溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器及其溫度補(bǔ)償方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器及其溫度補(bǔ)償方法，該傳感器包括安裝在外殼中的懸臂梁、光纖光柵和探頭，懸臂梁具有固定端和自由端，固定端與殼體固連，探頭安裝在自由端上，光纖光柵貼設(shè)于懸臂梁上，殼體具有鋼筋接觸部和懸空部，探頭從懸空部穿出。該方法是利用兩根裸光纖光柵同時(shí)感受由于溫度變化和鋼筋銹蝕引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移，根據(jù)漂移量的差異實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕測(cè)量結(jié)果的溫度補(bǔ)償，同時(shí)得到測(cè)點(diǎn)處鋼筋的銹蝕率和溫度變化量，此補(bǔ)償方法可大大減小基于光纖光柵傳感原理的傳感器的體積，提高傳感器的集成度。本發(fā)明專利技術(shù)具有精度高、體積小、耐久性好、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，可為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)測(cè)試提供極大的便。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于土木工程和光纖傳感
，具體涉及一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器及其溫度補(bǔ)償方法。
技術(shù)介紹
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)大量應(yīng)用于跨海大橋、港口和化工廠房等。然而，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在海水、酸性氣體等腐蝕性介質(zhì)的長(zhǎng)期作用下容易出現(xiàn)銹蝕，削弱鋼筋的受力性能，進(jìn)而影響整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力。因此，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕狀況進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)于評(píng)估整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載性能具有重要意義。由于鋼筋銹蝕是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，且鋼筋埋置于混凝土內(nèi)部，如何長(zhǎng)期實(shí)時(shí)的準(zhǔn)確測(cè)量鋼筋銹蝕一直是土木工程領(lǐng)域的難題。常用的方法是測(cè)量鋼筋由于銹蝕而產(chǎn)生的截面積膨脹，通過(guò)截面積膨脹量或者銹脹力來(lái)計(jì)算鋼筋的銹蝕率。光纖光柵利用一段具有周期性折射率的芯內(nèi)體光柵作為傳感元件，通過(guò)中心波長(zhǎng)的漂移來(lái)感知光柵柵距的改變，進(jìn)而得到外界應(yīng)變和溫度的變化。與電類傳感元件相比，光纖光柵具有測(cè)量精度高、耐腐蝕、體積小、重量輕、抗電磁干擾、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸及分布式測(cè)量等優(yōu)勢(shì)，是制作鋼筋銹蝕傳感器的良好傳感元件。已有的光纖光柵銹蝕傳感器大多采用埋置于被測(cè)鋼筋附近的獨(dú)立銹蝕敏感元件來(lái)感知腐蝕介質(zhì)的入侵，通過(guò)測(cè)量銹蝕敏感元件的銹蝕狀況來(lái)間接獲得鋼筋的銹蝕情況。這些光纖光柵銹蝕傳感器難以保證銹蝕敏感元件位置的腐蝕介質(zhì)入侵情況與實(shí)際鋼筋位置的腐蝕介質(zhì)入侵情況相一致，因此，其測(cè)量結(jié)果往往不能反映混凝土中鋼筋的實(shí)際銹蝕情況。也有采用光纖光柵直接測(cè)量鋼筋銹脹的傳感器，但仍存在對(duì)被測(cè)鋼筋腐蝕環(huán)境擾動(dòng)大、測(cè)量精度低、量程小和構(gòu)造復(fù)雜等缺點(diǎn)，難以在實(shí)際工程中應(yīng)用。另外，溫度和應(yīng)變均會(huì)造成光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移，為了得到由于鋼筋銹脹引起的光纖光柵應(yīng)變，需要對(duì)測(cè)量的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量進(jìn)行溫度補(bǔ)償。因此，設(shè)計(jì)一種對(duì)被測(cè)鋼箱腐蝕環(huán)境影響小且能夠?qū)崿F(xiàn)溫度自補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵鋼筋銹蝕傳感器，就成為亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
