一种fbg金属腐蚀传感器及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及桥梁、隧道、大巧和楼宇等构筑物中钢筋诱蚀健康监测领域，尤其设及 一种FBG金属腐蚀传感器及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 钢筋混凝±结构耐久性较好，但处于海洋环境等恶劣环境中时，钢筋会发生腐蚀， 导致结构的耐久性不足，直接影响整体结构的安全性和适用性，甚至造成建筑物过早破坏。 因此，钢筋腐蚀程度的监测具有重要的理论意义和应用价值。
[0003] 钢筋腐蚀本质上是电化学过程，因此电化学方法成为监测钢筋腐蚀的本质方法， 也是目前技术比较成熟的方法。钢筋腐蚀监测的电化学方法主要有半电池电位法、混凝± 电阻率法、线性极化法等，通过测量钢筋电位、混凝±电阻率、腐蚀电流密度等确定钢筋的 腐蚀程度或腐蚀速率。电化学方法的缺点是；工作量大、测量结果容易受到含水率等外界因 素的干扰、只能定性判断钢筋腐蚀状态，不能直接描述钢筋的腐蚀程度、不能实现定量在线 监测、一些不易达到的位置难W检测，并且该方法对早期的轻微腐蚀很难做出反映。
[0004] 光纤传感器具有体积小、精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、适合于隐蔽部位W及危险 区域等特定部位监测等优点，因而光纤传感器在钢筋腐蚀监测方面也得到了广泛的研究。 K.D.Bennett设计了 "腐蚀保险丝"传感方案，通过钢筋与保险丝的腐蚀对比推断出钢筋 腐蚀程度，但是该种传感器体积大，造价高，而且不能给出保险丝断裂W前和断裂W后的腐 蚀信息。黎学明等人采用电化学方法制备了用于混凝±结构钢筋腐蚀监测的光纤传感器， 通过电沉积于光纤纤巧上的敏感膜将腐蚀信息传递给光纤内传导的光波，从而获取腐蚀信 息，该种方法测量精度很高，但对锻膜的工艺要求较高，且受量程和寿命的限制而难W用于 实际工程。J.A.Greene等人设计了预拉应变FBG腐蚀传感器，但由于光栅应变减小的程 度和速率与金属薄板的直径及成分都有关，影响因素较为复杂，难W单独确定腐蚀的影响， 并且由于FBG预先拉伸，即使没有腐蚀发生，应变也会因预应力松弛及环氧树脂的蠕变而 有所减小，不利于钢筋腐蚀的长期监测。江毅等人根据钢筋诱蚀后体积膨胀的原理提出了 一种FBG腐蚀传感器，但该种方法粘贴点易脱落，并且FBG容易损坏。李俊等人先后提出 了凹槽式、两根钢筋并列放置式、剖开式等FBG腐蚀传感器，理论上钢筋腐蚀程度的测量精 度很高，凹槽式腐蚀传感器的缺点是电偶腐蚀会加速钢筋腐蚀，难W有效模拟钢筋的真实 腐蚀过程，两根钢筋并列放置式FBG腐蚀传感器和剖开式FBG腐蚀传感器的缺点是腐蚀传 感器W双筋接触面的腐蚀作为腐蚀信号来源，而实际腐蚀不均匀，可能先从其它面发生腐 蚀，因此其它面的早期腐蚀膨胀信号很难被FBG捕捉到。SimonK.T.Grattan将FBG直接 缠绕在结构钢筋上，W测量钢筋腐蚀程度，其缺点是光纤粘贴点容易脱落。化hmanSidek 等人在同样的原理基础上进行了改进，制作了PDMS涂层FBG腐蚀传感器，但是其光纤粘贴 点同样容易脱落。MuhammadRosdiAbu化ssan制作了蚀刻FBG腐蚀传感器，该种传感器 监测到的只是钢筋与侣片底座接触面处的腐蚀信息，并且该传感器的侣片底座会影响钢筋 的腐蚀状况，此外，该研究是在盐水环境中进行的，与实际工程环境和激励存在较大差异。 S.Ali-Alvarez等人设计了保险丝式FBG腐蚀传感器，其缺点是不能实现钢筋的定量、长期 监测。
【发明内容】
