一种钢筋锈蚀光纤传感监测装置的制作方法

本实用新型属于监测设备技术领域，具体涉及一种钢筋锈蚀光纤传感监测装置，依据对光栅和温度补偿光栅的波长在挤压应力作用下产生漂移量的实时监测和分析来评定混凝土结构中钢筋的锈蚀状况。

背景技术：
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在钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀是影响建筑工程结构的安全性和耐久性的重要因素之一；钢筋锈蚀时，体积发生膨胀，钢筋与混凝土之间的粘结力下降，混凝土保护层剥落，进而导致建筑结构强度降低，钢筋锈蚀发生在建筑结构的内部，肉眼很难察觉，对于钢筋锈蚀引发的轻度损坏的建筑物，对其进行修补时，存在工作量大、造价高和效益差的问题，当建筑物的破坏较严重时，将对人们的生命和财产安全带来不可估量的损失；所以，监测混凝土内钢筋的锈蚀状态并掌握建筑物结构的内部情况十分有必要，以便在建筑物发生损坏之前进行预警，将损失降到最低。中国专利2051204720.5公开的钢筋混凝土构件中钢筋腐蚀的光纤光栅检测装置包括若干个与工程所用钢筋材质相同的钢筋棒、与钢筋棒数量相同的光纤光栅、基座、温度传感器、终端测试盒和检测仪，光纤光栅固定在钢筋棒上，钢筋棒固定在基座上，光纤光栅通过电缆与终端测试盒连接，终端测试盒与检测仪连接，温度传感器固定在基座上，其没有设置温度补偿光栅，没有考虑温度对波长漂移的影响，且光纤光栅粘贴在与混凝土直接接触的弧形钢筋上，应变片的使用寿命大大缩短；中国专利2062069624.0公开的一种混凝土结构中钢筋锈蚀监测装置包括光纤光栅应变传感器、信号处理单元、不锈钢斜面支架、至少三只光纤光栅应变传感器及导线，光纤光栅应变传感器依次布设在斜面支架的斜面上，各光纤光栅应变传感器采集所得信号经由导线传送至信号处理单元，光纤光栅应变传感器测定混凝土保护层中由于钢筋锈蚀产物产生的锈胀力引起的拉应变，依据混凝土不同保护层厚度处钢筋锈蚀速率及钢筋锈蚀初始腐蚀时间来推算钢筋混凝土结构内部钢筋锈蚀的时间及锈蚀状况，其在浇筑混凝土过程中易受损坏，所监测构内部钢筋锈蚀的时间实际是一种预测，与实际相比存在误差；中国专利2042061146.1公开的一种对钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀情况进行监测的嵌入式钢筋腐蚀监测系统包括由单阳极、单阴极和PVC管组成的传感器，支架以及导线，单阳极和单阴极交替连接，PVC管设置在单阳极和单阴极之间，单阳极和单阴极均与导线相连，支架与传感器和导线相连一种基于半电池电位原理的装置，其分四层，每一层含有4个阴极和4个阳极，总共需要引出32根导线，结构复杂、引线过多、需测数据较多。因此，研发设计一种结构简单和监测方便的钢筋锈蚀光纤传感监测装置，能够实时精确监测和评定混凝土结构中钢筋锈蚀状况的光纤传感监测装置，很有社会和经济效益，应用前景广阔。

技术实现要素：
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本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺陷，研发设计一种钢筋锈蚀光纤传感监测装置，具有结构简单、便于制作、抗干扰能力强、技术原理科学可靠等优势，用于实时监测和评定混凝土结构中钢筋锈蚀状况。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的钢筋锈蚀光纤传感监测装置，其特征在于主体结构包括连接件、连接孔、U形槽、电缆管、连接台、螺栓孔、阶段元、固定棒和螺栓；矩形结构的连接件的内侧面等间距开设5个连接孔，连接件的外侧面开设U形槽，连接件的一端设置有电缆管，连接孔和电缆管分别与U形槽连通，连接件的另一端设置有连接台，连接台开设有贯穿连接台的螺栓孔，5根圆柱形结构的阶段元的两端分别插入2根连接件的连接孔中，连接孔的直径比阶段元的外壁直径大1mm，以使阶段元与连接件紧密接触并固定连接，阶段元伸入连接孔的水平距离为3-5mm，5根阶段元与2根连接件构成梯子形状的框架，独立设置的管状结构的固定棒上开设2个圆形结构的螺栓孔，螺栓通过螺栓孔将连接件与固定棒连接。

