)的光纖剝除l-5mm的涂覆層，并用膠粘劑固定在FBG 固定槽（10)上； 53 :將FBG溫度傳感器（4)放置在通孔（3)中，在光纜固定孔（2)內(nèi)用膠粘劑固定光纜 并密封形成光纜固定點(diǎn)（12); 54 :將制作好的FBG金屬腐蝕傳感器采用與所應(yīng)用工程混凝土配比相近的砂漿進(jìn)行圓 柱形包裹封裝，包裹層厚度2-30mm。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的FBG金屬腐蝕傳感器的制造方法，其特征還在于：FBG銹脹傳 感器（5)測(cè)得的應(yīng)變?chǔ)排c鋼筋件（1)銹脹應(yīng)變?chǔ)?s之間的關(guān)系為：
上式中，Dtl為鋼筋件中環(huán)形安裝槽（7)的直徑，AD為鋼筋銹蝕引起的直徑變化量，η為 FBG銹脹傳感器（5)在環(huán)形安裝槽（7)內(nèi)鋼筋上的纏繞圈數(shù)，m為FBG銹脹傳感器（5)在環(huán) 形安裝槽（7)內(nèi)環(huán)形絕緣層（11)上的纏繞圈數(shù)。 鋼筋件（1)體積銹蝕率P v與FBG銹脹傳感器（5)應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系為：
FBG銹脹傳感器（5)布拉格波長變化量與應(yīng)變和溫度變化量的關(guān)系為： Δ λ ^ k ε ε +kT1 Δ T 其中，Λ A1S FBG銹脹傳感器（5)中心波長變化量，k ε為應(yīng)變敏感系數(shù)，kT1為溫度敏 感系數(shù)，ε為FBG銹脹傳感器（5)的軸向應(yīng)變，Λ T是溫度變化量； FBG溫度傳感器（4)只用于測(cè)量鋼筋件（1)的溫度，其布拉格波長變化變化量與溫度變 化量的關(guān)系為： Δ λ 2 = k Τ2 Δ T 其中，kT2為FBG溫度傳感器（4)的溫度敏感系數(shù)； 若FBG銹脹傳感器（5)由于溫度引起的波長變化量為Λ λ ' i，則
得到溫度補(bǔ)償后的FBG銹脹傳感器（5)的波長變化量為：
因此，可以得到鋼筋件（1)體積銹蝕率與FBG銹脹傳感器（5)波長變化量的關(guān)系為：
假設(shè)鋼筋件（1)銹蝕的體積膨脹系數(shù)是β，鋼筋件（1)體積銹蝕率是Pv，鋼筋件（1) 質(zhì)量銹蝕率是P m，則有
通過上述推導(dǎo)，得到鋼筋仵體枳銹蝕率P v、質(zhì)量銹蝕率P m、FBG銹脹傳感器波長變化 量與纏繞圈數(shù)η和m的理論關(guān)系式。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種FBG金屬腐蝕傳感器及其制作方法，該傳感器包括鋼筋件，所述鋼筋件的中心位置設(shè)置有通孔，在通孔的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有光纜固定孔，所述鋼筋件表面設(shè)有環(huán)形安裝槽，槽內(nèi)一側(cè)設(shè)置環(huán)形絕緣層，在環(huán)形安裝槽內(nèi)纏繞設(shè)置FBG銹脹傳感器，兩端用膠粘劑固定在FBG固定槽上，在通孔內(nèi)設(shè)置用于消除FBG銹脹傳感器溫度交叉敏感性的FBG溫度傳感器。本發(fā)明提供的一種FBG金屬腐蝕傳感器，內(nèi)置用于溫度補(bǔ)償?shù)腇BG溫度感器；設(shè)計(jì)的環(huán)形安裝槽能夠有效地防止傳感器的損壞；設(shè)計(jì)的FBG固定槽能夠解決FBG銹脹傳感器固定點(diǎn)的脫落失效問題；環(huán)形安裝槽內(nèi)環(huán)形絕緣層的設(shè)計(jì)能增加傳感器的量程，保證傳感器在全壽命期的使用壽命。
【IPC分類】G01N17-04
【公開號(hào)】CN104880401
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510277799
【發(fā)明人】宋世德, 王曉娜, 黃一
【申請(qǐng)人】宋世德
【公開日】2015年9月2日
【申請(qǐng)日】2015年5月22日