1 光纤腐蚀传感器

 光纤传感器

    光纤腐蚀传感器是在光纤传感器的基础上改进后,用于采集和传送腐蚀信息的腐蚀检测装置,主要用于检测与腐蚀相关的材料结构位移、振动、应力、温度、裂缝、湿度、疲劳和化学态等参量的改变,从而,反映或预测腐蚀的发生及腐蚀程度.相比较于大多数普通腐蚀传感器而言,光纤腐蚀传感器具有以下优点:轻便简洁,易于集成处理,可进行内部结构的多点监控;抗电磁干扰,对环境的使用要求低;特别适合于隐蔽部位以及人无法看到和接触到的危险区域的腐蚀监测.

    2 光纤腐蚀传感器的检测方法

    为了反映腐蚀所造成的影响,常以光纤为传输元件,将腐蚀过程中,材料的体积、颜色、折射率等诸多特性的改变量,转化为光纤中传输的光信息的变化,通过测量传输光的反射、透射、偏振态等诸多特性的变化来实现对腐蚀的检测.

2.1 颜色检测

    在钢筋混凝土结构中,钢筋腐蚀会生成铁锈,因此其表面一般呈现红棕色,可以通过检测铁锈颜色的变化推断腐蚀情况.文献[12]中构建双光纤光谱传感器,采用石英卤素灯作为宽带光源,通过入射光纤照射钢筋,经钢筋表面反射后输出光通过反射光纤输出到光谱分析仪.当腐蚀进行时,钢筋表面颜色发生变化,反射光信号也随之改变,通过反射光谱峰值的移动确定钢筋腐蚀的发生.这种方法操作简单方便,但是由于光谱分析仪受温度等因素的影响,使得该传感器信噪比(SNR)小于3,因此用于混凝土钢筋内部腐蚀监测仍需较大改进.

    2.2 应力检测

    钢筋腐蚀产物的致密性差,导致钢筋体积变化.通过光纤缠绕钢筋的方法,将体积变化转化为光纤承受的应力变化,光纤受到应力的变化会引起所传输光信号光学特性的改变,因此通过测量相应光纤光谱可以检测钢筋腐蚀情况.

    2.3 折射率检测

    金属腐蚀产物的使得材料折射率在腐蚀前后发生变化,可以采用在光纤上镀Fe-C合金膜、铝膜等同质膜取代原有石英包层的方法来检测材料腐蚀[18].根据光波导理论,光波在光纤中传输时,由于全反射沿着光纤全长传导.当光纤某段包层的折射率发生改变时,光束不再满足全反射条件,就会发生部分光泄漏或双折射,因此可以通过对输出光能量或偏振态的测量检测腐蚀情况.

    镀膜光纤腐蚀传感器的关键是腐蚀敏感膜的质量[19].在光纤纤芯上制备Fe-C合金膜层的步骤: 先使得纤芯表面金属化,形成一层很薄的中间导电膜,然后再通过电镀法在中间膜上沉积上一定厚度的Fe-C合金膜[20].纤芯表面金属化的方法很多,常见的方法有:一是通过化学法使纤芯表面金属化,如镀Ag[21]、镀Cu[22]等;二是通过物理气相沉积法(PVD)沉积导电层,如溅射镀Ni[23]、蒸发镀Fe-C合金膜等.

    针对钢筋混凝土结构,黎学明[24]等人提出如图3所示的基于镀腐蚀敏感膜的光纤腐蚀传感器以及评价其传感性能的装置图,通过测量腐蚀过程中的图3 基于腐蚀敏感膜的光纤腐蚀传感器基本结构光功率获取腐蚀信息.根据实验分析,发现随着化学腐蚀过程的进行,输出光功率先略有下降然后迅速增加,并且随着稀硝酸溶液浓度的增加,腐蚀速度加快,可见腐蚀过程中的光功率变化是能够获取可靠的腐蚀信息[25].考虑所镀腐蚀敏感膜有限,在膜层完全腐蚀后,无法继续监测,因此传感器测只能监测早期腐蚀,不能监测整个腐蚀过程.

    2.4 pH值检测

    在金属腐蚀过程中,腐蚀环境的pH 值不断变化,可以利用光纤pH 传感器检测腐蚀环境中pH值变化情况,得到金属腐蚀情况.最早,Edger AMendoza等[26]针对飞机构件的腐蚀采用光纤倏逝波检测法,检测环境pH 值变化量,实现对铝合金材料腐蚀的检测.光在光纤传输时,在纤芯与包层的界面上会发生全反射.在纤芯包层界面附近存在呈指数衰减的表面波,即倏逝波.在去包层的光纤纤芯表面涂覆pH 指示剂,当光通过该区域时,纤芯外表面处的反射减少,使得一部分能量在包层中被pH 指示剂消耗,pH 指示剂对光的吸收能力受到pH 值大小的影响,因此腐蚀引起的pH 值变化会引起损耗峰的改变,可通过对输出光谱分析检测腐蚀情况.该传感器的pH 检测范围为5到11,且灵敏度好,能够对铝合金腐蚀精确检测[27].