[0005] 根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种FBG金属腐蚀传感器，包括钢筋件， 所述钢筋件采用腐蚀监测部位所用的结构钢筋并加工成圆柱形，钢筋件的中屯、位置设置有 通孔，在通孔的两侧对称设置有光缆固定孔，所述钢筋件的表面缠绕设置FBG诱胀传感器， 在通孔内设置用于消除FBG诱胀传感器温度交叉敏感性的FBG温度传感器。
[0006] 所述钢筋件直径不小于所采用FBG诱胀传感器所要求的弯曲半径。
[0007] 所述钢筋件上设置通槽，在通槽内填充绝缘材料形成FBG固定槽。
[000引在钢筋件的表面缠绕FBG诱胀传感器的区域设置有环形安装槽，所述FBG诱胀传 感器安装于环形安装槽内。
[0009] 所述环形安装槽的深度不大于带有涂敷层光纤的外径，环形安装槽的宽度等于 FBG诱胀传感器的缠绕圈数与带有涂敷层光纤的外径的乘积。
[0010] 所述环形安装槽中设置环形绝缘层，环形绝缘层的宽度根据使用寿命计算得到的 缠绕圈数确定，环形绝缘层的厚度不小于0. 5mm。
[0011] 所述FBG固定槽和环形绝缘层所用材料不局限于环氧树脂，可W是满足优良物理 机械性能、电绝缘性能、化学性能稳定、且与钢筋粘接良好的材料，为了保证测量精度，所用 绝缘材料与钢筋的热膨胀系数尽量相近，否则需要通过数据处理方法进行修正。
[0012] 一种FBG金属腐蚀传感器的制造方法，包括W下步骤：
[0013]S1 ;在钢筋件的中屯、位置加工通孔，在通孔的两侧对称加工光缆固定孔，在钢筋件 上还加工通槽和环形安装槽，在通槽内采用绝缘材料填充形成FBG固定槽，在环形安装槽 中加工环形绝缘层；
[0014] S2 ;将FBG诱胀传感器一端剥除光纤涂覆层，得到l-5mm长度的裸光纤，并将裸光 纤粘结在FBG固定槽上，施加一定拉力并紧密缠绕设定的圈数后，将FBG诱胀传感器另一端 恰好位于FBG固定槽的光纤剥除l-5mm的涂覆层，并用胶粘剂固定在FBG固定槽上；
[0015] S3;将FBG温度传感器放置在通孔中，在光缆固定孔内用胶粘剂固定光缆并密封 形成光缆固定点；
[0016] S4 ;将制作好的FBG金属腐蚀传感器采用与所应用工程混凝±配比相近的砂浆进 钉园柱形包衷封装，包衷层厚度2-30mm。
[0017] FBG诱胀传感器测得的应变e与钢筋件诱胀应变Es之间的关系为：
[001 引
【主权项】
1. 一种FBG金属腐蚀传感器，其特征在于：包括钢筋件（I)，所述钢筋件（1)采用腐蚀 监测部位所用的结构钢筋并加工成圆柱形，钢筋件（1)的中心位置设置有通孔（3)，在通孔 (3)的两侧对称设置有光缆固定孔（2)，所述钢筋件（1)的表面缠绕设置FBG锈胀传感器 (5)，在通孔（3)内设置用于消除FBG锈胀传感器（5)温度交叉敏感性的FBG温度传感器 ⑷。
2. 根据权利要求1所述的FBG金属腐蚀传感器，其特征还在于：所述钢筋件（1)上还 设置有通槽（6)，在通槽（6)内填充绝缘材料形成FBG固定槽（10)。
3. 根据权利要求1所述的FBG金属腐蚀传感器，其特征还在于：在钢筋件（1)的表面 缠绕FBG锈胀传感器（5)的区域设置有环形安装槽（7)，所述FBG锈胀传感器（5)安装于环 形安装槽（7)内。
4. 根据权利要求3所述的FBG金属腐蚀传感器，其特征还在于：所述环形安装槽（7)的 深度不大于带有涂敷层光纤的外径，环形安装槽（7)的宽度等于FBG锈胀传感器（5)的缠 绕圈数与带有涂敷层光纤的外径的乘积。
5. 根据权利要求3所述的FBG金属腐蚀传感器，其特征还在于：所述的环形安装槽（7) 中设有环形绝缘层（11)，环形绝缘层（11)的宽度根据使用寿命计算得到的缠绕圈数确定， 环形绝缘层（11)的厚度不小于〇.5_。
6. 根据权利要求1-5所述的FBG金属腐蚀传感器，其特征还在于：所述的FBG固定槽 (10)和环形绝缘层（11)所用的绝缘材料不局限于环氧树脂，可以是满足优良物理机械性 能、电绝缘性能、化学性能稳定、且与钢筋粘接良好的材料。
