一种基于光纤传感的锈蚀环境监测装置及其监测方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明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，本发明采用的技术方案是：

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。

本发明的工作原理是：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，fbg温度传感器预留的光纤会抵消掉应变变化，使布拉格光栅只受温度影响产生波长漂移。通过监测这两个反射峰的波长漂移量，根据两个传感器的温度与应变响应的灵敏度系数，建立两个二元一次方程，计算得到该时刻的温度和应变，以初始时刻监测得到的应变结果为基准，比较后期各时间点的数据，得到各个时间段应变的变化快慢情况，即达到通过监测预应力筋来监测锈蚀环境，掌握锈蚀情况，量化锈蚀速度的目的。

在本发明中，装置的具体安装过程是：首先，将监测用钢筋穿过预应力筋支撑架左右挡板的孔洞，使钢筋中间段处于钢架内，对钢筋进行张拉并在挡板外侧将钢筋锚固于挡板上，将fbg应力传感器和fbg温度传感器用光纤串联，并安装于上顶板表面；然后，除开预应力筋外，装置的其它部分涂覆上无机高分子弹性涂料，将装置放置于待浇筑混凝土模板内受拉钢筋附近，将4个带螺纹支脚从支撑柱预留的内螺纹孔洞拧入预应力筋支撑架，注意保持预应力筋水平并调节高度至监测钢筋与受拉钢筋在同一高度，然后将螺母从支脚根部拧入防止支脚螺纹滑丝；最后，在浇筑混凝土前，用光纤将fbg应力传感器和fbg温度传感器连接至解调仪，进行混凝土浇筑和养护。

在本发明中，预应力筋的作用是感知并反映混凝土内部锈蚀环境的情况；fbg应力传感器的作用是监测钢制长条应变和温度的变化；fbg温度传感器的作用是消除温度变化引起的监测误差，提高监测精度；预应力筋支撑架中，左、右挡板的作用是传递预应力筋的应力到上顶板，并用于安装带螺纹支脚，支撑柱的作用是粘贴fbg应力传感器和fbg温度传感器，同时还有承受预应力筋预应力的作用；带螺纹支脚的作用是调整监测用预应力筋的高度，使其处于合适的监测高度；紧定螺母的作用是防止支脚螺纹和预应力筋支撑架的内螺纹滑丝导致装置倾斜或损坏；无机高分子弹性涂料的作用是保护传感器在混凝土浇筑过程中受到损坏，同时使预应力筋支撑架各部件不直接与混凝土接触使其自由应变不受限制，提高监测精度；光纤的作用是用于传输数据；解调仪及电脑的作用是解调信号及数据分析。

与现有技术相比，本发明的监测装置具有以下有益技术效果：

1、不与结构中的钢筋接触，不影响钢筋锈蚀的自然发展过程，同时钢筋锈蚀的锈胀作用对监测结果也无影响，大大降低了系统误差。

2、光纤光栅具有耐腐蚀性好、灵敏度较高等优势，能够实现预应力筋锈蚀的高精度、长期监测。

3、成本较低，所用材料相对便宜，方便大范围在工程实际中应用，降低锈蚀监测的成本。

4、可以完整监测从锈蚀开始对机构产生影响到锈蚀后期的整个阶段，锈蚀率发展的程度，发展的速率等重要因素，从而对结构进行耐久性评定、剩余使用寿命预测和为其加固维修提供可靠依据。解决了其他传感器只能监测锈蚀前期的锈蚀率，难以在工程实际中发挥应用的问题。

附图说明

图1为本发明一种基于光纤传感锈蚀环境监测4支撑柱装置的结构示意图；

图2为本发明一种基于光纤传感锈蚀环境监测2支撑柱装置的结构示意图；

图3为本发明监测装置中fbg应力传感器和fbg温度传感器俯向剖面图；

图4为本发明装置在混凝土中工作时的竖向剖面图；

附图标记：1：监测钢筋；2：fbg应力传感器；3：fbg温度传感器；4：预应力筋支撑架；5：锚具；6：带螺纹支脚；7：紧定螺母；8：无机高分子弹性涂料；9：传输光纤；10：解调仪及电脑；11:混凝土；12：结构中的钢筋；201：胶黏剂；202：应变光栅；301：金属管；302：橡胶；303：温度光栅；401：左挡板；402：右挡板；403：支撑柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利做进一步解释说明。

