专利名称：金属材料腐蚀光纤光栅传感头的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤光栅传感器，特别是一种用于金属结构材料腐蚀监测的 光纤光栅传感头，主要应用于桥梁、船舶、建筑工程等建筑物使用的结构钢， 在海洋、河流和环境大气中发生锈蚀情况的监测。
背景技术：
金属材料的腐蚀，特别是钢结构材料的锈蚀，将造成由金属材料构建的 桥梁、船舶、建筑工程等建筑物的损坏，带来巨大的经济损失和严重的社会 影响。对金属结构材料锈蚀的监控，是目前建筑界和工业界的迫切需要。
船舶、桥梁等长期处于海洋、河流环境中，腐蚀极为严重，而腐蚀速度 与水的流动速度、气泡、温度、冲击性以及水中所含微生物等因素都有着极 为密切的关系。金属材料在水中的腐蚀主要有电化学腐蚀、机械作用腐蚀、 生物腐蚀和化学腐蚀等。单纯用一种电化学或者生物腐蚀检测的方法，难以 得到完整的腐蚀程度和腐蚀速度。
为了解决结构材料的锈蚀老化的问题，人们采取油漆、电镀、电化学等 技术以减轻锈蚀的速度和程度。但是这些措施不可能完全防止锈蚀的发生。 因此人们必须在防锈的同时，随时了解、监测这些材料被腐蚀的情况，以便 及时采取防范措施。在线监测钢材等金属材料的锈蚀状态，掌握腐蚀速度及 其变化规律，对于确保建筑结构的安全运行，具有十分重要的意义和经济价 值。
为了监测金属结构材料的锈蚀状况，人们已经提出了若干技术方案。在
先技术之一Rutherford P, Ikegami R. Shrader J et al.. Novel NDE fiber optic corrosion sensor[C]. SPIE, 1996， 2718:229~237，针对飞机上铝材腐蚀监测的问 题，将铝膜沉积到光纤上形成金属包层，利用不同角度的光入射下探测到的 输出光束的能量曲线的变化来了解铝膜腐蚀的情况。这种技术存在难于定量 监测的缺点，而且制作工艺复杂、成本高。
在先技术之二方祖捷，金属锈蚀监测光纤光栅传感装置，中国专利
200510024173.8 (2005.8.24公开)，和ZL200520039917.9(2006.6.21授权)，利 用光纤光栅感知钢材制作的弹簧被腐蚀后弹性系数的变化，来监测结构钢锈
蚀的情况。文献[阳莎中国激光]报道了采用这一方法的实验测试结果。但是 这一方法对于结构钢材需要采用弹簧的形式，限制了应用的普遍性。而且该 传感器的结构不适合在海洋和河流中使用。
在先技术之三方袓捷，监测金属锈蚀的光纤传感装置，中国专利
200510024176.1 (2005.8.24公开)，和ZL200520039916.4(2006.6.21授权)，利 用光纤环的双折射效应来感知圆柱形钢材被锈蚀的状态。该方法监测的范围 比较小。钢材被腐蚀到一定程度后双折射的变化将会不敏感。
发明内容
本发明为了克服上述在先技术的缺点，更好地满足金属锈蚀状况监测的 实际需求，提出一种金属材料腐蚀光纤光栅传感头，该传感头应具有结构简 单、制作容易、成本低廉和适用范围广等特点。
本发明的基本原理如下
将厚度为A的待测的金属材料薄板固定在一个内径为及的圆筒端面上，构 成一个固支圆板结构，如图1所示。当薄板中部受到顶力F时，圆板形变， 中点的挠度w与薄板材料的力学特性和厚度有关，满足如下的表示式-
W + 0.58《=^ (1) /z2 16D
式中1) = ^1^为板材的抗弯强度，其中五和,为材料的杨氏模量和泊松 12(1-,) p
