光纖傳感器讓腐蝕無所遁形

    腐蝕無時無刻不在發生,它是自然界中普遍存在的難以避免的物質材質變壞的過程.然而腐蝕檢測技術往往難以在無聲無息的瞬間捕捉到腐蝕的信息,而光纖腐蝕傳感器的不斷突波和創新代表著先進腐蝕檢測技術的發展方向.

    金屬材料腐蝕監測能夠對腐蝕過程有全面、詳細的認識.通過光纖腐蝕傳感器對腐蝕過程的測量,可以在材料受到嚴重腐蝕破壞前,對材料進行防腐處理.性質優異的光纖腐蝕傳感器對腐蝕預警、預腐、防腐更有指導意義.目前,國內外對光纖腐蝕傳感器的研究得到了飛速發展,并在土木工程、輸送管道和航空領域進行了大量的研究工作.

    光纖腐蝕傳感新技術

光纖傳感

    光纖腐蝕傳感器是利用腐蝕檢測裝置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, 借助材料的體積、顏色、折射率等諸多特性的改變量,,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.

    近年來,研究者針對腐蝕監測的最新研究工作主要集中于分布式傳感技術、熒光檢測、LPFG雙折射傳感特性以及光子晶體光纖四個方面,尋找性能更好的光纖腐蝕傳感器.

    1 、分布式光纖腐蝕傳感器

    分布式光纖傳感器是利用光纖幾何上的一維特性進行測量,獲取被測參量空間分布狀況和隨時間變化狀態的技術,目前多是基于光的反射和干涉,利用光纖中的光散射隨外部環境發生的變化來進行傳感[33].

    2011年,趙雪峰等人[34]基于分布式布里淵光學時域反射(BOTDR)開發一種用于監測混凝土結構中的鋼筋腐蝕.傳感器是在一段拋光的鋼筋表面纏繞抗折光纖,纏繞時將光纖微拉伸后并固定,使其帶有一定預應力,把這樣做好的兩個布里淵光纖腐蝕傳感器埋入混凝土試件中,并兩個傳感段光纖熔接在同一個光纖回路中,使用布里淵分析儀進行數據采集,從而對鋼筋腐蝕進行分布式監測.通過實驗發現光纖應變隨時間而持續增長,這表明腐蝕程度隨時間而增大,并且通過布里淵分析儀可以測量任意位置處任意時刻光纖應變的數值,對腐蝕進行實時定量評估.這種傳感器腐蝕監測范圍更大,監測到的鋼筋最大質量損失率達到0.25%,對鋼筋質量損失率的有效監測范圍約為0.0~0.1%,分辨率約為1.1×10-5.此外,該傳感器具有良好的線性度,能夠準確監測鋼筋腐蝕的實時情況.在考慮溫度補償之后,將能夠在溫度變化的環境中應用[35].

    2 、光纖熒光腐蝕傳感器

    利用熒光技術和光纖傳感技術相結合的光纖熒光傳感器檢測是目前比較活躍的研究和開發領域.

    熒光光纖傳感器的工作機理是建立在光致發光這一物理現象上.當某些熒光材料受到紫外光激發時會發出熒光,熒光強度與腐蝕引起的pH 值和離子濃度有關.不同的熒光材料既可以用作酸堿指示劑來測量pH 值,又可用來測量金屬離子濃度.

    2013年,P G Venancio等人[36]基于分子印跡技術(Molecularly Imprinted Technology,MIT)設計了新型的熒光光纖傳感器監測航空領域中鋁合金腐蝕.分子印跡技術是利用具有分子識別功能的分子印跡聚合物(Molecularly Imprinted Polymer,MIP)和印跡分子模擬酶-底物或抗體-抗原之間的相互作用,對印跡分子進行專一識別的技術.首先,以鋁離子為模板,制備出對鋁離子具有專一識別能力的MIP-8-羥基喹啉,然后將此MIP涂覆到光纖纖芯上,當腐蝕進行時,通過MIP和腐蝕產生的鋁離子聚合形成具有熒光特性的熒光團,熒光團在氙燈發出的光波作用下發出熒光,其光強度受到鋁離子濃度的影響,因此通過對熒光強度的測量可檢測鋁合金腐蝕.實驗中發現,該傳感器能夠有效檢測鋁離子的存在,對其他金屬離子,如:鈣離子、鈉離子、鎂離子和銅離子均無響應,而隨著鋁離子濃度的增加,熒光強度不斷增大,因此該傳感器能夠有效用于鋁合金腐蝕監測.

    3、 基于LPFG雙折射特性的腐蝕傳感器

    長周期光纖光柵(LPFG)纖芯橫向折射率分布不均勻,使得LPFG 具有一定的原始雙折射,從而其諧振峰具有一定的偏振相關性[37].當LPFG 受到橫向負載的作用時,由于彈光效應的存在,雙折射纖芯使得光纖的光學主軸發生一定的旋轉,引起偏振光傳播常數發生變化,導致LPFG纖芯基模與包層模之間的耦合發生變化,從而改變諧振峰波長和諧振峰幅值.2013年,劉宏月等人[38]設計了基于LPFG橫向負載特性的鋼筋腐蝕LPFG傳感器,通過測量由于待測鋼筋銹蝕后體積膨脹后引起的  LPFG諧振峰幅值的變化,實現對鋼筋腐蝕狀態的監測,進行了腐蝕加速實驗,發現LPFG 透射峰變化量與鋼筋腐蝕速率之間具有較好的對應關系.當實驗進行第32天時,鋼筋銹蝕率為6.46%,LPFG諧振峰幅值變化量達到10dB;當腐蝕進行到底120天時,鋼筋銹蝕率為27.974%,LPFG 諧振峰幅值變化量達到20dB,此時鋼筋銹蝕非常嚴重.實驗中,證明了橫向負載的壓力作用方向和LPFG原始光學主軸間的夾角對主軸敏感特性有密切關系,夾角越接近45°,由腐蝕引起的應力作用而造成的光纖光學主軸旋轉靈敏度越高,因此可以通過調節橫向負載對光纖的作用方向來調整該傳感器的靈敏度.