本发明基于光纤传感锈蚀环境监测装置，如图1所示，该监测装置包括监测钢筋1、fbg应力传感器2、fbg温度传感器3、预应力筋支撑架4、锚具5、带螺纹支脚6、紧定螺母7、无机高分子弹性涂料8和传输光纤9。用锚具5张拉监测钢筋1并将其锚固在预应力筋支撑架4上，预应力筋支撑架下端连接带螺纹支脚6，利用支脚上的螺纹调节监测钢筋的高度，并用紧定螺母7固定支脚。除监测钢筋2外，装置的其他部分均匀涂抹上无机高分子弹性涂料。用光纤9将fbg应力传感器2和fbg温度传感器3串联，安装在预应力筋支撑架的支撑柱403上，并连接至解调仪及电脑10。

预应力筋支撑架4是由支撑柱403、左挡板401以及右挡板402构成。其中支撑柱连接左右挡板。左、右挡板可为长方体不锈钢板，正中间有贯穿孔洞，底部设置带内螺纹的贯穿的孔洞。

该预应力支撑架所选用材料为不锈钢、钢材或其他轻质高强的材料。

预应力筋支撑架上孔洞数量为4个，分布左右挡板底部四个角上。

预应力筋支撑架上孔洞螺纹采用单线螺旋，大径在3—5mm，小径在1—3mm，螺距在0.5—0.7mm。

预应力筋支撑架上的支撑柱数量为2个，分别布置于左右挡板靠近上下两边的中间位置，参见图2。支撑柱403距上下两边距离10—20mm。或支撑柱数量为四个，布置于左右挡板四个角的位置，分别距相近两边距离10—20mm。

预应力筋支撑架上的支撑柱半径为15—20mm。

预应力筋支撑架上的支撑柱长度为300mm—400mm。

预应力筋支撑架的左、右挡板厚度在5—20mm，更优选为10—15mm。

预应力筋支撑架的左、右挡板长度在100—250mm，宽度在100—250mm，更优选的是，为矩形，边长在150—200mm。

预应力筋支撑架的左、右挡板中间孔洞直径在20—30mm。

监测钢筋为专门设置的用于监测混凝土内部锈蚀环境的钢筋，将监测钢筋横穿过预应力筋支撑架左、右挡板的孔洞，利用锚具在挡板外侧对监测钢筋进行张拉，然后将锚具固定在挡板外侧。

