1 光纖腐蝕傳感器

 光纖傳感器

    光纖腐蝕傳感器是在光纖傳感器的基礎上改進后,用于采集和傳送腐蝕信息的腐蝕檢測裝置,主要用于檢測與腐蝕相關的材料結構位移、振動、應力、溫度、裂縫、濕度、疲勞和化學態等參量的改變,從而,反映或預測腐蝕的發生及腐蝕程度.相比較于大多數普通腐蝕傳感器而言,光纖腐蝕傳感器具有以下優點:輕便簡潔,易于集成處理,可進行內部結構的多點監控;抗電磁干擾,對環境的使用要求低;特別適合于隱蔽部位以及人無法看到和接觸到的危險區域的腐蝕監測.

    2 光纖腐蝕傳感器的檢測方法

    為了反映腐蝕所造成的影響,常以光纖為傳輸元件,將腐蝕過程中,材料的體積、顏色、折射率等諸多特性的改變量,轉化為光纖中傳輸的光信息的變化,通過測量傳輸光的反射、透射、偏振態等諸多特性的變化來實現對腐蝕的檢測.

2.1 顏色檢測

    在鋼筋混凝土結構中,鋼筋腐蝕會生成鐵銹,因此其表面一般呈現紅棕色,可以通過檢測鐵銹顏色的變化推斷腐蝕情況.文獻[12]中構建雙光纖光譜傳感器,采用石英鹵素燈作為寬帶光源,通過入射光纖照射鋼筋,經鋼筋表面反射后輸出光通過反射光纖輸出到光譜分析儀.當腐蝕進行時,鋼筋表面顏色發生變化,反射光信號也隨之改變,通過反射光譜峰值的移動確定鋼筋腐蝕的發生.這種方法操作簡單方便,但是由于光譜分析儀受溫度等因素的影響,使得該傳感器信噪比(SNR)小于3,因此用于混凝土鋼筋內部腐蝕監測仍需較大改進.

    2.2 應力檢測

    鋼筋腐蝕產物的致密性差,導致鋼筋體積變化.通過光纖纏繞鋼筋的方法,將體積變化轉化為光纖承受的應力變化,光纖受到應力的變化會引起所傳輸光信號光學特性的改變,因此通過測量相應光纖光譜可以檢測鋼筋腐蝕情況.

    2.3 折射率檢測

    金屬腐蝕產物的使得材料折射率在腐蝕前后發生變化,可以采用在光纖上鍍Fe-C合金膜、鋁膜等同質膜取代原有石英包層的方法來檢測材料腐蝕[18].根據光波導理論,光波在光纖中傳輸時,由于全反射沿著光纖全長傳導.當光纖某段包層的折射率發生改變時,光束不再滿足全反射條件,就會發生部分光泄漏或雙折射,因此可以通過對輸出光能量或偏振態的測量檢測腐蝕情況.

    鍍膜光纖腐蝕傳感器的關鍵是腐蝕敏感膜的質量[19].在光纖纖芯上制備Fe-C合金膜層的步驟: 先使得纖芯表面金屬化,形成一層很薄的中間導電膜,然后再通過電鍍法在中間膜上沉積上一定厚度的Fe-C合金膜[20].纖芯表面金屬化的方法很多,常見的方法有:一是通過化學法使纖芯表面金屬化,如鍍Ag[21]、鍍Cu[22]等;二是通過物理氣相沉積法(PVD)沉積導電層,如濺射鍍Ni[23]、蒸發鍍Fe-C合金膜等.

    針對鋼筋混凝土結構,黎學明[24]等人提出如圖3所示的基于鍍腐蝕敏感膜的光纖腐蝕傳感器以及評價其傳感性能的裝置圖,通過測量腐蝕過程中的圖3 基于腐蝕敏感膜的光纖腐蝕傳感器基本結構光功率獲取腐蝕信息.根據實驗分析,發現隨著化學腐蝕過程的進行,輸出光功率先略有下降然后迅速增加,并且隨著稀硝酸溶液濃度的增加,腐蝕速度加快,可見腐蝕過程中的光功率變化是能夠獲取可靠的腐蝕信息[25].考慮所鍍腐蝕敏感膜有限,在膜層完全腐蝕后,無法繼續監測,因此傳感器測只能監測早期腐蝕,不能監測整個腐蝕過程.

