温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器及其温度补偿方法与流程

本发明属于土木工程和光纤传感技术领域，具体涉及一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器及其温度补偿方法。

背景技术：

钢筋混凝土结构大量应用于跨海大桥、港口和化工厂房等。然而，钢筋混凝土结构中的钢筋在海水、酸性气体等腐蚀性介质的长期作用下容易出现锈蚀，削弱钢筋的受力性能，进而影响整个钢筋混凝土结构的承载能力。因此，对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀状况进行准确测量对于评估整个钢筋混凝土结构的承载性能具有重要意义。由于钢筋锈蚀是一个漫长的过程，且钢筋埋置于混凝土内部，如何长期实时的准确测量钢筋锈蚀一直是土木工程领域的难题。常用的方法是测量钢筋由于锈蚀而产生的截面积膨胀，通过截面积膨胀量或者锈胀力来计算钢筋的锈蚀率。

光纤光栅利用一段具有周期性折射率的芯内体光栅作为传感元件，通过中心波长的漂移来感知光栅栅距的改变，进而得到外界应变和温度的变化。与电类传感元件相比，光纤光栅具有测量精度高、耐腐蚀、体积小、重量轻、抗电磁干扰、可实现远距离传输及分布式测量等优势，是制作钢筋锈蚀传感器的良好传感元件。已有的光纤光栅锈蚀传感器大多采用埋置于被测钢筋附近的独立锈蚀敏感元件来感知腐蚀介质的入侵，通过测量锈蚀敏感元件的锈蚀状况来间接获得钢筋的锈蚀情况。这些光纤光栅锈蚀传感器难以保证锈蚀敏感元件位置的腐蚀介质入侵情况与实际钢筋位置的腐蚀介质入侵情况相一致，因此，其测量结果往往不能反映混凝土中钢筋的实际锈蚀情况。也有采用光纤光栅直接测量钢筋锈胀的传感器，但仍存在对被测钢筋腐蚀环境扰动大、测量精度低、量程小和构造复杂等缺点，难以在实际工程中应用。另外，温度和应变均会造成光纤光栅中心波长的漂移，为了得到由于钢筋锈胀引起的光纤光栅应变，需要对测量的光纤光栅中心波长漂移量进行温度补偿。因此，设计一种对被测钢箱腐蚀环境影响小且能够实现温度自补偿的光纤光栅钢筋锈蚀传感器，就成为亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，它能对温度变化引起的光纤光栅中心波长漂移进行准确补偿并对钢筋混凝土中钢筋的锈蚀进行实时精确测量；同时，还能得到测点处的温度值。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，包括安装在外壳中的悬臂梁、光纤光栅和探头，所述悬臂梁具有固定端和自由端，所述固定端与壳体固连，所述探头安装在自由端上，所述光纤光栅贴设于悬臂梁上，所述壳体具有钢筋接触部和悬空部，所述探头从悬空部穿出。

作为优选，所述光纤光栅包括第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅，包括相互平行的第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅，所述第一裸光纤光栅与悬臂梁的长度方向正交。也即第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅均与悬臂梁纵向平行，并通过环氧树脂固定于悬臂梁上表面纵向不同位置。

作为优选，所述壳体上具有小孔，所述第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅通过第二尾纤连接；第一裸光纤光栅的第一尾纤通过小孔穿出。

作为优选，所述外壳内填充有柔性材料，防止水泥砂浆进入空腔。

作为优选，所述悬臂梁的自由端与外壳之间联接有弹簧，弹簧的弹力可以保证探头下端与被测钢筋表面紧密接触，用于感知钢筋由于锈蚀而引起的截面膨胀。

作为优选，所述悬臂梁、弹簧、探头和外壳的材质均为不锈钢材

本发明同时提供上述光纤光栅钢筋锈蚀传感器的温度补偿方法，其技术原理如下：

根据模耦合理论，光纤光栅中心波长与光纤光栅纤芯的有效折射率和光纤光栅栅距的关系为：

λ＝2n_eff·Λ (1)

其中，λ是光纤光栅的中心波长；n_eff是光纤光栅纤芯的有效折射率；Λ是光纤光栅的栅距。反射光信号的中心波长λ跟光纤光栅栅距Λ和纤芯的有效折射率n_eff有关，外界温度变化和应变变化都会导致反射光中心波长的改变。光纤光栅的中心波长漂移Δλ与温度变化ΔT和应变变化Δε的关系为：

Δλ＝α_TΔT+α_εΔε (2)

其中，α_T为光纤光栅的温度灵敏度系数，α_ε为光纤光栅的应变灵敏度系数。

如图1所示，设有两根光纤光栅布置于光纤光栅钢筋锈蚀传感器悬臂梁的上表面，光纤光栅S₁距离探头中心位置的距离为L₁，光纤光栅S₂距离探头中心位置的距离为L₂，L₁和L₂均小于悬臂梁的总长度L，且L₁和L₂不相等。