比。可见圆板的挠度w是圆板厚度的函数，圆板被腐蚀后厚度减小，本发明
的基本原理是利用固支圆板的挠度来表示金属圆板的腐蚀状况，而挠度的变
化用光纤光栅的应变来测量。
根据以上基本原理，本发明的技术解决方案有如下几种
一、 一种金属材料腐蚀光纤光栅传感头，特点是其构成包括一个圆柱形
筒体，通过压圈将待监测腐蚀状况的金属材料的圆板固定在该圆柱形筒体一 端形成一个固支圆板结构，该圆柱形筒体的另一端设有内螺纹，供与之相配 合的具有外螺纹的支撑板嵌设，该支撑板的圆心有一个通孔，在所述的支撑
板的外侧与所述的圆柱形筒体同轴地固定一光纤光栅固定座，在该支撑板和 所述的圆板之间固定一压簧，与该压簧固定连接的项件依靠压簧的推力顶推 所述的圆板的圆心，传感光纤光栅的一端穿过所述的支撑板的通孔和压簧固 定在所述的顶件上，该传感光纤光栅的另一端通过调整螺丝固定在所述的光 纤光栅固定座上并延伸其外，供与光纤光栅反射谱峰值波长的监测仪相连。
二、 一种金属材料腐蚀光纤光栅传感头，特点是其构成包括一个圆柱形 筒体，通过压圈将待监测腐蚀状况的金属材料的圆板固定在该圆柱形筒体一 端形成一固支圆板结构，该圆柱形筒体的另一端设有内螺纹，供与之相配合 的具有外螺纹的支撑板嵌设，该支撑板的圆心有一个通孔，在所述的支撑板 的外侧与所述的圆柱形筒体同轴地固定一光纤光栅固定座，在该支撑板和所 述的圆板之间固定一拉簧，该拉簧通过连接件与所述的圆板的圆心相连，传 感光纤光栅的一端穿过所述的支撑板的通孔和拉簧固定在所述的连接件上， 该传感光纤光栅的另一端通过调整螺丝固定在所述的光纤光栅固定座上并延 伸其外，供与光纤光栅反射谱峰值波长的监测仪相连。
三、 一种金属材料腐蚀光纤光栅传感头，特点是其构成包括一个圆柱形 筒体，通过压圈将待监测腐蚀状况的金属材料的圆板固定在该圆柱形筒体一 端形成一固支圆板结构，该圆柱形筒体的另一端设有内螺纹，供与之相配合 的真有外螺纹的支撑板嵌设，该支撑板的圆心有一个通孔，在所述的支撑板 的外侧与所述的圆柱形筒体同轴地固定一光纤光栅固定座，在该支撑板和所 述的圆板之间固定一压簧，与该压簧固定连接的顶件依靠压簧的推力顶推所 述的圆板的圆心，传感光纤光栅是侧向粘贴在所述的圆板的一个离开圆心一 定距离的圆弧上，该传感光纤光栅的一端通过调整螺丝固定在所述的光纤光 栅固定座上并延伸其外，供与光纤光栅反射谱峰值波长的监测仪相连。
四、 一种金属材料腐蚀光纤光栅传感头，特点是其构成包括一个圆柱形筒体，通过压圈将待监测腐蚀状况的金属材料的圆板固定在该圆柱形筒体一 端形成一个固支圆板结构，该圆柱形筒体的另一端设有内螺纹，供具有与之 相配合的具有外螺纹的支撑板嵌设，该支撑板的圆心有一个通孔，在所述的 支撑板的外侧与所述的圆柱形筒体同轴地固定一光纤光栅固定座，在该支撑 板和所述的圆板之间固定一拉簧，该拉簧通过连接件与所述的圆板的圆心相 连，传感光纤光栅是侧向粘贴在所述的圆板的一个离开圆心一定距离的圆弧 上，该传感光纤光栅的一端通过调整螺丝固定在所述的光纤光栅固定座上并 延伸其外，供与光纤光栅反射谱峰值波长的监测仪相连。 所述的传感光纤光栅被密封，与外界隔绝。
还增设一根参考光纤光栅， 一端固定在所述的光纤光栅固定座上，与传 感光纤光栅平行放置，但另一端悬置。 本发明的特点和优点是
(1) 本发明的传感头结构简单，制作容易，成本低廉。
(2) 本发明适用范围广。 一般结构材料都有板材品种，都可以根据本发明 的结构制作相应的传感头。