7. -种制作权利要求1-6任意一项所述的FBG金属腐蚀传感器的方法，其特征在于： 包括以下步骤： 51 :在钢筋件（1)的中心位置加工通孔（3)，在通孔（3)的两侧对称加工光缆固定孔 (2)，在钢筋件（1)上还加工通槽（6)和环形安装槽（7)，在通槽（6)内采用绝缘材料填充形 成FBG固定槽（10)，在环形安装槽（7)中加工环形绝缘层（11); 52 :将FBG锈胀传感器（5) -端剥除光纤涂覆层，得到1-5_长度的裸光纤，并将裸光 纤粘结在FBG固定槽（10)上，施加一定拉力并紧密缠绕设定的圈数后，将FBG锈胀传感器 (5)另一端恰好位于FBG固定槽（10)的光纤剥除l-5mm的涂覆层，并用胶粘剂固定在FBG 固定槽（10)上； 53 :将FBG温度传感器（4)放置在通孔（3)中，在光缆固定孔（2)内用胶粘剂固定光缆 并密封形成光缆固定点（12); 54 :将制作好的FBG金属腐蚀传感器采用与所应用工程混凝土配比相近的砂浆进行圆 柱形包裹封装，包裹层厚度2-30mm。
8. 根据权利要求7所述的FBG金属腐蚀传感器的制造方法，其特征还在于：FBG锈胀传 感器（5)测得的应变ε与钢筋件（1)锈胀应变ε s之间的关系为：
上式中，Dtl为钢筋件中环形安装槽（7)的直径，AD为钢筋锈蚀引起的直径变化量，η为 FBG锈胀传感器（5)在环形安装槽（7)内钢筋上的缠绕圈数，m为FBG锈胀传感器（5)在环 形安装槽（7)内环形绝缘层（11)上的缠绕圈数。 钢筋件（1)体积锈蚀率P v与FBG锈胀传感器（5)应变ε的关系为：
FBG锈胀传感器（5)布拉格波长变化量与应变和温度变化量的关系为： Δ λ ^ k ε ε +kT1 Δ T 其中，Λ A1S FBG锈胀传感器（5)中心波长变化量，k ε为应变敏感系数，kT1为温度敏 感系数，ε为FBG锈胀传感器（5)的轴向应变，Λ T是温度变化量； FBG温度传感器（4)只用于测量钢筋件（1)的温度，其布拉格波长变化变化量与温度变 化量的关系为： Δ λ 2 = k Τ2 Δ T 其中，kT2为FBG温度传感器（4)的温度敏感系数； 若FBG锈胀传感器（5)由于温度引起的波长变化量为Λ λ ' i，则
得到温度补偿后的FBG锈胀传感器（5)的波长变化量为：
因此，可以得到钢筋件（1)体积锈蚀率与FBG锈胀传感器（5)波长变化量的关系为：
假设钢筋件（1)锈蚀的体积膨胀系数是β，钢筋件（1)体积锈蚀率是Pv，钢筋件（1) 质量锈蚀率是P m，则有
通过上述推导，得到钢筋仵体枳锈蚀率P v、质量锈蚀率P m、FBG锈胀传感器波长变化 量与缠绕圈数η和m的理论关系式。
【专利摘要】本发明公开了一种FBG金属腐蚀传感器及其制作方法，该传感器包括钢筋件，所述钢筋件的中心位置设置有通孔，在通孔的两侧对称设置有光缆固定孔，所述钢筋件表面设有环形安装槽，槽内一侧设置环形绝缘层，在环形安装槽内缠绕设置FBG锈胀传感器，两端用胶粘剂固定在FBG固定槽上，在通孔内设置用于消除FBG锈胀传感器温度交叉敏感性的FBG温度传感器。本发明提供的一种FBG金属腐蚀传感器，内置用于温度补偿的FBG温度感器；设计的环形安装槽能够有效地防止传感器的损坏；设计的FBG固定槽能够解决FBG锈胀传感器固定点的脱落失效问题；环形安装槽内环形绝缘层的设计能增加传感器的量程，保证传感器在全寿命期的使用寿命。
【IPC分类】G01N17-04
【公开号】CN104880401
【申请号】CN201510277799
【发明人】宋世德, 王晓娜, 黄一
【申请人】宋世德
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年5月22日