专利名称：监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及金属的腐蚀监测技术的改进，具体讲是一种监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器及其制备方法，其属于光纤传感技术的应用领域。
背景技术：
在海洋环境中，金属的腐蚀监测多为目视检测。当金属腐蚀可以被发现时，其腐蚀厚度已达原有金属层厚度的1/10，其损失危害是巨大的，修复工作也比较困难。而且这种检测方法耗费大量的人力、物力。特别是对未发生腐蚀部位的拆装检查，还会破坏原有设备的完整性，并且还可能降低设备的整体结构强度，造成不必要的浪费。况且，目视检测是无法实现原位实时监控的。还有一种超声波测试法，其很难区分腐蚀产物和原有金属层厚度，极易造成检测失误。
光纤传感技术是本世纪七十年代伴随光纤通信技术发展而形成的一门新学科、新技术分支。到八十年代中期，光纤传感已成为现代信息技术的重要组成部分。然而，至今未见应用光纤传感技术实现金属腐蚀的原位实时监控的报导。
发明内容
本发明的发明目的是要利用光纤传感技术对环境中的金属结构物实现实时腐蚀监控，尤其是对海洋环境中的金属结构物的实时腐蚀监控。设计一种监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器及其制备方法，该传感器要具有结构简单，制造容易，高灵敏度，高精度，对环境的适应性好，可实现非接触、非破坏性测量，实现高密度检测，数据高速度传输，而且使用简便的特点。
本发明的任务是由以下技术方案完成的，研制了一种监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器，其是去除护套、涂敷层和包层的一段光纤的纤芯，该光纤传感器将被监测金属的呈现规律性改变的腐蚀光学信号，通过相应的传输设备传输至监测仪器，该仪器显示并监测腐蚀的发生和发展。该技术方案的关键是在该纤芯外表面上真空沉积有被监测的金属材料的敏感膜，该膜组织均匀致密地沉积在该纤芯外表面上，该膜的两端分别与包层的断面密切结合，构成包层的相对两断面夹制的、适当径向厚度的、晶态结构的、被监测金属材料的敏感膜。
所述的被监测金属材料，其为钢材，或铝材，或锌材，或镍铁合金，或Fe-C合金。
所述的适当厚度的被监测金属材料的敏感膜，其径向厚度为0.01--100μm，轴向长度为10--20mm。
一种监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器的制备方法，其按如下步骤进行(1)取一段市售通讯光纤，切除去该光纤的护套和涂敷层，裸露10--20mm的包层；(2)以5--30％的氢氟酸溶液腐蚀该包层，以去除部分包层；(3)当该氢氟酸溶液腐蚀到纤芯表面后，采用螺旋测微仪不断监测纤芯的直径，直到该纤芯直径达到50--60μm为止，其腐蚀时间在30--180min内；
(4)采用真空沉积设备，将被监测金属材料真空沉积到包层的相对两断面之间的纤芯外表面上，制得由包层的相对两断面夹制的、被监测金属材质的均匀晶态结构的敏感膜层。
所采用的真空沉积设备是JEE-4X型真空蒸镀机设备，其中半球形的真空槽是在裸露的纤芯外表面真空沉积被监测金属材质的主要装置；所述的真空槽，还设有辅助装置，其是中间挖空的长方体夹具；该夹具分为上、下两层，在该两层中间设有夹制光纤用的橡胶垫片，该夹具的中央区域是挖空的；裸露的纤芯处于中央挖空区，并有螺栓夹紧固定住该两层、纤芯及其橡胶垫片；在真空沉积过程中，不断翻转该夹具--纤芯装置，即可在该纤芯外表面真空沉积有均匀晶态结构的膜层--被监测金属材质的敏感膜。
所述的真空槽，还设有辅助装置，其是有机玻璃板质的夹具；该夹具的上、下板两侧对应地挖有凹槽，该凹槽可以容纳塑料套管，该套管穿套在该光纤的包层和纤芯外且固定在支架上；在沉积过程中，不断旋转光纤，即可在该纤芯外表面真空沉积有均匀晶态结构的膜层--被监测金属材质的敏感膜。
所述的被监测金属材质是以钢为靶材的，其上样沉积量为1--20mg/次，通电电流为4--400A；上样前初始真空度为10-4Pa，靶材与光纤距离为5--25cm。
所述的被监测金属材质是以铝为靶材的，其上样沉积量为5--30mg/次，通电电流为3--300A；上样前初始真空度为10-4Pa，靶材与光纤距离为5--25cm。