由于钢筋锈蚀体积膨胀引起探头的位移为Δω，则探头上的等效荷载ΔF为：

在等效荷载ΔF作用下，光纤光栅S₁和光纤光栅S₂位置处悬臂梁表面的应变分别为：

其中，E为悬臂梁的弹性模量；I为悬臂梁的截面惯性矩；y为悬臂梁厚度的一半。

光纤光栅S₁和光纤光栅S₂为同一批生成，温度灵敏度系数和应变灵敏度系数相同。在外界温度和应变的共同影响下，光纤光栅S₁和光纤光栅S₂的中心波长变化量分别为：

Δλ₁＝α_TΔT+α_εΔε₁ (6)

Δλ₂＝α_TΔT+α_εΔε₂ (7)

将式(4)和式(5)分别代入式(6)和式(7)得：

综合式(8)和式(9)可得测点处的等效荷载ΔF和温度变化分别为：

将式(10)代入式(3)可得测点处探头的位移变化量为：

利用试验测定探头位移变化量Δω与锈蚀率ρ的相关系数为μ，则钢筋的锈蚀率为：

可见，利用两根粘贴位置不同的光纤光栅，通过测量两根光纤光栅中心波长的漂移即实现对光纤光栅中心波长漂移量的温度补偿，进而得到测点处的钢筋锈蚀率和温度。在实际应用中，可将光纤光栅S₁固定于悬臂梁根部附近，光纤光栅S₂距离光纤光栅S₁一定距离。

有益效果：本发明的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器，利用两根固定于悬臂梁纵向不同位置的裸光纤光栅对温度变化引起的光纤光栅中心波长漂移进行补偿，同时还能得到测点的温度变化值，可大大减小基于光纤光栅传感原理的传感器的体积，提高传感器的集成度，可为其他光纤光栅类传感器的设计提供参考。本发明的一种温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器将裸光纤光栅直接粘贴于悬臂梁上，并利用不锈钢外壳对裸光纤光栅进行保护，具有测量精度高、抗施工干扰能力强、长期稳定性好等优点。传感器长度可在5厘米以内，宽度和厚度均可在1厘米以内，传感器的尺寸微小，埋入后对原结构的影响可忽略不计。安装时只需将传感器两端的外壳紧贴被测钢筋，通过环氧树脂固定，埋设简单方便，且能保证传感器外壳不会因为钢筋锈蚀而产生位移，传感器探头附近钢筋仍被混凝土包裹，与未埋设传感器处钢筋的锈蚀情况保持一致，保证测量的客观性。可广泛用于钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的测试，应用前景广阔

本发明利用两根固定于悬臂梁纵向不同位置的裸光纤光栅同时感受由于温度变化和钢筋锈蚀引起的光纤光栅中心波长漂移，根据两根光纤光栅中心波长漂移量的差异实现对钢筋锈蚀测量结果的温度补偿，同时得到测点处钢筋的锈蚀率和温度变化，此补偿方法可大大减小基于光纤光栅传感原理的传感器的体积，提高传感器的集成度。光纤光栅钢筋锈蚀传感器，第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅均与悬臂梁纵向平行并通过环氧树脂固定于悬臂梁上表面纵向不同位置构成钢筋锈蚀传感器的主体。通过外壳将钢筋锈蚀传感器固定于被测钢筋表面，安装方便且能保证钢筋锈蚀传感器不会因为钢筋锈蚀而移动。钢筋由于锈蚀而引起的体积膨胀推动与悬臂梁相连探头，使悬臂梁发生弯曲并在第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅位置产生应变。根据第一裸光纤光栅和第二裸光纤光栅中心波长的漂移，利用本发明的温度补偿方法即可实现对应变测试结果的补偿，得到被测钢筋的锈蚀情况和测点处的温度变化。该传感器精度高、体积小、耐久性好、抗电磁干扰，可为钢筋混凝土结构测试提供极大的便利。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器及其温度补偿方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明的光纤光栅温度补偿几何关系图；

图2是本发明的光纤光栅钢筋锈蚀传感器内部构造示意图；

图3是本发明的A-A剖视图；

图4是本发明的B-B剖视图；

图5是本发明的C-C剖视图；

图6是本发明的D-D剖视图；

图7是本发明的E-E剖视图；

图中：第一裸光纤光栅1；第二裸光纤光栅2；第一尾纤3；第二尾纤4；小孔5；悬臂梁6；弹簧7；探头8；外壳9；被测钢筋10；柔性材料11。

具体实施方式

实施例：

本实施例的温度自补偿光纤光栅钢筋锈蚀传感器包括光纤光栅温度补偿方法和光纤光栅钢筋锈蚀传感器；

其中，光纤光栅温度补偿方法，利用两根光纤光栅布置于光纤光栅钢筋锈蚀传感器悬臂梁的上表面，如图1所示。光纤光栅S₁距离探头中心位置的距离为L₁，光纤光栅S₂距离探头中心位置的距离为L₂，L₁和L₂均小于悬臂梁的总长度L，且L₁和L₂不相等。