    Hien Nguyen等人[28]设计了基于荧光效应的光纤pH 传感器,荧光物质为香豆素咪唑染料的荧光聚合物,腐蚀引起的pH 值变化对荧光光谱和荧光强度有很大影响,在LED光源的激发下,荧光聚合物会发出一定波长的荧光,通过测量荧光强度能够得到腐蚀的pH 值变化情况,从而检测腐蚀.该传感器pH 值测量范围为10~13.2,恰适用于混凝土钢筋腐蚀中的pH 值检测,且价格低廉.

    2.5 离子浓度检测

    管道腐蚀伴随着氯离子浓度的变化,海水介质对铜材料的腐蚀也影响着环境中铜离子的浓度[29],因此可通过检测特定离子浓度检测溅射腐蚀.

    氯离子浓度检测的光纤传感器已经被应用到监测管道的实际腐蚀过程中.Peter L.Fuhr等人[30]  设计了一种可以检测氯离子浓度的光纤腐蚀传感器,该传感头由光纤、含二氯荧光黄的过量AgNO3溶液盒(呈现粉红色)和能渗透氯离子多孔膜的圆筒形多孔管组成,如图4所示.腐蚀引起的氯离子扩散到达传感区域附近,透过多孔膜与AgNO3溶液反应,生成AgCl沉淀.随着更多的氯离子透过多孔膜,多孔管内部产生过量负电荷,与荧光黄阴离子相斥,溶液颜色发生变化,呈现乳白色.利用黄色滤光片将此色度变化转化为光强度变化,并通过光纤反射光谱测量得到光强度变化情况,获得腐蚀信息.

    此外钢筋腐蚀过程中,氯离子浓度不断增加,引起了环境折射率增加[31],监测环境折射率的变化可以获得钢筋锈蚀过程中氯离子的含量变化.刘宏月等人[32]提出基于长周期光纤光栅折射率敏感特性的混凝土结构钢筋锈蚀检测法.随着钢筋腐蚀的不断进行,当环境折射率小于包层有效折射率时,谐振峰波长随着环境折射率的增加而减小;接近包层有效折射率时,偏移量明显变大;当环境折射率高于包层有效折射率时,谐振峰值大小大于初始值,且随着折射率的增加,谐振峰位置基本不变.

    参考文献

   [12]FUHR P L,et al.Fiber optic corrosion sensing for bridges and roadway surfaces[J].Proc SPIE,1995,7:2446-2448
    [18]RUTHERFORD P.et al.Aluminum alloy clad fiber optic corrosionsensor[J].SPIE,1997,3042:248-259.
    [19]徐艳平,等.长周期光纤光栅薄膜传感器研究[J].上海理工大学学报,2005,27(3),215-218.
    [20]闫磊朋,等.Fe-C合金膜光纤腐蚀传感器的制作及性能研究[J].激光技术,2009(6),33(3):252-255.
    [21]LI X M,et al.A new type of fiber optic corrosion sensor[J].Chinese Journal of Sensors and Actuators,1999,12(3):176-180.
    [22]BENOUNIS M,et al.Elaboration and standardization of anoptical fiber corrosion sensor based on an electroless deposit ofcopper[J].Sensors and Actuators,2003,B90(1/3):90-97.
    [23]DONG S Y,et al.Study on different preparing methods of themetallized fiber core for optical corrosion sensor[J].SPIE,2005,5634:627-633.
    [24]黎学明,等.钢筋腐蚀监测的光纤传感技术[J].腐蚀科学与防护技术,1999,11(3):169-173.
    [25]LI Xueming,et al.Fiber optic corrosion sensor fabricated byelectrochemical method[J].SPIE,1998,3330:126-133.

    [26]MENDOZA E A,et al,Embeddable distributed moisture andpH sensors for nondestructive inspection of aircraft lap joints[J].SPIE,1995,2455:102-112.
    [27]MENDOZA E A,et al,Demonstration of self-referenced fiberoptic moisture and pH sensors using optical time domain reflectometry(OTDR312 診')[J].SPIE,1998,2836:242-249.

    [28]NGUYEN Hien,et al.Fluorescence based fibre optic pH sensorfor the pH 10-13range suitable for corrosion monitoring inconcrete structures[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2014,191:498-5-7.

    [29]刘云峰,等.长周期光纤光栅对铜离子的检测研究[J].分析科学学报,2006,22(3):258-261.

    [30]FUHR P L,et al.Embedded choride detectors for roadwaysand bridges[J].Pros SPIE,1996,2719:229-237.
    [31]王彦,等.混凝土中基于预埋式LPFG波长解调的耐久性健康监测[J].光电子.激光,2012,23(8):1539-1544.
    [32]刘宏月,等.基于长周期光纤光栅折射率敏感特性的混凝土结构钢筋锈蚀监测[J].光学学报,2011,31(8):1-5.

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