本发明的优点在于由于该光纤传感器是去除护套、涂敷层和包层的一段光纤的纤芯；该技术方案的关键是在该纤芯外表面上真空沉积有被监测的金属材料的敏感膜，该膜组织均匀致密地沉积在该纤芯外表面上，该膜的两端分别与包层的断面密切结合，构成包层的相对两断面夹制的、适当径向厚度的、晶态结构的、被监测金属材料的敏感膜。具有这种敏感膜的光纤传感器将被监测金属的呈现规律性改变的腐蚀光学信号，通过相应的传输设备传输至监测仪器。该仪器即可显示并监测腐蚀的发生和发展。再加上光纤原有的体积小(光纤直径小于150μm)、重量轻、覆盖范围广、数据信息量大的优点，因此，可在对传统的检测技术无法解决的易燃、易爆、空间狭窄的情况下和在具有腐蚀性强的气体、液体以及射线污染的条件下，以及各种的苛刻环境条件下，进行被测金属的实时腐蚀监控；该光纤传感器的制造形状灵活、经久耐用，其可根据具体工况需要弯曲成多种形状，不仅省时省力，而且具有抗电磁干扰的优越性。该传感器在对传统的检测技术无法解决的易燃、易爆、空间狭窄的情况和在具有腐蚀性强的气体、液体以及射线污染的条件下，都能够应用光纤对上述苛刻的环境条件进行实时腐蚀监控，并且具有多种参量检测的功能。这些优越性是现有机械的、电磁的、电子的方法所无法实现或无法比拟的，因而本发明的光纤传感器具有很强的生命力。
由于本发明的监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器的制备方法的步骤中，选择采用了螺旋测微仪，来不断监测纤芯的恰当直径50--60μm，其腐蚀时间在30--180min内，使得该纤芯外表面在真空沉积敏感膜以后，光纤总的直径不致过大，否则影响金属膜腐蚀监测效果。如果使氢氟酸溶液腐蚀纤芯表面过多，留有的光纤直径就过小，这样光纤的强度就太低，易折断，影响该光纤传感器的寿命。
由于选择了步骤(4)所采用的JEE-4X型真空蒸镀机--一种适合的真空沉积设备，将被监测金属材料真空沉积在包层的相对两断面之间的纤芯外表面上，制得由包层的相对两断面夹制的、被监测金属材质的均匀晶态结构的敏感膜层。该真空沉积设备的镀层操作具有简单易行、直接上靶材的特点。由于设计了中间挖空的长方体夹具的辅助装置，在其中间挖空处放入橡胶垫片，用于防止夹断光纤，再用螺栓紧固，使光纤放置在该夹具中间且使纤芯部分处于中间挖空区，这样就可以保证纤芯部分不容易折断，而且可以通过不断翻转该夹具--纤芯装置，使沉积在纤芯上的敏感膜层有比较均匀致密的晶态组织结构。由于设计了改进的辅助装置，其是有机玻璃板质的夹具。该夹具设有可以容纳塑料套管的凹槽，该套管穿套在光纤的包层和纤芯外且固定在支架上，固定在支架上的套管不会晃动或脱落。由于套管的内径比光纤的外径稍大，可以使光纤不易受到损伤。在真空沉积过程中，不断旋转光纤，使所镀的敏感膜层更加均匀，即可在该纤芯外表面真空沉积有均匀晶态结构的膜层--被监测金属材质的敏感膜。
附图及其实施例本发明的保护范围不仅局限于实施例中。结合附图进一步说明如下
图1为监测金属腐蚀的光纤传感器的敏感膜放大结构示意图。
图2为真空沉积镀膜的一种夹具--纤芯辅助装置的结构示意图。
图3为真空沉积镀膜的一种夹具--纤芯辅助装置的侧视结构示意图。
图4为真空沉积镀膜的另一种夹具--纤芯辅助装置的结构示意图。
图5为真空沉积铝敏感膜的扫描电镜图谱。
图6为该光纤传感器进行腐蚀模拟实验的结构示意图。
图7为真空沉积Fe-C合金敏感膜的腐蚀前后光输出功率的变化图谱。
图8为真空沉积铝敏感膜的腐蚀前后光输出功率的变化图谱。
图9为Fe-C合金膜和921A碳钢的X-射线衍射图谱。
图10为光纤镀膜试样与铝靶材的X-射线衍射图谱。
图11为真空蒸镀机设备的真空槽侧视结构示意图。
图12为真空蒸镀机设备的真空槽俯视结构示意图。
图13为光纤的基本结构示意图。
参见图1--13，制成的监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器，其是如图13所示的去除护套1、涂敷层2和包层3的一段光纤的纤芯4，该光纤传感器将被监测金属的呈现规律性改变的腐蚀光学信号，通过相应的传输设备(图中未画出)传输至监测仪器(图中未画出)，该仪器显示并监测腐蚀的发生和发展。该技术方案的关键是在该纤芯4外表面上真空沉积有被监测的金属材料的敏感膜5，该膜5组织均匀致密地沉积在该纤芯4外表面上，该膜5的两端分别与包层3的断面密切结合，构成包层3的相对两断面夹制的、适当径向厚度的、晶态结构的、被监测金属材料的敏感膜5。
