一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器的制作方法

本发明涉及一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器，属于结构健康监测技术领域，尤其用于海水环境下钢筋混凝土结构中氯离子浓度的监测。

背景技术：

氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是引发钢筋混凝土结构锈胀开裂的主要原因，会严重危害服役钢筋混凝土结构的安全性能。氯离子不是直接参与锈蚀物的产生，而是起到了催化剂的作用。氯离子侵入混凝土，聚集在钢筋表面，氯离子到达临界浓度后破坏钢筋的钝化膜；钝化膜被破坏裸露出的铁基体作为阳极，大面积钝化区域作为阴极，在小阳极对大阴极的腐蚀电池反应下，钢筋表面快速产生蚀坑；此外氯离子还通过强化离子通路，将阳极产物及时带走等方式加速电化学腐蚀的过程。如果能实时监测钢筋混凝土结构中的氯离子浓度，并及时诊断和修复，能极大提高其安全性，减少经济损失和人员伤亡。因此，实时监测混凝土保护层内的氯离子浓度，能够为钢筋混凝土结构耐久性评估及剩余寿命预测提供数据支持，对保证结构的耐久性和安全性有重大的实际意义。

传统的检测混凝土中氯离子浓度的方法有破坏取粉法、氯离子选择性电极法和无线传感器检测法。破坏取粉法是直接钻取混凝土不同深度的粉末，对提取到的粉末溶解和滴定分析。这种分析对被测材料的破坏性较大，操作非常复杂，往往会耗费很多人力和时间，且无法实现混凝土中氯离子扩展及浓度分布的实时监测。氯离子选择性电极法虽然能在短时间内检测出混凝土中氯离子的浓度，但是目前公开的电极法监测混凝土中氯离子扩散的传感器的长期可靠性不足，监测结果精度较低，体积较大，对混凝土结构具有一定程度的破坏。现有的用于监测混凝土中氯离子浓度的无线传感器普遍存在射频功率和射频利用率低、设备体积大、灵敏度低的问题，此外，这种无线传感器不能实现对混凝土中氯离子沿深度扩散的监测。

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。

技术实现要素：

本发明根据现有监测技术中的问题，提出了一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器。该发明的特点是对法珀腔内的液体折射率非常敏感，通过测量法珀腔中的液体折射率可以间接监测法珀腔内氯离子浓度。这种用于监测钢筋混凝土结构中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器构造简单、制造简单，可以无损、实时监测混凝土保护层各个位置处的氯离子浓度，从而保障钢筋混凝土结构的安全性与耐久性。

本发明的技术方案：

一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器，包括光纤传感单元1、铜支座2和光纤保护套3；其中光纤传感单元1包括带孔铜管4、单模光纤6、过滤棉7和环氧树脂8；其中单模光纤6包括纤芯10、包层11和涂覆层12；其中铜支座2包括带贯通圆孔的铜座13和带阶梯凹槽的铜座14；

所述带孔铜管4上的小孔5位于其上侧端部，带孔铜管4下侧端部用环氧树脂8密封；

所述单模光纤6的端部开有法珀腔9，法珀腔9外部完全被过滤棉7包裹，法珀腔9内无过滤棉7；

所述的带孔铜管4、单模光纤6、过滤棉7和环氧树脂8构成光纤传感单元1，多个光纤传感单元1以一定的间距和不同的高度固定在铜支座2上组装成光纤传感单元阵列。

所述铜支座2由带贯通圆孔的铜座13和带阶梯凹槽的铜座14组合成，带贯通圆孔的铜座13与带阶梯凹槽的铜座14上的上部阶梯相配合，二者间留有长方体通道，用于引出单模光纤6；引出的单模光纤6在外部穿入光纤保护套3。

所述光纤保护套3材质为塑料套管。

所述光纤传感单元阵列中光纤传感单元1的数量根据传感器的精度要求以及待测材料的混凝土保护层厚度进行调整。

所述光纤传感单元阵列中光纤传感单元1的间距根据待测材料尺寸以及传感器尺寸要求进行调整。

所述光纤传感单元阵列中光纤传感单元1的高度根据待测混凝土保护层厚度和传感器灵敏度要求调整。

所述光纤传感单元阵列中各光纤传感单元1顶端面的高度差根据待传感器灵敏度要求以及传感单元的数量进行调整。

所述光纤传感单元阵列中低侧的光纤传感单元1的顶端面位于相邻较高光纤传感单元1中法珀腔9底部之下。

本发明的工作原理：

当海水中氯离子慢慢扩散到混凝土保护层中时，同时氯离子也会扩散到各个传感单元法珀腔内，引起法珀腔内混凝土孔隙溶液的折射率改变，折射率改变的大小和法珀腔内氯离子浓度的变化相关。折射率的改变又会引起干涉光谱中波长的改变。通过推导或者试验拟合出折射率与波长的关系、氯离子浓度与折射率的关系，便可以将氯离子浓度与波长的变化联系起来，从而实现实时监测混凝土保护层中氯离子在不同深度的浓度。