    2.4 pH值檢測

    在金屬腐蝕過程中,腐蝕環境的pH 值不斷變化,可以利用光纖pH 傳感器檢測腐蝕環境中pH值變化情況,得到金屬腐蝕情況.最早,Edger AMendoza等[26]針對飛機構件的腐蝕采用光纖倏逝波檢測法,檢測環境pH 值變化量,實現對鋁合金材料腐蝕的檢測.光在光纖傳輸時,在纖芯與包層的界面上會發生全反射.在纖芯包層界面附近存在呈指數衰減的表面波,即倏逝波.在去包層的光纖纖芯表面涂覆pH 指示劑,當光通過該區域時,纖芯外表面處的反射減少,使得一部分能量在包層中被pH 指示劑消耗,pH 指示劑對光的吸收能力受到pH 值大小的影響,因此腐蝕引起的pH 值變化會引起損耗峰的改變,可通過對輸出光譜分析檢測腐蝕情況.該傳感器的pH 檢測范圍為5到11,且靈敏度好,能夠對鋁合金腐蝕精確檢測[27].

    Hien Nguyen等人[28]設計了基于熒光效應的光纖pH 傳感器,熒光物質為香豆素咪唑染料的熒光聚合物,腐蝕引起的pH 值變化對熒光光譜和熒光強度有很大影響,在LED光源的激發下,熒光聚合物會發出一定波長的熒光,通過測量熒光強度能夠得到腐蝕的pH 值變化情況,從而檢測腐蝕.該傳感器pH 值測量范圍為10~13.2,恰適用于混凝土鋼筋腐蝕中的pH 值檢測,且價格低廉.

    2.5 離子濃度檢測

    管道腐蝕伴隨著氯離子濃度的變化,海水介質對銅材料的腐蝕也影響著環境中銅離子的濃度[29],因此可通過檢測特定離子濃度檢測濺射腐蝕.

    氯離子濃度檢測的光纖傳感器已經被應用到監測管道的實際腐蝕過程中.Peter L.Fuhr等人[30]  設計了一種可以檢測氯離子濃度的光纖腐蝕傳感器,該傳感頭由光纖、含二氯熒光黃的過量AgNO3溶液盒(呈現粉紅色)和能滲透氯離子多孔膜的圓筒形多孔管組成,如圖4所示.腐蝕引起的氯離子擴散到達傳感區域附近,透過多孔膜與AgNO3溶液反應,生成AgCl沉淀.隨著更多的氯離子透過多孔膜,多孔管內部產生過量負電荷,與熒光黃陰離子相斥,溶液顏色發生變化,呈現乳白色.利用黃色濾光片將此色度變化轉化為光強度變化,并通過光纖反射光譜測量得到光強度變化情況,獲得腐蝕信息.

    此外鋼筋腐蝕過程中,氯離子濃度不斷增加,引起了環境折射率增加[31],監測環境折射率的變化可以獲得鋼筋銹蝕過程中氯離子的含量變化.劉宏月等人[32]提出基于長周期光纖光柵折射率敏感特性的混凝土結構鋼筋銹蝕檢測法.隨著鋼筋腐蝕的不斷進行,當環境折射率小于包層有效折射率時,諧振峰波長隨著環境折射率的增加而減小;接近包層有效折射率時,偏移量明顯變大;當環境折射率高于包層有效折射率時,諧振峰值大小大于初始值,且隨著折射率的增加,諧振峰位置基本不變.

    參考文獻

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    [32]劉宏月,等.基于長周期光纖光柵折射率敏感特性的混凝土結構鋼筋銹蝕監測[J].光學學報,2011,31(8):1-5.

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