所述的被监测金属材料，其为钢材，或铝材，或锌材，或镍铁合金，或Fe-C合金。所述的适当厚度的被监测金属材料的敏感膜5，其径向厚度为0.01--100μm，轴向长度为10--20mm。
一种监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器的制备方法，其按如下步骤进行
(1)取一段市售通讯光纤，切除去该光纤的护套1和涂敷层2，裸露10，或15，或20mm的包层3；(2)以5--30％的氢氟酸溶液腐蚀该包层3，以去除部分包层3；(3)当该氢氟酸溶液腐蚀到纤芯4表面后，采用螺旋测微仪不断监测纤芯4的直径，直到该纤芯4直径达到50--60μm为止，其腐蚀时间在30--180min内；(4)采用真空沉积设备(图中未画出)，将被监测金属材料真空沉积在包层3的相对两断面之间的纤芯4外表面上，制得由包层3的相对两断面夹制的、被监测金属材质的均匀晶态结构的敏感膜5层。
所采用的真空沉积设备是JEE-4X型真空蒸镀机设备，其中如图11，图12所示的、半球形的真空槽15是将裸露的纤芯4外表面真空沉积被监测金属材质的主要装置；所述的真空槽15，其内设有加热炉16和沉积台17，该沉积台17上还设有辅助装置，如图2、图3所示其是中间挖空的长方体夹具6；该夹具6分为上、下两层，在该两层中间设有夹制光纤用的橡胶垫片9，该夹具6的中央区域是挖空的；裸露的纤芯处于中央挖空区10，并有螺栓8夹紧固定住该两层、纤芯4及其橡胶垫片9，该夹具6外的外部光纤7不进行真空沉积；在真空沉积过程中，不断翻转该夹具6--纤芯4装置，即可在该纤芯4外表面真空沉积有均匀晶态结构的膜层--被监测金属材质的敏感膜5。
所述的真空槽15内的沉积台17上，还设有另一种辅助装置，其是有机玻璃板质的夹具11；如图4所示该夹具11的上、下板两侧对应地挖有凹槽12，该凹槽12可以容纳塑料套管13，该套管13穿套在该光纤7的包层3和纤芯4外且固定在支架14上，该夹具11外的外部光纤7不进行真空沉积。在沉积过程中，不断旋转该夹具11，即可在该纤芯4外表面真空沉积有均匀晶态结构的膜层--被监测金属材质的敏感膜5。
真空沉积铝敏感膜的扫描电镜图谱如图5所示。钢材在硫酸溶液中模拟腐蚀过程，铝材在氢氧化钠溶液中模拟腐蚀过程。
腐蚀模拟实验的结构如图6所示。在图6中将设有传感器--敏感膜5的光纤7浸没在装有腐蚀溶液的腐蚀实验池19中；在该光纤7的一端接有光功率计20，该功率计再接通于计算机21上；在该光纤7的另-端接有光源18。通过监测光源18经过传感器--敏感膜5的输出光功率的规律性变化情况，可实时地监控腐蚀，并相应的传输设备传输至计算机21的监测仪器，即可显示并监测腐蚀的发生和发展。
实验结果分别表示于图7和图8中。图7和图8分别证明了本发明的光纤传感器制备方法的可行性。图9和图10证明了真空沉积技术在光纤上制备的金属敏感膜与靶材金属在微观结构上有一定的相似性，那么金属腐蚀行为就会有相应的代表性。
如图9所示的X-射线衍射图谱表明921A碳钢的衍射峰为α-Fe，出峰的晶面分别为(110)、(200)和(211)晶面；真空沉积(PVD)和电镀沉积的Fe-C合金敏感膜都形成了晶态组织，而且二者的衍射峰位置与921A碳钢是一致的，这说明实验制备的Fe-C合金敏感膜与921A碳钢的主要晶体结构类型基本一致，Fe-C合金敏感膜的结构与921A碳钢的结构非常相近。
如图10所示的X-射线衍射表明铝材料的晶面特征峰位于(111)、(200)、(220)、(311)和(222)处。光纤的两个平行样品均出现了与之相应的吸收峰，只是强度较低。由此可知铝在光纤表面基本形成了类似的晶态结构，只是晶面有部分倾斜造成了强度下降。金属敏感膜的厚度可以根据监测需要适当增加。
本领域的普通技术人员都会理解，在本发明的保护范围内，对于上述实施例进行修改，添加和替换都是可能的，但其都没有超出本发明的保护范围。
权利要求
1.一种监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器，其是去除护套、涂敷层和包层的一段光纤的纤芯，该光纤传感器将被监测金属的呈现规律性改变的腐蚀光学信号，通过相应的传输设备传输至监测仪器，该仪器显示并监测腐蚀的发生和发展，其特征在于在该纤芯外表面上真空沉积有被监测的金属材料的敏感膜，该膜组织均匀致密地沉积在该纤芯外表面上，该膜的两端分别与包层的断面密切结合，构成包层的相对两断面夹制的、适当径向厚度的、晶态结构的、被监测金属材料的敏感膜。
