一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器的制作方法

本发明涉及一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，属于结构健康监测技术领域。

背景技术：

钢材因其塑性韧性好、强度高、抗震性能好、制作方便等优点而在土木工程领域中得到广泛应用，是当今世界应用最多的土木工程材料之一。钢结构的防腐和防火处理是钢结构设计和施工工作中的关键环节，钢结构涂层是延长钢结构使用寿命的有效方法。因此，有必要对钢结构涂层老化脱落进行监测，掌握钢结构涂层状态，为钢结构腐蚀程度评估、耐久性评定、剩余寿命预测提供重要依据。

目前，涂层脱落监测有目视法、叉指电极法、电阻探针法、电化学阻抗谱法等。然而上述监测方法或多或少存在一些问题：目视法耗费人力且不能实时监测；叉指电极传感器主要用作金属涂层状态监测，对有机涂层监测有所不足；电阻传感器不能监测涂层降解早期阶段且受温度波动影响；电化学阻抗谱法主要限于实验室使用。

近年来，由于光纤小巧轻便、抗电磁干扰、可以进行网络化等优点，一些基于光纤传感技术的传感器也应用于腐蚀监测领域。与普通光纤传感技术相比，侧面抛光光纤传感器对外界环境折射率具有高度敏感性，更好地适用于钢结构涂层脱落监测，且对金属涂层和有机涂层均适用。

因此，针对刚结构涂层脱落状况的监测，基于侧面抛光光纤对外界环境折射率的高度敏感性，提供一种对涂层脱落状态高度灵敏、准确可靠的侧面抛光光纤传感器是十分有必要的，从而为评估钢结构涂层的性能提供重要依据。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于钢结构涂层老化脱落的光纤传感器，其目的是实现对钢结构涂层老化脱落状态的无损、在线实时、定量监测，准确地提示修复涂层的时间，从而降低钢结构涂层老化脱落导致钢结构腐蚀情况的发生，保障重大重要工程结构的安全。

本发明采用如下技术方案：

一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，包括柔性薄片1、单模光纤2和铁薄膜3；其中单模光纤2包括纤芯4、包层5和涂覆层6；

柔性薄片1中间部位沿宽度方向被打磨出一个长方体的凹槽；

单模光纤2被在柔性薄片1的长度范围内被其完全包裹；

单模光纤2在柔性薄片1的凹槽位置处的一侧被打磨掉部分包层5，该区域为抛光区域，抛光区域被铁薄膜3覆盖，非抛光区域被柔性薄片1包裹。

所述柔性薄片1的尺寸根据被监测对象和使用寿命的要求进行调整；

所述单模光纤2的长度根据被监测对象和传感器敏感度的要求进行调整；

所述单模光纤2的打磨程度根据被监测对象和传感器灵敏度的要求进行调整；

所述单模光纤2的抛光区域的铁薄膜.3厚度根据传感器敏感度要求进行调整。

本发明工作原理：

侧面抛光光纤传感器原理如图5。在常规单模光纤中，倏逝波的振幅以指数衰减，相互作用的光场和声场几乎完全限制在纤维材料内，因此布里渊频移(bfs)不受环境折射率的影响。然而，在去除包层之后，倏逝波增大，光场能够通过其倏逝场与外部介质相互作用。在这种情况下，外部介质的折射率会影响有效折射率neff，从而通过式(1)影响布里渊频移。

式中bfs为布里渊频移，neff单为有效折射率，va为玻璃中的声速，λ为波长。

因为钢的主要成分是铁，侧面抛光光纤的抛光区域镀铁薄膜。当铁薄膜表面的涂层老化脱落时，铁薄膜接触空气发生锈蚀，侧面抛光光纤周围介质的折射率发生改变，光纤的有效折射率neff因此发生改变，从而引起布里渊频移由bfs变为bfs′，布里渊频移的改变量为δbfs，即

δbfs＝bfs-bfs'(2)

涂层老化脱落引起的涂层质量损失百分比η与布里渊频移改变量δbfs的关系可用下式表示：

δbfs＝β(η)(3)