监测钢筋直径在15—30mm。

监测钢筋的长度在400mm—500mm。

fbg应力传感器为一种波长调制性传感器，是将通信用光纤的一部分利用掺锗光纤非线性吸收效应的紫外线曝光法而制成，采用胶黏剂进行封装。

fbg温度传感器是一种经过殊处理的fbg应力传感器，采用管式封装，金属管内部不进行填充，在管内预留足够长度的光纤，并将管内左右两端密封和对光纤进行固定。

fbg应力传感器和fbg温度传感器的两个光栅选用不同栅距。

带螺纹支脚，支脚上3/4部分为带外螺纹的柱体，可从预应力筋支撑架支撑柱内螺纹孔洞处拧入，固定在预应力筋支撑架上，下1/4部分为圆锥体。

监测装置包括4个调节支脚。

带螺纹支脚高度在20mm—40mm。

带螺纹支脚上半部分螺纹采用单线螺旋，大径在3—5mm，小径在1—3mm，螺距在0.5—0.7mm，其参数与支撑柱孔洞内螺纹保持一致。

紧定螺母，从调节支脚下半部分拧入固定预应力筋支撑架上。

螺母的螺纹大径在3—5mm，小径在1—3mm，螺距在0.5—0.7mm，其参数与支撑柱孔洞内螺纹保持一致。

无机高分子弹性涂料，均匀涂抹于除监测钢筋外的装置的其它部位。

无机高分子弹性涂料选用碱金属硅酸盐或硅溶胶。

无机高分子弹性涂料涂覆厚度在1—5mm，更优选为2—3mm。传输光纤选用铠装光缆。

实施例1：

用于监测钢筋混凝土锈蚀环境。

首先，将监测用钢筋1穿过预应力筋支撑架4左、右挡板(401、402)的孔洞，使钢筋中间段处于钢架内，对钢筋进行张拉并在挡板外侧将钢筋锚固于挡板上，选取波长相差较大的合适的fbg应力传感器2和fbg温度传感器3，其中，fbg应力传感器波长为λf，fbg温度传感器波长为λp。将fbg应力传感器2和fbg温度传感器3用光纤9串联，并利用安装于支撑柱表面；然后，除开预应力筋外，装置的其它部分涂覆上无机高分子弹性涂料8，将装置放置于待浇筑混凝土模板内受拉钢筋附近，将4个带螺纹支脚6从预应力筋支撑架4左右挡板(401、402)预留的内螺纹孔洞拧入预应力筋支撑架，如图4所示，注意保持预应力筋水平并调节预应力筋高度至与受拉钢筋相同，然后将紧定螺母7从支脚根部拧入防止支脚螺纹滑丝；最后，在浇筑混凝土前，用光纤将fbg应力传感器和fbg温度传感器连接至解调仪，进行混凝土浇筑和养护。养护完成后，记录下各时间点fbg应力传感器和fbg温度传感器所测得的数据λft和λpt，计算各传感器的波长漂移量：

δλft＝λft-λf(1a)

或δλpt＝λpt-λp(1b)

根据fbg应力传感器的原理可得计算公式：

δλft＝μδεt+γδt(2)

其中，δλft为t时刻fbg应力传感器的波长漂移量，μ为应变参数，γ为温度参数，μ和γ均由光纤光栅材料特征决定，为已知量，δεt是t时刻的光栅轴向应变，δt是t时刻温度变化量。

fbg温度传感器经过特殊封装不受应力影响，其计算公式为：

δλpt＝γδt(3)

其中λft为fbg应力传感器t时刻的监测数据，λpt为fbg温度传感器t时刻的监测数据。

分别代入公式(1)、(2)，可得：

δλft＝λft-λf＝μδεt+γδt(4)

δλpt＝λpt-λp＝γδt(5)

δλft-δλpt＝μδεt(6)

即可建立波长漂移量和预应力筋应变间关系。根据记录养护完成时监测的第1组数据，可计算出预应力筋所受的实际力的大小：

ft＝nδεteπr²(7)

其中，ft是预应力筋t时刻所受力的大小，r是支撑柱的半径，e为支撑柱的弹性模量，n为支撑柱的数量。

之后，按照上述采集数据过程及计算过程，间隔相应时间段提取一次监测数据，计算各对应时间点时应变大小δε2、δε3、δε4……然后通过预应力大小及公式：

σt＝σ0-(σl1+σl2+σl3+σl4t+σl5t)(8)

其中，σt为预应力筋经过t时间的预应力损失后的应力；σ0为预应力筋的张拉应力；σl1为张拉端锚具变形和预应力筋內缩引起的预应力损失值；σl2为预应力筋的摩擦引起的预应力损失值；σl3为混凝土加热养护时，锚具和预应力筋间的温差引起的预应力损失值；σl4t为t时刻预应力松弛引起的预应力损失值；σl5t为t时刻预应力的收缩和徐变引起的预应力损失值；σl1～σl5t详细计算方法参照《混凝土设计规范gb50010-2010》。

计算出各时间点钢筋面积st，即可得到各监测时间点钢筋横截面积，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以及锈蚀速率。

实施例2：

用于监测在海边的结构物所受的潮湿环境。

重复实施例1，只是不需要将装置预埋进混凝土内部，将其放置于需要监测的结构物旁的自然环境下。