采用双光束干涉方程，干涉信号的强度表示为

式中，i为干涉信号的强度，i1和i2分别表示法珀腔两个面的反射强度，φ0为干涉的初始相位，n为法珀腔内介质的折射率，l为法珀腔的腔长。

根据式1，当余弦函数的相位为π的奇数倍时，干涉信号达到最小值imin,即

i＝imin,当

式中，m为整数，λv为某个干涉波谷的中心波长。

在式(2)的关系中，做折射率n对λv的微分，考虑到折射率的改变较小，相移也很小，微分关系可表示为

由此可以看到，n与λv呈线性关系，因为周期不是光程变化的敏感函数，所以采用相对变化量，折射率变化量与波长变化量之间的关系可以表示为

式中，δλv为某个干涉波谷中心波长的变化量。

更进一步地，式4可以适用于干涉光谱的任意位置的波长，此外，当采用中心点位置计算比采用波峰或波谷有着更高的分辨率，并且干涉条纹曲线拟合也可以提高测量精度，因此我们采用中心点位置的波长，折射率变化量与中心点处波长变化量之间的关系可以表示为

δλc＝λ′c-λc(5)

式中，λc为中心点处波长，λ′c为中心点处改变后的波长，δλc为中心点处波长变化量。

当法珀腔内介质的氯离子浓度改变时，介质的折射率也会发生变化，两者关系可以通过实验拟合如下

δc[cl]＝α(δn)(7)

式中δc[cl]为氯离子浓度变化量，α为函数关系。

将式(6)代入式(7)，可以得到氯离子浓度变化量与中心点处波长变化量之间的关系，表示如下

δc[cl]＝β(δλc)(8)

本发明的有益效果：

(1)本发明将法布里-珀罗干涉仪原理应用到光纤传感监测中，提高了光纤传感器对氯离子浓度的敏感性，提高了监测精度；

(2)本发明可以实现对混凝土保护层中氯离子浓度与扩散情况进行实时、精确、定量监测；

(3)本发明体积小，构造简单合理，将其预埋在混凝土保护层中，可以实现无损监测；

(4)本发明充分考虑了发明本身的使用寿命问题，采用的材质为铜，光纤外部使用光纤保护套，均有效保障了发明的使用寿命。

附图说明：

图1为单个光纤传感单元，(a)为单个光纤传感单元的示意图，(b)为a-a截面图，(c)为b-b截面图；

图2为铜支座，(a)为示意图，(b)为顶视图，(c)为c-c截面图；

图3为本发明一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器示意图；

图4为本发明一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器的工程安装示意图；

图5为本发明一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器的原理图。

图中：1单个光纤传感单元；2铜支座；3光纤保护套；4带孔铜管；5小孔；6单模光纤；7过滤棉；8环氧树脂；9法珀腔；10纤芯；11包层；12涂覆层；13带贯通圆孔的铜座；14带阶梯凹槽的铜座。

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，所述一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器，包括光纤传感单元1、铜支座2和光纤保护套3；其中光纤传感单元1包括带孔铜管4、单模光纤6、过滤棉7和环氧树脂8；其中单模光纤6包括纤芯10、包层11和涂覆层12；其中铜支座2包括带贯通圆孔的铜座13和带阶梯凹槽的铜座14；

所述带孔铜管4中小孔位于上侧端部；

所述单模光纤6在端部开有法珀腔9；

所述法珀腔9外部范围完全被过滤棉7包裹，法珀腔内无过滤棉；

所述带孔铜管4下侧端部用环氧树脂密封；

所述光纤保护套3材质为塑料套管。

所述的带孔铜管4、单模光纤6、过滤棉7和环氧树脂8构成单个光纤传感单元1，多个光纤传感单元以一定的间距和不同的高度固定在铜支座2上组装成光纤传感单元阵列。

带贯通圆孔的铜座13和带阶梯凹槽的铜座14组合成的铜支座2，留有一个长方体通道，用于引出单模光纤；引出的单模光纤在外部穿入光纤保护套3。

进一步地，光纤传感单元的数量根据传感器的精度要求以及待测材料的混凝土保护层厚度进行调整。

进一步地，光纤传感单元的间距根据待测材料尺寸以及传感器尺寸要求进行调整；

进一步地，光纤传感单元的高度根据待测混凝土保护层厚度和传感器灵敏度要求调整；

进一步地，光纤传感单元顶端面的高度差根据待传感器灵敏度要求以及传感单元的数量进行调整；

进一步地，光纤传感单元阵列中较低一侧的光纤传感单元的顶端面位于相邻较高光纤传感单元中法珀腔底部之下；

进一步地，法珀腔的深度为刚超过纤芯，法珀腔长度约60μm。

在本发明实例中，一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器，包括上述任意一项所述的用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器，包含以下步骤：

步骤1：准备材料与器具，制作或定制一端带孔的铜管，孔直径1mm左右；按照事先设计的尺寸制作铜支座的两个组件：带贯通圆孔的铜座和带凹槽的铜座，并焊接在一起成为完整的铜支座；

步骤2：取一根光纤，洗净拭干，用飞秒激光器在单模光纤端部烧蚀出一个长度为60μm，深度刚超过纤芯的法珀腔；

步骤3：将单模光纤中带法珀腔的一端进行超声清洗，清洗溶液采用蒸馏水；

步骤4：用过滤棉缠绕在法珀腔周围的单模光纤上，将其穿入带孔铜管，令法珀腔一端位于铜管的小孔区域；

步骤5：将铜管中的空隙都填上过滤棉，用环氧树脂密封铜管无孔一端；

步骤6：重复以上步骤，将所有的光纤传感单元均制作出来；

步骤7：将光纤传感单元分别插入铜支座的贯通圆孔中，光纤沿铜支座中间的长方体通道中引出，用环氧树脂固定光纤传感单元与铜支座；

步骤8：给引出的单模光纤套上光纤保护套。

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。