本实用新型涉及的阶段元的结构包括筒底、外圆周、内圆台、筒底孔、圆周孔、大钢管、小钢管、应变测量光栅、温度补偿光栅、传输电缆和保护层；圆台形结构的筒底的外围设置有圆形结构的外圆周，筒底的中心处设置有内圆台，外圆周的高度大于内圆台的高度，外圆周的厚度小于内圆台的厚度，筒底开设有贯穿筒底的圆形结构的筒底孔，外圆周开设有贯穿外圆周的圆形结构的圆周孔，筒底孔与圆周孔之间的水平夹角为180°，筒底孔的直径与圆周孔的直径相同；内空式结构的大钢管和小钢管，大钢管的外壁上粘贴应变测量光栅，在小钢管的外壁上粘贴温度补偿光栅，应变测量光栅和温度补偿光栅分别与传输电缆连接；大钢管嵌套在2个外圆周之间，小钢管套设在2个内圆台之间，应变测量光栅的传输电缆穿过并伸出圆周孔，温度补偿光栅的传输电缆穿过并伸出筒底孔，2个筒底孔和2个圆周孔用环氧树脂胶密封，外圆周和大钢管的外侧包覆有保护层；大钢管的外壁直径比外圆周的内壁直径小1mm，小钢管的内壁直径比内圆台的外壁直径大1mm，外圆周的内壁和内圆台的外壁均涂覆有胶水，以使大钢管的外壁紧贴外圆周的内壁，小钢管的内壁紧贴内圆台的外壁，达到固定和密封的效果。

本实用新型与现有技术相比，采用应变测量光栅和温度补偿光栅布设在同一阶梯元的内部，补偿了环境温度变化引发的波长漂移，将光纤传感监测装置与被测钢筋同时浇筑在混凝土结构中，避免了外界干扰和损坏，提高了监测结果的准确性，延长了使用寿命，阶梯式的光纤传感监测装置能够监测混凝土结构中不同深度的钢筋锈蚀情况，通过分析不同深度的钢筋锈蚀时间和锈蚀程度，掌握钢筋混凝土结构中待测钢筋的锈蚀时间和锈蚀程度，通过选取不同长度的螺栓组件控制光纤传感监测装置的倾斜度，使其在不同保护层厚度的混凝土结构中实现钢筋锈蚀的实时和长期在线监测，增加了适用范围；其结构简单，耐腐蚀性、耐久性、可靠性和整体性好，刚度大，易绑扎，稳定性高。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型涉及的阶段元的主体结构原理示意图。

图3为本实用新型涉及的阶段元的剖面结构原理示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例：

本实施例涉及的钢筋锈蚀光纤传感监测装置的主体结构包括连接件1、连接孔2、U形槽3、电缆管4、连接台5、螺栓组件孔6、阶段元7、固定棒8和螺栓组件9；矩形结构的连接件1的内侧面等间距开设5个连接孔2，连接件1的外侧面开设U形槽3，连接件1的一端设置有电缆管4，连接孔2和电缆管4分别与U形槽3连通，连接件1的另一端设置有连接台5，连接台5开设有贯穿连接台5的螺栓组件孔6，5根圆柱形结构的阶段元7的两端分别插入2根连接件1的连接孔2中，连接孔2的直径比阶段元7的外壁直径大1mm，以使阶段元7与连接件1紧密接触并固定连接，阶段元7伸入连接孔2的水平距离为3-5mm，5根阶段元7与2根连接件1构成梯子形状的框架，独立设置的管状结构的固定棒8上开设2个圆形结构的螺栓组件孔6，螺栓组件9通过螺栓组件孔6将连接件1与固定棒8连接。