式中，β为涂层质量损失百分比η与布里渊频移改变量δbfs的函数关系，由实验拟合确定。

因此，将钢结构涂层老化脱落监测传感器布置在钢结构表面，通过测量布里渊频移的改变量δbfs，再依据式(3)得出涂层质量损失百分比，即可实现涂层老化脱落状态的定量监测。又因为铁薄膜和钢结构的性质相似，涂层和钢结构的粘结性能与铁薄膜和涂层的粘结性能相似，测量出铁薄膜上涂层的质量损失率，所以被测钢结构涂层老化脱落状态定量监测也由此实现。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过监测侧面抛光光纤布里渊频移的改变量，实现对涂层脱落状态的定量监测；

(2)本发明灵敏度高，采用侧面抛光光纤，使布里渊频移对周围介质的折射率敏感度增强；

(3)本发明布设方便，可实现对涂层老化脱落状态的在线实时监测；

(4)本发明可实现非破坏性监测，能够无损地监测钢结构涂层老化脱落状态，及时修复涂层，从而避免钢结构因涂层脱落导致腐蚀破坏；

(5)本发明环境适应性好，使用寿命长；

(6)本发明适用性强，对金属涂层和有机涂层均适用。

(7)本发明可监测参数多，当通过试验拟合出布里渊频移改变量与铁薄膜因腐蚀引起的质量损失百分比的关系后，便可在监测钢结构涂层老化脱落状态的同时监测钢结构的腐蚀状态。

附图说明

图1为本发明用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器的结构示意图；

图2为本发明用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器的俯视图；

图3为本发明用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器的a-a截面剖视图；

图4为本发明用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器的侧面抛光光纤横断面图；

图5为本发明用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器传感的原理图；(a)为涂层脱落前，(b)涂层脱落后；

图6为本发明用于钢结构涂层老化脱落光纤传感器的布置示意图；

图中：1柔性薄片；2单模光纤；3铁薄膜；4纤芯；5包层；6涂覆层。

具体实施方式

为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的直观易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清晰、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1～4所示，本发明提供的一种用于钢结构涂层老化脱落监测传感器的一个实例，包括环氧树脂柔性薄片1、单模光纤2、铁薄膜3、纤芯4、包层5、涂覆层6。

柔性薄片1中间部位沿宽度方向被打磨出一个长方体的凹槽；

单模光纤2被在柔性薄片1的长度范围内被其完全包裹；

单模光纤2在柔性薄片1的凹槽位置处的一侧被打磨掉部分包层6，该区域为抛光区域，抛光区域被铁薄膜3覆盖，非抛光区域被柔性薄片1包裹。

进一步的，所述柔性薄片1的材料选取为环氧树脂；

进一步的，所述柔性薄片1的尺寸为10cm×8cm×1cm；

进一步的，所述单模光纤2折射率为1.468；

进一步的，所述抛光区域的长度为3cm；

进一步的，所述纤芯4的直径为9μm，包层5的直径为125μm，涂覆层6的直径为255μm；

进一步的，所述铁薄膜3厚度为0.3μm，面积覆盖整个凹槽表面。

当进行监测时，首先将本传感器通过环氧树脂胶或者胶水等方式粘结到钢结构表面，然后对钢结构和本传感器整体涂加涂层。

当实际工程中的钢结构已有涂层时，首先在本传感器的铁薄膜3上涂加与钢结构相同的涂层，然后将本传感器双面胶、胶水等方式粘结到钢结构表面。

在本发明实施例中，一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器的制备方法，包括上述任意一项所述的用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，包含以下步骤：

步骤s1：进行模具清洗、烘干、涂脱模剂等准备工作；

步骤s2：将单模光纤平整放入模具中，用夹具固定、拉直；

步骤s3：将环氧树脂与固化剂混合，浇注到模具中，待其固化；

步骤s4：用磨抛机在环氧树脂薄片中心沿着宽度方向打磨出尺寸合适的凹槽；

步骤s5：清洁凹槽表面，使用超声波清洗器用蒸馏水清洗3分钟，在70℃的烘箱中干燥5分钟；

步骤s6：使用射频磁控溅射系统(dentonvacuumdiscovery-18)，用纯度为99.99％、直径为76.2mm、厚度为6.35mm的fe靶(kurtj.lesker公司生产)对清洁后的凹槽进行溅射沉积镀膜，镀膜时将非凹槽部分的表面均覆盖塑料薄膜；

进一步的，在打开铁靶和待镀膜件之间的快门之前，对铁靶进行30分钟的预处理；铁薄膜沉积是在100w的功率下完成的，系统溅射前的沉积室的基本压力约为10^-4pa，而溅射时沉积室充满40立方厘米的流动高纯度氩气，工作压力约为1pa。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。