根据模耦合理论，光纤光栅中心波长与光纤光栅纤芯的有效折射率和光纤光栅栅距的关系为：

λ＝2n_eff·Λ (1)

其中，λ是光纤光栅的中心波长；n_eff是光纤光栅纤芯的有效折射率；Λ是光纤光栅的栅距。反射光信号的中心波长λ跟光纤光栅栅距Λ和纤芯的有效折射率n_eff有关，外界温度变化和应变变化都会导致反射光中心波长的改变。光纤光栅的中心波长漂移Δλ与温度变化ΔT和应变变化Δε的关系为：

Δλ＝α_TΔT+α_εΔε (2)

其中，α_T为光纤光栅的温度灵敏度系数，α_ε为光纤光栅的应变灵敏度系数。

由于钢筋锈蚀体积膨胀引起探头的位移为Δω，则探头上的等效荷载ΔF为：

在等效荷载ΔF作用下，光纤光栅S₁和光纤光栅S₂位置处悬臂梁表面的应变分别为：

其中，E为悬臂梁的弹性模量；/为悬臂梁的截面惯性矩；y为悬臂梁厚度的一半。

光纤光栅S₁和光纤光栅S₂为同一批生成，温度灵敏度系数和应变灵敏度系数相同。在外界温度和应变的共同影响下，光纤光栅S₁和光纤光栅S₂的中心波长变化量分别为：

Δλ₁＝α_TΔT+α_εΔε₁ (6)

Δλ₂＝α_TΔT+α_εΔε₂ (7)

将式(4)和式(5)分别代入式(6)和式(7)得：

综合式(8)和式(9)可得测点处的等效荷载ΔF和温度变化分别为：

将式(10)代入式(3)可得测点处探头的位移变化量为：

利用试验测定探头位移变化量Δω与锈蚀率ρ的相关系数为μ，则钢筋的锈蚀率为：

可见，利用两根粘贴位置不同的光纤光栅，通过测量两根光纤光栅中心波长的漂移即实现对光纤光栅中心波长漂移量的温度补偿，进而得到测点处钢筋的锈蚀率和温度。在实际应用中，可将光纤光栅S₁固定于悬臂梁根部附近，光纤光栅S₂距离光纤光栅S₁一定距离。

如图2-图7所示，光纤光栅钢筋锈蚀传感器，包括第一裸光纤光栅1；第二裸光纤光栅2；第一尾纤3；第二尾纤4；小孔5；悬臂梁6；弹簧7；探头8；外壳9；柔性材料10；被测钢筋11；其中外壳9左端设小孔5；第一裸光纤光栅1和第二裸光纤光栅2均与悬臂梁6纵向平行并通过环氧树脂固定于悬臂梁6上表面纵向不同位置；第一裸光纤光栅1和第二裸光纤光栅2通过第二尾纤4连接；第一裸光纤光栅1的第一尾纤3通过小孔5穿出；悬臂梁6左端固定于外壳9左端内侧表面；探头8上端固定于悬臂梁6右端下表面，下端与被测钢筋11表面紧密接触，用于感知钢筋由于锈蚀而引起的截面膨胀；弹簧7上端固定于外壳9上端内侧表面，下端固定于悬臂梁6右端上表面；光纤光栅钢筋锈蚀传感器空腔内填充柔性材料10，防止水泥砂浆进入空腔。

在测量时，将光纤光栅钢筋锈蚀传感器两端外壳紧贴被测钢筋，通过环氧树脂固定，可保证光纤光栅钢筋锈蚀传感器不会因为钢筋锈蚀体积膨胀而产生位移。光纤光栅钢筋锈蚀传感器中部探头附近，传感器外壳与被测钢筋之间存在缝隙，水泥砂浆可顺利渗入缝隙将被测钢筋包裹，从而保证探头处钢筋的腐蚀环境与其余未安装传感器位置处钢筋的腐蚀环境一致，确保测量结果的准确性。在探头四周表面涂抹脱模剂，防止混凝土与探头粘连，保证探头能够顺利移动。在测量过程中，被测钢筋由于锈蚀而产生体积膨胀，推动探头向内移动，使得悬臂梁在第一裸光纤光栅1和第二裸光纤光栅2处产生应变。第一裸光纤光栅1和第二裸光纤光栅2在外界温度以及应变的作用下发生中心波长漂移，利用公式(10)和(11)即可对应变测试结果进行温度补偿并得到测点处的温度变化，利用式(13)可以得到被测钢筋的锈蚀率。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。