(3) 可以根据实际场合需要监测的锈蚀范围，设计选择弹簧的弹性系数、 长度、压縮量(伸长量)和传感光纤光栅的长度等参数，获得高的锈蚀监测 灵敏度，或大的腐蚀监测范围。可以适用于海洋、河流、大气等不同环境下 结构材料锈蚀的监测。
(4) 本发明可以采用若干光纤光路实现多观察点的分布式监控系统。
(5) 本发明光纤光栅传感头具有内在的波长信息，具有记忆功能，外界干 扰的影响和不确定性比较小。
图1本发明金属材料腐蚀光纤光栅传感头的原理图； 图2本发明实施例1的结构示意图； 图3本发明实施例2的结构示意图4本发明实施例3和实施例4的传感光纤光栅粘贴示意图； 图5本发明金属材料腐蚀光纤光栅传感头的使用方案之一；图6本发朋金属材料腐蚀光纤光栅传感头的使用方案之二； 图7本发明金属材料腐蚀光纤光栅传感头的使用方案之三。
具体实施例方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明 的保护范围。
先请参阅图2，图2本发明实施例1的结构示意图，由图可见，本发明金 属材料腐蚀光纤光栅传感头，构成包括一个圆柱形筒体l，通过压圈2将待监 测腐蚀状况的金属材料的圆板1固定在该圆柱形筒体1 一端形成固支圆板结 构，该圆柱形筒体1的另一端设有内螺纹，供与之相配合的具有外螺纹的支 撑板6嵌设，该支撑板6的圆心有一个通孔，在所述的支撑板6的外侧与所 述的圆柱形筒体1同轴地固定光纤光栅固定座8，在该支撑板6和所述的圆板 1之间固定一压簧4，与该压簧4固定连接的顶件5依靠压簧4的推力顶推所 述的圆板1的圆心，传感光纤光栅7的一端穿过所述的支撑板6的通孔和压 簧4固定在所述的顶件5上，该传感光纤光栅7的另一端通过调整螺丝81固 定在所述的光纤光栅固定座8上并延伸其外，供与光纤光栅反射谱峰值波长 的监测仪9相连。
本发明装置的工作过程如下压簧4被支撑板6压縮时，产生弹力F，同 时使圆板l发生形变，产生挠度w。弹簧压縮的反弹力正比于弹簧长度丄的 减小量AL，如下式所示 -
尸二AAL/丄 (2) 式中A为弹簧的弹性系数。根据力的平衡，圆板1中心处的挠度应满足下式
w + 0.58~r =-^~~~ (3)
/z2 楊3丄
当圆板被腐蚀时，其厚度A减小。减小量表示为S/z。由上式可见其挠度将随 之增加。增加量为Sw。在圆板1与压簧4的顶件5保持互相接触的情况下， 挠度的增加同时使压簧4的压縮量减小，满足关系况=-&。根据公式(3)
和这一关系，可以得到挠度W随圆板厚度/2变化的关系式。
对于圆板挠度的这一变化，本发明利用传感光纤光栅来进行探测。众所 周知，传感光纤光栅的峰值波长;i是光纤所受应变s的函数，两者之间有关系
;U人十(l-"s。式中y为有效弹光系数，对于石英光纤有^=0.22。将传感光 纤光栅绷直(或略加张应变)安装在本发明的装置中，如图2所示，记固定传
感光纤光栅两端(图中顶件5和固定座8)之间的光纤长度为/ ,圆板挠度变
化后，光纤的轴向应变的变化量为& = 这样，有光纤光栅反射谱峰
值波长的移动，就可以感知待监测圆板厚度的变化。
参见图3，图3本发明实施例2的结构示意图。由图可见，本实施例金属 材料腐蚀光纤光栅传感头，其构成包括一个圆柱形筒体l，通过压圈2将待监 测腐蚀状况的金属材料的圆板1固定在该圆柱形筒体1一端形成固支圆板结 构，该圆柱形筒体1的另一端设有内螺纹，供与之相配合的具有外螺纹的支 撑板6嵌设，该支撑板6的圆心有一个通孔，在所述的支撑板6的外侧与所 述的圆柱形筒体1同轴地固定光纤光栅固定座8，在该支撑板6和所述的圆板 1之间固定一拉簧41，该拉簧41通过连接件51与所述的圆板1的圆心相连， 传感光纤光栅7的一端穿过所述的支撑板6的通孔和拉簧41固定在所述的连 接件51上，该传感光纤光栅7的另一端通过调整螺丝81固定在所述的光纤 光栅固定座8上并延伸其外，供与光纤光栅反射谱峰值波长的监测仪9相连。