專利技術(shù)目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本專利技術(shù)提供一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，它能對(duì)溫度變化引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移進(jìn)行準(zhǔn)確補(bǔ)償并對(duì)鋼筋混凝土中鋼筋的銹蝕進(jìn)行實(shí)時(shí)精確測(cè)量；同時(shí)，還能得到測(cè)點(diǎn)處的溫度值。技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本專利技術(shù)提供的一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，包括安裝在外殼中的懸臂梁、光纖光柵和探頭，所述懸臂梁具有固定端和自由端，所述固定端與殼體固連，所述探頭安裝在自由端上，所述光纖光柵貼設(shè)于懸臂梁上，所述殼體具有鋼筋接觸部和懸空部，所述探頭從懸空部穿出。作為優(yōu)選，所述光纖光柵包括第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵，包括相互平行的第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵，所述第一裸光纖光柵與懸臂梁的長(zhǎng)度方向正交。也即第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵均與懸臂梁縱向平行，并通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固定于懸臂梁上表面縱向不同位置。作為優(yōu)選，所述殼體上具有小孔，所述第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵通過(guò)第二尾纖連接；第一裸光纖光柵的第一尾纖通過(guò)小孔穿出。作為優(yōu)選，所述外殼內(nèi)填充有柔性材料，防止水泥砂漿進(jìn)入空腔。作為優(yōu)選，所述懸臂梁的自由端與外殼之間聯(lián)接有彈簧，彈簧的彈力可以保證探頭下端與被測(cè)鋼筋表面緊密接觸，用于感知鋼筋由于銹蝕而引起的截面膨脹。作為優(yōu)選，所述懸臂梁、彈簧、探頭和外殼的材質(zhì)均為不銹鋼材本專利技術(shù)同時(shí)提供上述光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器的溫度補(bǔ)償方法，其技術(shù)原理如下：根據(jù)模耦合理論，光纖光柵中心波長(zhǎng)與光纖光柵纖芯的有效折射率和光纖光柵柵距的關(guān)系為：λ＝2neff·Λ(1)其中，λ是光纖光柵的中心波長(zhǎng)；neff是光纖光柵纖芯的有效折射率；Λ是光纖光柵的柵距。反射光信號(hào)的中心波長(zhǎng)λ跟光纖光柵柵距Λ和纖芯的有效折射率neff有關(guān)，外界溫度變化和應(yīng)變變化都會(huì)導(dǎo)致反射光中心波長(zhǎng)的改變。光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移Δλ與溫度變化ΔT和應(yīng)變變化Δε的關(guān)系為：Δλ＝αTΔT+αεΔε(2)其中，αT為光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)，αε為光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。如圖1所示，設(shè)有兩根光纖光柵布置于光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器懸臂梁的上表面，光纖光柵S1距離探頭中心位置的距離為L(zhǎng)1，光纖光柵S2距離探頭中心位置的距離為L(zhǎng)2，L1和L2均小于懸臂梁的總長(zhǎng)度L，且L1和L2不相等。由于鋼筋銹蝕體積膨脹引起探頭的位移為Δω，則探頭上的等效荷載ΔF為：在等效荷載ΔF作用下，光纖光柵S1和光纖光柵S2位置處懸臂梁表面的應(yīng)變分別為：其中，E為懸臂梁的彈性模量；I為懸臂梁的截面慣性矩；y為懸臂梁厚度的一半。光纖光柵S1和光纖光柵S2為同一批生成，溫度靈敏度系數(shù)和應(yīng)變靈敏度系數(shù)相同。在外界溫度和應(yīng)變的共同影響下，光纖光柵S1和光纖光柵S2的中心波長(zhǎng)變化量分別為：Δλ1＝αTΔT+αεΔε1(6)Δλ2＝αTΔT+αεΔε2(7)將式(4)和式(5)分別代入式(6)和式(7)得：綜合式(8)和式(9)可得測(cè)點(diǎn)處的等效荷載ΔF和溫度變化分別為：將式(10)代入式(3)可得測(cè)點(diǎn)處探頭的位移變化量為：利用試驗(yàn)測(cè)定探頭位移變化量Δω與銹蝕率ρ的相關(guān)系數(shù)為μ，則鋼筋的銹蝕率為：可見(jiàn)，利用兩根粘貼位置不同的光纖光柵，通過(guò)測(cè)量?jī)筛饫w光柵中心波長(zhǎng)的漂移即實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量的溫度補(bǔ)償，進(jìn)而得到測(cè)點(diǎn)處的鋼筋銹蝕率和溫度。在實(shí)際應(yīng)用中，可將光纖光柵S1固定于懸臂梁根部附近，光纖光柵S2距離光纖光柵S1一定距離。有益效果：本專利技術(shù)的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，利用兩根固定于懸臂梁縱向不同位置的裸光纖光柵對(duì)溫度變化引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)還能得到測(cè)點(diǎn)的溫度變化值，可大大減小基于光纖光柵傳感原理的傳感器的體積，提高傳感器的集成度，可為其他光纖光柵類傳感器的設(shè)計(jì)提供參考。本專利技術(shù)的一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器將裸光纖光柵直接粘貼于懸臂梁上，并利用不銹鋼外殼對(duì)裸光纖光柵進(jìn)行保護(hù)，具有測(cè)量精度高、抗施工干擾能力強(qiáng)、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。傳感器長(zhǎng)度可在5厘米以內(nèi)，寬度和厚度均可在1厘米以內(nèi)，傳感器的尺寸微小，埋入后對(duì)原結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)。