一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微结构光纤传感器领域，尤其涉及一种用于检测混凝土内氯离子浓度 的荧光型光纤传感器。
【背景技术】
[0002] 混凝土耐久性问题是当今世界各国土木工程领域所面临的最严峻问题之一，在环 境介质的长期作用下，混凝土的外观完整性和使用性能逐渐降低，产生巨大的安全隐患。其 中，氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀在混凝土破坏中处于首要位置，而处于严酷环境(高盐、高 温差、低湿度、浪溅冲刷）下的混凝土更是承受着高浓度的氯离子侵蚀。氯离子侵蚀会导致 混凝土中钢筋表面产生点蚀，在高氯离子浓度和足够的氧气条件下会使得多点蚀坑扩大与 合并，形成大面积的钢筋锈蚀。将会使构件承载能力下降，同时钢筋腐蚀后体积膨胀(最大 可为腐蚀前体积的6~7倍），会使钢筋周围的混凝土产生拉应力，降低结构的刚度，变形增 加，影响结构的正常使用降低结构的耐久性。如果能在早期发现混凝土中氯离子浓度，诊断 及时修补，将会大大增强结构的安全性，并且减少经济损失。传统的并且广泛使用的检测混 凝土中氯离子浓度的方法有:蒸馏分离一一汞盐滴定法、电位滴定法、硫氰酸铵容量法、比 浊法等，这些检测方法或多或少都有耗时较长，操作繁琐等缺点。而且，上述方法均需要取 样进行有损检测，无法实现实时、多点监测混凝土中的氯离子浓度。因此，开发一种可以实 时监测混凝土中氯离子浓度的无损监测方法，对严酷环境中混凝土耐久性的研究具有重要 意义。
[0003] 光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信和光电子技术的发展而迅速发展起 来的，以光波为传输媒质，通过光纤感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。与传统传 感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、质量轻、体积小、可进行远 距离实时分析等诸多优点。因此，采用光纤传感器技术对混凝土中氯离子浓度监测具有显 著优势。在国内相关的研究鲜有报道，在国外相关的研究主要是采用在光纤表面或者端面 固定氯离子荧光指示剂进行监测，这样会存在光纤探头长时间使用后，特别是在诸如混凝 土内部这类条件复杂的环境中，荧光指示剂易脱落或溶出的问题。随着光纤传输理论和制 备工艺的发展，微结构光纤成为光纤传感领域的研究热点。相比传统的光纤传感器，基于简 化微结构光纤的传感器具有极其突出的优点：（1)显著提高灵敏度。简化微结构光纤具有相 当大的内比表面积可用于敏感材料的负载，并且敏感材料与待测物具有足够大的接触面 积，可以有效提高光纤传感探头的灵敏度；（2)显著提高稳定性。在微结构光纤传感探头的 微孔道内进行待测物的检测，可大大减小样品的采集量，避免了传统光纤传感探头敏感层 裸露在外易损伤、易泄漏等问题；（3)灵活设计微结构光纤的结构来优化传感性能。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术中的问题，提供一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型 光纤传感器，实现灵敏、实时监测混凝土中氯离子的浓度。
[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种用于检测混凝土内氯离子浓度 的荧光型光纤传感器，包括光源、测量光纤探头、平衡光纤探头、滤光片、信号接收与数据处 理单元，测量光纤探头置于待测混凝土中，测量光纤探头的结构为Η型微结构光纤，Η型微结 构光纤的凹槽表面镀有氯离子敏感膜或光泽精膜，平衡光纤探头的结构与测量光纤探头的 结构相同；光源的出射光被分为等强度的两束，分别进入测量光纤探头和平衡光纤探头，分 别照射在Η型微结构光纤表面的氯离子敏感膜或光泽精膜上，激发出荧光，其中待测混凝土 中的氯离子与测量光纤探头中的氯离子敏感膜或光泽精膜接触发生荧光猝灭反应，测量光 纤探头和平衡光纤探头中激发出的荧光经过反射后，经过滤光片，进入信号接收与数据处 理单元，信号接收与数据处理单元用于采集反射光谱数据并计算待测混凝土中的氯离子浓 度。
[0006] 按上述技术方案，Η型微结构光纤的结构为，在传统光纤预制棒的两侧打磨出两个 对称的U型槽，再经拉制形成的光纤。