本实施例与实施例1主要差别是，其中施加外力的弹簧，用拉簧41取代 压簧4。拉簧41通过连接件51与圆板1的中点相连接。圆板1在安装之初， 在拉簧41的作用下处于内凹的状态。随着腐蚀程度的增加，圆板厚度减小， 在拉簧的作用下，圆板的凹陷加剧，即挠度增加。当采用光纤光栅监测圆板 挠度变化时，传感光纤光栅在安装之初需要用调整螺丝81调整到处于拉伸预 应变的状态。随着圆板挠度的增加，传感光纤光栅的应变降低，其反射峰波 长也将相应地位移。
图4本发明实施例3和实施例4的传感光纤光栅粘贴示意图，该结构与图 2和图3所示结构的差别在于传感光纤光栅7是侧向粘贴在待测圆板1的一个 离开中心一定距离的圆弧上，而不是从圆板中心部位垂直地安装。图4上部 的插图显示了传感光纤光栅在圆板上粘贴的位置。待监测的圆板用弹簧产生
初始形变，与实施例1和实施例2同样。图4中为了表达清晰，没有将使圆 板发生初始形变的压簧或拉簧机构一一画出。圆板的锈蚀同样地导致其挠度 的变化。根据弹性力学原理，固支圆板发生上突或下凹的形变时，在平行于 平板平面上材料也将发生应变。这一应变量的大小与离开圆板中心的距离有 关。在中心部位和在接近边缘处，这一应变量趋向于零。最大的应变发生在
^ = ^处，该处应变量为^ = ^^。因此，这一应变也是圆板挠度的函数。用 VJ 27 J 2
粘贴在这一部位的传感光纤光栅监测这一应变，同样地可以感知腐蚀引起的
圆板挠度的变化。
由于传感光纤光栅传感信号的解调方法有很多种，所以实施方案可以根 据实际情况调整。
可以采取如下三种方案
使用方案一 .
图5本发明金属材料腐蚀光纤光栅传感头的使用方案之一，101为光源， 可采用1550nm波段的发光二极管LED宽带光源；111为光纤光栅波长信号的 解调装置，可以采用光谱仪或其它的波长信号解调装置；121为耦合器，可采 用1550nm波段的2x2的3dB耦合器；131即为如上所述的金属腐蚀传感头， 金属腐蚀传感头置于实际检测环境中，如在海洋、河流或环境大气中等等。 各个部分之间用普通单模光纤进行连接，当受腐蚀的影响而使得光纤光栅反 射的中心波长发生漂移时，耦合器端口接入的光纤光栅波长解调装置，可解 调出此时光纤光栅反射的中心波长，这样就可以检测出波长的变化，从而分 析出金属腐蚀的程度和速率。
使用方案二
图6本发明金属材料腐蚀光纤光栅传感头的使用方案之二，图中14为 光源，采用1550nm波段的可调谐激光光源；15为近红外光子探测器，如砷 化镓光电池或其它；16为数据采集和处理端，可使用数据采集卡连接到PC 机，同步采集光源14的波长信息和探测器15的光强信号；122为耦合器，可 采用1550nm波段的2x2的3dB耦合器；132即为如上所述的本发明金属材料
腐蚀光纤光栅传感头，置于实际检测环境中，如在海洋、河流或环境大气中 等等。各个部分之间用普通单模光纤进行连接，数据采集和处理端16采集到 波长与功率谱线，谱线中功率最大的地方对应着金属腐蚀传感头132的反射 中心波长。当受腐蚀的影响而使得光纤光栅反射的中心波长发生漂移时，数 据采集和处理端16采集到波长与功率谱线也会发生移动，这时候通过读取谱 线中功率最大的地方，即可得知金属腐蚀传感头受腐蚀影响后的中心波长， 这样就可以检测出波长的变化，从而分析出金属腐蚀的程度和速率。