本实施例涉及的阶段元7的结构包括筒底10、外圆周11、内圆台12、筒底孔13、圆周孔14、大钢管15、小钢管16、应变测量光栅17、温度补偿光栅18、传输电缆19和保护层20；圆台形结构的筒底10的外围设置有圆形结构的外圆周11，筒底10的中心处设置有内圆台12，外圆周11的高度大于内圆台12的高度，外圆周11的厚度小于内圆台12的厚度，筒底10开设有贯穿筒底10的圆形结构的筒底孔13，外圆周11开设有贯穿外圆周11的圆形结构的圆周孔14，筒底孔13与圆周孔14之间的水平夹角为180°，筒底孔13的直径与圆周孔14的直径相同；内空式结构的大钢管15和小钢管16，大钢管15的外壁上粘贴应变测量光栅17，在小钢管16的外壁上粘贴温度补偿光栅18，应变测量光栅17和温度补偿光栅18分别与传输电缆19连接；大钢管15嵌套在2个外圆周11之间，小钢管16套设在2个内圆台12之间，应变测量光栅17的传输电缆19穿过并伸出圆周孔14，温度补偿光栅18的传输电缆19穿过并伸出筒底孔13，2个筒底孔13和2个圆周孔14用环氧树脂胶密封，外圆周11和大钢管15的外侧包覆有保护层20；大钢管15的外壁直径比外圆周11的内壁直径小1mm，小钢管16的内壁直径比内圆台12的外壁直径大1mm，外圆周11的内壁和内圆台12的外壁均涂覆有胶水，以使大钢管15的外壁紧贴外圆周11的内壁，小钢管16的内壁紧贴内圆台12的外壁，达到固定和密封的效果。

本实施例涉及的连接件1和固定棒8的材质均为AISI(美国钢铁学会标准)316型不锈钢；套筒10的材质为塑料；大钢管15和小钢管16的长度相同，均为100-200mm，大钢管15的直径大于小钢管16的直径，大钢管15和小钢管16的外壁经过打磨没有任何锈蚀确保钢筋锈蚀监测的准确性，大钢管15和小钢管16的外壁打磨处经过脱脂棉球蘸无水酒精擦洗干净,防止打磨的碎屑污染大钢管15和小钢管16的外壁而影响监测结果，大钢管15和小钢管16均为薄壁钢管，薄壁钢管厚度较薄，对锈蚀敏感，在混凝土结构中发生锈蚀时,薄壁钢管体积膨胀，薄壁钢管与其接触的应变测量光栅17或温度补偿光栅18之间产生挤压应力,应变测量光栅17或温度补偿光栅18的波长在挤压应力的作用下产生漂移，传感器通过传输电缆19将波长的漂移量传输至外部信号解调单元，外部信号解调单元根据波长的漂移量判断锈蚀界面与被测钢筋的距离和锈蚀情况，工作人员据此作出对应的补救措施；应变测量光栅17用于测量由于应力变化和环境温度变化引起的应变，温度补偿光栅18用于测量由于环境温度引起的应变，应变测量光栅17的波长漂移量减去温度补偿光栅18的波长漂移量就是待测钢筋由于应力变化引发的波长漂移量，根据待测钢筋的波长漂移量能够分析和判断待测钢筋的锈蚀状况；应变测量光栅17的波长λ_B与应变测量光栅17的有效折射率n_eff和光纤周期Λ正相关：λ_B＝2n_eff×Λ；温度补偿光栅18的波长Δλ_B与应变灵敏度系数a_ε、应变ε、温度灵敏度系数a_T和温度变化量ΔT正相关：Δλ_B＝a_ε×ε+a_T×ΔT；U形槽3封闭后能够防止其中的传输电缆19在浇筑混凝土时受到损坏。

本实施例制作的钢筋锈蚀光纤传感监测装置使用时，首先将传输电缆19集合在U形槽3中穿过并伸出电缆管4，传输电缆19与外部信号解调单元连接，用环氧树脂胶密封U形槽3，U形槽3封闭后能够防止其中的传输电缆19在浇筑混凝土时受到损坏，然后将固定棒8与待测钢筋捆绑连接，最后浇筑混凝土；根据混凝土结构的厚度选取连接件1与阶段元7构成的框架的倾斜度，其倾斜度能够通过螺栓组件9深入固定棒8的长度调节。