[0007] 按上述技术方案，氯离子敏感膜具体采用TE0S溶胶-凝胶体系，取TE0S(正硅酸乙 酯）：无水乙醇:〇.〇1Μ盐酸=5:8:1.6(￥八），光泽精浓度为2~6\10-%，加入14~18%体积 浓度的甲酰胺。
[0008] 按上述技术方案，平衡光纤探头与测量光纤探头的Η型微结构光纤均使用聚四氟 乙烯套进行封装，其中测量光纤探头的聚四氟乙烯套上均匀开孔，孔的直径为：1.8~ 2.2mm〇
[0009] 按上述技术方案，采用提拉法或物理吸附法在Η型微结构光纤的凹槽表面镀氯离 子敏感膜。
[0010] 本发明用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器的工作原理是:利用氯 离子影响特定荧光物质的荧光特性这一特点，基于荧光猝灭原理，通过测量荧光指示剂荧 光峰值强度来监测混凝土中的氯离子浓度。同时，采用平衡光纤探头与测量光纤探头结合 的荧光比率法，解决因光源强度波动或者荧光材料光漂白而导致的氯离子浓度测量不准确 的问题。
[0011] 本发明产生的有益效果是：本发明荧光型光纤传感器具有测量精度和灵敏度较 高、稳定性高以及方便监测等特点，可以用于在线评估钢筋混凝土中氯离子的浓度。
【附图说明】
[0012] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0013] 图1是本发明实施例用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器的结构示 意图；
[0014] 图2是本发明实施例中测量光纤探头的剖面图；
[0015] 图3是本发明实施例中测量光纤探头的俯视图；
[0016] 图4是本发明实施例中测量光纤探头的左视图；
[0017] 图5是本发明实施例中Η型微结构光纤的横截面示意图；
[0018] 图6是荧光光谱测试图。
【具体实施方式】
[0019] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不 用于限定本发明。
[0020] 本发明实施例中，提供一种用于检测混凝土内氯离子浓度的荧光型光纤传感器， 包括光源、测量光纤探头、平衡光纤探头、滤光片、信号接收与数据处理单元，测量光纤探头 置于待测混凝土中，测量光纤探头的结构为Η型微结构光纤，Η型微结构光纤的凹槽表面镀 有氯离子敏感膜或光泽精膜，平衡光纤探头的结构与测量光纤探头的结构相同；光源的出 射光被分为等强度的两束，分别进入测量光纤探头和平衡光纤探头，分别照射在Η型微结构 光纤表面的氯离子敏感膜或光泽精膜上，激发出荧光，其中待测混凝土中的氯离子与测量 光纤探头中的氯离子敏感膜或光泽精膜接触发生荧光猝灭反应，测量光纤探头和平衡光纤 探头中激发出的荧光经过反射后，经过滤光片，进入信号接收与数据处理单元，信号接收与 数据处理单元用于采集反射光谱数据并计算待测混凝土中的氯离子浓度。通过在待测混凝 土中多处布置测量光纤探头及平衡光纤探头，可以实现灵敏、实时、多点监测混凝土中氯离 子的浓度。采用荧光比率探头，将同一光源而来的激发光分为两个光强相等的部分并让测 量光纤探头、平衡光纤探头分别接受，其中测量光纤探头与测试环境接触起到测量氯离子 浓度的作用，平衡光纤探头与环境隔离起到抵消误差的作用。最后氯离子浓度的大小由信 号接收与数据处理单元接收的两个荧光强度之比来表征。
[0021 ]进一步地，Η型微结构光纤的结构为，在传统光纤预制棒的两侧打磨出两个对称的 U型槽，再经拉制形成的光纤。
[0022] Η型微结构光纤的制备过程为:将传统光纤预制棒(组成为掺锗二氧化硅）的两侧 打磨出两个对称的U型槽，为确保拉制的光纤尽量保持住预制棒原有结构形状，在光纤拉制 过程中，炉温较常规拉制工艺低100-200°C。拉制时，光纤内涂层采用了低折射率涂层(折射 率为1.367)，确保光纤涂层未除掉时，光能量传输可以完全束缚在纤芯中。拉制出的Η型微 结构光纤直径为125μηι。
[0023]本发明实施例中，进一步地，氯离子敏感膜具体采用TE0S溶胶-凝胶体系，取TE0S (正硅酸乙酯）：无水乙醇:0.01Μ盐酸=5:8:1.6 (V/V)，光泽精浓度为2~6 X 10-4Μ，加入14~ 18 %体积浓度的甲酰胺。
[0024]进一步地，平衡光纤探头与测量光纤探头的Η型微结构光纤均使用聚四氟乙烯套 进行封装，其中测量光纤探头的聚四氟乙烯套14上均匀开孔15,孔的直径为：1.8~2.2