本发明主要基于光纤光栅的应变调谐特性。由于光纤光栅对于环境温度 的变化和应力变化具有相似的敏感性，所以这两种敏感性必须加以区分。为 此在结构中均采用一个参考光纤光栅感知锈蚀传感头的温度，以便给出修正。
在实施例1的基础上，图2中，增设一根参考光纤光栅形成新的实施例， 一端固定在座子8上，与传感光纤光栅7平行放置，但另一端悬置，不固定 在顶件5上，这样参考光纤光栅不受任何拉伸或压縮的应力。参考光纤光栅 与传感光纤光栅的中心反射波长和带宽基本保持一致。
在实施例2的基础上，图3中，参考光纤光栅的安装处理方法与上述实施 例1 一样安装。
在图4中，参考光纤光栅的尾纤侧向粘贴在待测圆板1的一个离开中心一 定距离的圆弧上，这样参考光纤光栅不受圆板应力形变的影响。
传感器实际使用时，测量参考光纤光栅和传感光纤光栅的峰值波长。传 感光纤光栅的峰值波长反映其所受的应力和所在环境的温度，参考光纤光栅 的峰值波长反映所在环境的温度。当传感光纤光栅在温度和应力的作用下峰 值波长移动了A^，参考光纤光栅在温度的作用下峰值波长移动了A^，就可
知传感光纤光栅在应力作用下峰值波长的移动量为-A々。由此可以获得传
感光纤光栅的峰值波长所反映的应力变化信息。
在实际应用中，还可搭建出分布式金属腐蚀监测系统，使用方案三如图7 所示，102为光源，可采用1550nm波段的发光二极管LED宽带光源；112为 光纤光栅波长信号的解调装置，可以采用光谱仪或其它的波长信号解调装置;
123为耦合器，可采用1550nm波段的2x2的耦合器；17为n路光开光，光开 光路数可达16路甚至32路；131、 132……13n均为如上所述的金属腐蚀传感 头，利用光开光，每次选通一个通道，需要测量哪个传感头的光谱特性，就 将相应的通道接通。根据这个方案，将每路传感头放置在不同的测量区域， 这样可实现分布式传感监测。
权利要求
1、一种金属材料腐蚀光纤光栅传感头，特征在于其构成包括一个圆柱形筒体(1)，通过压圈(2)将待监测腐蚀状况的金属材料的圆板(1)固定在该圆柱形筒体(1)一端形成固支圆板结构，该圆柱形筒体(1)的另一端设有内螺纹，供与之相配合的具有外螺纹的支撑板(6)嵌设，该支撑板(6)的圆心有一个通孔，在所述的支撑板(6)的外侧与所述的圆柱形筒体(1)同轴地固定光纤光栅固定座(8)，在该支撑板(6)和所述的圆板(1)之间固定一压簧(4)，与该压簧(4)固定连接的顶件(5)依靠压簧(4)的推力顶推所述的圆板(1)的圆心，传感光纤光栅(7)的一端穿过所述的支撑板(6)的通孔和压簧(4)固定在所述的顶件(5)上，该传感光纤光栅(7)的另一端通过调整螺丝(81)固定在所述的光纤光栅固定座(8)上并延伸其外，供与光纤光栅反射谱峰值波长的监测仪(9)相连。
2、 一种金属材料腐蚀光纤光栅传感头，特征在于其构成包括一个圆柱形 筒体(1),通过压圈(2)将待监测腐蚀状况的金属材料的圆板(1)固定在 该圆柱形筒体(1) 一端形成固支圆板结构，该圆柱形筒体(1)的另一端设 有内螺纹，供与之相配合的具有外螺纹的支撑板(6)嵌设，该支撑板(6) 的圆心有一个通孔，在所述的支撑板(6)的外侧与所述的圆柱形筒体(1) 同轴地固定光纤光栅固定座(8)，在该支撑板(6)和所述的圆板(1)之间 固定一拉簧(41)，该拉簧(41)通过连接件(51)与所述的圆板(1)的圆 心相连，传感光纤光栅(7)的一端穿过所述的支撑板(6)的通孔和拉簧(41) 固定在所述的连接件(51)上，该传感光纤光栅(7)的另一端通过调整螺丝(Sl)固定在所述的光纤光栅固定座(8)上并延伸其外，供与光纤光栅反射 谱峰值波长的监测仪(9)相连。