2.根据权利要求1所述监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器，其特征在于所述的被监测金属材料，其为钢材，或铝材，或锌材，或镍铁合金，或Fe-C合金。
3.根据权利要求1所述监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器，其特征在于所述的适当厚度的被监测金属材料的敏感膜，其径向厚度为0.01——100μm，轴向长度为10——20mm。
4.一种监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器的制备方法，其特征在于所述的制备方法，按如下步骤进行(1)取一段市售通讯光纤，切除去该光纤的护套和涂敷层，裸露10——20mm的包层；(2)以5——30％的氢氟酸溶液腐蚀该包层，以去除部分包层；(3)当该氢氟酸溶液腐蚀到纤芯表面后，采用螺旋测微仪不断监测纤芯的直径，直到该纤芯直径达到50——60μm为止，其腐蚀时间在30——180min内；(4)采用真空沉积设备，将被监测金属材料真空沉积到包层的相对两断面之间的纤芯外表面上，制得由包层的相对两断面夹制的、被监测金属材质的均匀晶态结构的敏感膜层。
5.根据权利要求4所述监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器的制备方法，其特征在于所采用的真空沉积设备是JEE-4X型真空蒸镀机设备，其中半球形的真空槽是在裸露的纤芯外表面真空沉积被监测金属材质的主要装置；所述的真空槽，还设有辅助装置，其是中间挖空的长方体夹具；该夹具分为上、下两层，在该两层中间设有夹制光纤用的橡胶垫片，该夹具的中央区域是挖空的；裸露的纤芯处于中央挖空区，并有螺栓夹紧固定住该两层、纤芯及其橡胶垫片；在真空沉积过程中，不断翻转该夹具——纤芯装置，即可在该纤芯外表面真空沉积有均匀晶态组织结构的膜层——被监测金属材质的敏感膜。
6.根据权利要求5所述监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器的制备方法，其特征在于所述的真空槽，还设有辅助装置，其是有机玻璃板质的夹具；该夹具的上、下板两侧对应地挖有凹槽，该凹槽可以容纳塑料套管，该套管穿套在该光纤的包层和纤芯外且固定在支架上；在沉积过程中，不断旋转光纤，即可在该纤芯外表面真空沉积有均匀晶态结构的膜层——被监测金属材质的敏感膜。
7.根据权利要求4所述监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器的制备方法，其特征在于所述的被监测金属材质是以钢为靶材的，其上样沉积量为1——20mg/次，通电电流为4——400A；上样前初始真空度为10-4Pa，靶材与光纤距离为5——25cm。
8.根据权利要求4所述监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器的制备方法，其特征在于所述的被监测金属材质是以铝为靶材的，其上样沉积量为5——30mg/次，通电电流为3——300A；上样前初始真空度为10-4Pa，靶材与光纤距离为5——25cm。
全文摘要
本发明是一种监测金属腐蚀的沉积膜光纤传感器及其制备方法，其是一段光纤的纤芯，该传感器将被监测金属的呈现规律性改变的腐蚀光学信号，通过传输及监测仪器，显示并监测腐蚀的发生和发展。其是在该纤芯外表面上真空沉积有被监测的金属材料的敏感膜，该膜组织均匀致密地沉积在该纤芯外表面上，该膜的两端分别与包层的断面密切结合，构成包层的相对两断面夹制的、适当径向厚度的、晶态结构的、被监测金属材料的敏感膜。该传感器对环境尤其是对海洋环境中的金属结构物的实时腐蚀监控。其具有结构简单，制造容易，高灵敏度，高精度，对环境的适应性好，可实现非接触、非破坏性测量，实现高密度检测，数据高速度传输，而且使用简便的特点。
文档编号G01N21/84GK1598551SQ20041003547
公开日2005年3月23日 申请日期2004年7月29日 优先权日2004年7月29日
发明者董飒英 申请人:中国船舶重工集团公司第七二五研究所