    4、 光子晶體光纖腐蝕傳感器

    自1997年,Russell等人首次利用拉制出光子晶體光纖(PCF)以來,光子晶體光纖在光纖通訊和傳感方面[39]得到了廣泛的應用.在折射率導光的PCF中,使沿兩個正交方向的空氣孔尺寸不同,即使孔型是橢圓而不是圓形,即可獲得高雙折射效應.

    由一束入射光分出的兩個反向傳輸的光信號通過具有高雙折射率效應的PCF后將會產生相位延遲,兩者再次相遇發生干涉,而腐蝕引起的應力作用于PCF時,會改變PCF的高雙折射效應,使得兩束光信號之間的光程差發生變化,輸出端光譜將會發生變化,從而對應力的測量,實現腐蝕檢測.

    2014年,Colum McCague等人[40]提出應用高雙折射光子晶體光纖(HiBi-PCF)傳感器監測混凝土結構中鋼筋腐蝕情況.在鋼筋腐蝕過程中,鋼筋體積膨脹對嵌入混凝土中的HiBi-PCF產生應力作用,隨著軸向應力的不斷變化,輸出光光譜不斷變化,從而可用于監測鋼筋腐蝕情況.此外,將包含有長170mm 的HiBi-PCF和兩根單模光纖的傳感器安置于鋼筋混凝土中進行腐蝕加速試驗,發現在腐蝕進行20天時,波長峰值發生約2.5nm的移動,這相當于該光纖每毫米受到0.3125N的壓力作用[41],因此該傳感器能夠有效監測腐蝕引起的鋼筋應力變化情況.HiBi-PCF具有極好的溫度穩定性[42],既可以在腐蝕傳感監測中有效排除多個被測物理量之間的交叉敏感問題,又可以應用于高溫環境和低溫環境,對溫度要求低,且使得該傳感器應用更為廣泛.

    光纖腐蝕傳感器未來發展方向

    近年來,國內外對光纖腐蝕傳感器的研究得到了飛速發展,并在土木工程、輸送管道和航空領域進行了大量的研究工作,研制出各種腐蝕機理和結構的光纖腐蝕傳感器,并從理論和實驗上驗證了其可行性.

    但目前光纖腐蝕傳感器多局限于實驗研究領域,離實際應用尚有較大距離.在混凝土鋼筋結構中,對腐蝕監測單點式傳感器較多,分布式傳感器的研究工作還處于起步階段,光纖傳感器可分布式測量的優點并未發揮,許多問題有待解決.將光纖腐蝕傳感器投入實際使用,這是是未來研究的最大目標.

    光纖布拉格光柵腐蝕傳感系統中交叉敏感問題是限制FBG傳感器分布式測量的最大問題.在一般非分布式FBG腐蝕傳感器中,往往結合長周期光纖光柵,通過LPFG溫度不敏感性,進行溫度補償. 那么在分布式FBG傳感系統中,利用長周期光纖光柵如何解決交叉敏感問題,這仍需進一步的研究.

    光子晶體光纖光柵是近年來發展迅速的光子器件,因其后向反射低、插入損耗小、設計自由度大和波長調諧范圍寬等優異特性而備受關注.PCF與傳統光柵技術的結合,將為光纖光柵領域帶來深刻的變革,對光纖腐蝕傳感器的開發很有幫助.

    參考文獻

    [33]MINARDO Aldo,et al.Bridge monitoring using brillouin fiber-optic sensors[J].IEEE Sensors Journal,2012,12(1):145-150.

    [34]趙雪峰,等.基于分布式布里淵光學時域反射的光纖腐蝕傳感器的實驗研究[J].光電子.激光,2011,22(3):333-337.

    [35]BAO X,et al.Recent progress in distributed fibre optic sensorsbased on Brillouin scattering[J].The International Societyfor Optical Engineering,1995,2507:175-185.

    [36]VENANCIO P G,et al.Optical sensors for corrosion detectionin airframes[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2013,182:774-781.

    [37]BACHIM B L,et al.Polarization-dependent loss and birefringencein long-period gratings[J].Applied Optics,2003,42(34):6816-6823.

    [38]劉宏月,等.基于長周期光纖光柵橫向負載特性的混凝土結構鋼筋銹蝕監測[J].光學學報,2013,33(4):1-7.

    [39]STANISLAV O K,et al.Photonic-crystal fiber as a multifunctionaloptical sensor and sample collector[J].Opt Exp,2007,15(18):11413-11426.

    [40]McCAGUE C,et al.Novel sensor design using photonic crystalfibres for monitoring the onset of corrosion in reinforcedconcrete structures[J].Journal of Lightwave Technology,2014,32(5):891-896.

    [41]McCAGUE C,et al.Novel distributed sensor design for corrosionmonitoring using photonic crystal fibers[J].ICAIT,2013:17-18.

    [42]McCAGUE C,et al.Photonic crystal fibres for monitoring theonset of corrosion in reinforced concrete structures[C].OpticsInfoBase Conference Papers,2013.

責任編輯：周婭

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