3、 一种金属材料腐蚀光纤光栅传感头，特征在于其构成包括一个圆柱形 筒体(1)，通过压圈(2)将待监测腐蚀状况的金属材料的圆板(1)固定在 该圆柱形筒体(1) 一端形成固支圆板结构，该圆柱形筒体(1)是另一端设有内螺纹，供与之相配合的具有外 螺纹的支撑板(6)嵌设，该支撑板(6)的圆心有一个通孔，在所述的支撑板(6)的外侧与所述的圆柱形筒体(1) 同轴地固定光纤光栅固定座(S)，在该支撑板(6)和所述的圆板(1)之间固定一压簧(4)，与该压簧(4)固定连接的顶件(5)依靠压簧(4)的推力 顶推所述的圆板(1)的圆心，传感光纤光栅(7)是侧向粘贴在所述的圆板 (i)的一个离开圆心一定距离的圆弧上，该传感光纤光栅(7)的一端通过 调整螺丝(81)固定在所述的光纤光栅固定座(8)上并延伸其外，供与光纤 光栅反射谱峰值波长的监测仪(9)相连。
4、 一种金属材料腐蚀光纤光栅传感头，特征在于其构成包括一个圆柱形 筒体(1)，通过压圈(2)将待监测腐蚀状况的金属材料的圆板(1)固定在 该圆柱形筒体(1) 一端形成固支圆板结构，该圆柱形筒体(1)的另一端设 有内螺纹，供与之相配合的具有外螺纹的支撑板(6)嵌设，该支撑板(6) 的圆心有一个通孔，在所述的支撑板(6)的外侧与所述的圆柱形筒体(1) 同轴地固定光纤光栅固定座(8)，在该支撑板(6)和所述的圆板(1)之间 固定一拉簧(41)，该拉簧(41)通过连接件(51)与所述的圆板(1)的圆 心相连，传感光纤光栅(7)是侧向粘贴在所述的圆板(1)的一个离开圆心 一定距离的圆弧上，该传感光纤光栅(7)的一端通过调整螺丝(81)固定在 所述的光纤光栅固定座(8)上并延伸其外，供与光纤光栅反射谱峰值波长的 监测仪(9)相连。
5、 根据权利要求1至4任一项所述的金属材料腐蚀光纤光栅传感头，其 特征在于所述的传感光纤光栅(7)被密封，与外界环境隔绝。
6、 根据权利要求1至4任一项所述的金属材料腐蚀光纤光栅传感头，其 特征在于还增设一根参考光纤光栅， 一端固定在所述的光纤光栅固定座(8) 上，与传感光纤光栅(7)平行放置，但另一端悬置。
全文摘要
一种金属材料腐蚀光纤光栅传感头，特点是其构成包括一个圆柱形筒体，通过压圈将待监测腐蚀状况的金属材料的圆板固定在该圆柱形筒体一端形成一个固支圆板结构，该圆柱形筒体的另一端设有内螺纹，供与之相配合的具有外螺纹的支撑板嵌设，该支撑板的圆心有一个通孔，在所述的支撑板的外侧与所述的圆柱形筒体同轴地固定一光纤光栅固定座，在该支撑板和所述的圆板之间固定一压簧，与该压簧固定连接的顶件依靠压簧的推力顶推所述的圆板的圆心，传感光纤光栅的一端穿过所述的支撑板的通孔和压簧固定在所述的顶件上，该传感光纤光栅的另一端通过调整螺丝固定在所述的光纤光栅固定座上并延伸其外，供与光纤光栅反射谱峰值波长的监测仪相连。
文档编号G01N21/88GK101344478SQ20081004175
公开日2009年1月14日 申请日期2008年8月15日 优先权日2008年8月15日
发明者方祖捷, 甘久林, 瞿荣辉, 耿健新, 蔡海文 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所