安裝時(shí)只需將傳感器兩端的外殼緊貼被測(cè)鋼筋，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固定，埋設(shè)簡(jiǎn)單方便，且能保證傳感器外殼不會(huì)因?yàn)殇摻钿P蝕而產(chǎn)生位移，傳感器探頭附近鋼筋仍被混凝土包裹，與未埋設(shè)傳感器處鋼筋的銹蝕情況保持一致，保證測(cè)量的客觀性。可廣泛用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的測(cè)試，應(yīng)用前景廣闊本專利技術(shù)利用兩根固定于懸臂梁縱向不同位置的裸光纖光柵同時(shí)感受由于溫度變化和鋼筋銹蝕引起的光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移，根據(jù)兩根光纖光柵中心波長(zhǎng)漂移量的差異實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋銹蝕測(cè)量結(jié)果的溫度補(bǔ)償，同時(shí)得到測(cè)點(diǎn)處鋼筋的銹蝕率和溫度變化，此補(bǔ)償方法可大大減小基于光纖光柵傳感原理的傳感器的體積，提高傳感器的集成度。光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵均與懸臂梁縱向平行并通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂固定于懸臂梁上表面縱向不同位置構(gòu)成鋼筋銹蝕傳感器的主體。通過(guò)外殼將鋼筋銹蝕傳感器固定于被測(cè)鋼筋表面，安裝方便且能保證鋼筋銹蝕傳感器不會(huì)因?yàn)殇摻钿P蝕而移動(dòng)。鋼筋由于銹蝕而引起的體積膨脹推動(dòng)與懸臂梁相連探頭，使懸臂梁發(fā)生彎曲并在第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵位置產(chǎn)生應(yīng)變。根據(jù)第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵中心波長(zhǎng)的漂移，利用本專利技術(shù)的溫度補(bǔ)償方法即可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)變測(cè)試結(jié)果的補(bǔ)償，得到被測(cè)鋼筋的銹蝕情況和測(cè)點(diǎn)處的溫度變化。該傳感器精本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，其特征在于：包括安裝在外殼中的懸臂梁、光纖光柵和探頭，所述懸臂梁具有固定端和自由端，所述固定端與殼體固連，所述探頭安裝在自由端上，所述光纖光柵貼設(shè)于懸臂梁上，所述殼體具有鋼筋接觸部和懸空部，所述探頭從懸空部穿出。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，其特征在于：包括安裝在外殼中的懸臂梁、光纖光柵和探頭，所述懸臂梁具有固定端和自由端，所述固定端與殼體固連，所述探頭安裝在自由端上，所述光纖光柵貼設(shè)于懸臂梁上，所述殼體具有鋼筋接觸部和懸空部，所述探頭從懸空部穿出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，其特征在于：所述光纖光柵包括相互平行的第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵，所述第一裸光纖光柵與懸臂梁的長(zhǎng)度方向正交。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，其特征在于：所述殼體上具有小孔，所述第一裸光纖光柵和第二裸光纖光柵通過(guò)第二尾纖連接；第一裸光纖光柵的第一尾纖通過(guò)小孔穿出。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，其特征在于：所述第一裸光纖光柵靠近懸臂梁的固定端，所述第二裸光纖光柵與第一裸光纖光柵之間沿懸臂梁縱向有一定的間距。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，其特征在于：所述外殼內(nèi)填充有柔性材料。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，其特征在于：所述懸臂梁的自由端與外殼之間聯(lián)接有彈簧。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器，其特征在于：所述懸臂梁、彈簧、探頭和外殼的材質(zhì)均為不銹鋼。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的溫度自補(bǔ)償光纖光柵鋼筋銹蝕傳感器的溫度補(bǔ)償方法，其特征在于：根據(jù)模耦合理論，光纖光柵中心波長(zhǎng)與光纖光柵纖芯的有效折射率和光纖光柵柵距的關(guān)系為：λ＝2neff·Λ(1)其中，λ是光纖光柵的中心波長(zhǎng)；neff是光纖光柵纖芯的有效折射率；Λ是光纖光柵的柵距；光纖光柵的中心波長(zhǎng)漂移Δλ與溫度變化ΔT和應(yīng)變變化Δε的關(guān)系為：Δλ＝αTΔT+αεΔε(2)其中，αT為光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)，αε為光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)；設(shè)有兩根光纖光柵布置于懸臂梁的上表面，光纖光柵S1距離探頭中心位置的距離為L(zhǎng)1，光纖光柵S2距離探頭中心位置的距離為L(zhǎng)2，L1和L2均小于懸臂梁的總長(zhǎng)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：周廣東，朱太勇，謝美希，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：河海大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：江蘇;32