一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法，属于结构工程和光纤传感技术领域。它包括长周期光纤光栅传感，长周期光纤光栅传感包括光纤光栅段、光纤段和尾端段，还包括基座、钢筋和水泥砂浆，从左到右依次为光纤光栅段、光纤段和尾端段，光纤光栅段的表面上设有一层光纤光栅段金属膜，尾端段的表面上设有一层尾端段金属膜，尾端段的端面上设有一层尾端段端面金属膜；钢筋和长周期光纤光栅传感均放置在基座内，基座的外部为一层水泥砂浆。光纤光栅段金属膜、尾端段金属膜和尾端段端面金属膜均为钯金膜。本发明的单端反射式长周期光纤光栅通过折射率来监测钢筋周围环境的变化，来判断钢筋锈蚀的状态。
【专利说明】
一种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监 测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及的是结构工程和光纤传感技术领域，尤其涉及一种监测钢筋锈蚀状态 的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法。
【背景技术】
[0002] 如今，钢筋混凝土结构凭借其具有良好的耐用性能，应用越来越广泛，但当它工作 在海水等侵蚀的环境中时，会导致钢筋混凝土结构中的钢筋很容易发生锈蚀。钢筋锈蚀的 问题不仅会给社会带来不可估量的经济损失，造成资源材料的浪费，还会在一定程度上降 低钢筋的使用年限及其承负载能力，损坏钢筋混凝土的结构，甚至会影响到人身安全。所 以，关于研究钢筋锈蚀的问题具有重要的理论意义和实际意义。目前，钢筋锈蚀监测的方法 很多，大概可以分为物理检测法、电化学检测法、光纤腐蚀传感器监测法这三种。物理检测 法和电化学检测通常是作为定期检测使用的，而光纤腐蚀传感器监测法能够实时监测钢筋 锈蚀的状态，并且又可以分为间接监测和直接监测。间接监测意思是通过对钢筋锈蚀周围 环境的监测，从而推断出钢筋的锈蚀状态;直接监测则是通过直接监测钢筋本身或者锈蚀 产物等的变化来得到钢筋的锈蚀程度的信息。
[0003] 光纤光栅传感具有较高的灵敏度，几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意 形状的光纤传感器，可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件，也可以 用于高压、电气噪声、腐蚀、或其它的恶劣环境，而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。目 前光纤光栅传感已开始应用于混凝土钢筋锈蚀监测领域，这逐渐成为一个越来越让研究人 员关注的问题。
[0004] 在现今的光纤腐蚀传感器技术中，李俊等人提出了一种新的钢筋腐蚀光纤光栅传 感器及温度补偿方法，研究利用光纤布喇格光栅测量钢筋的应变来监测钢筋锈蚀的状态， 同时单独设置一个不锈钢光纤光栅传感器来测量由于温度引起的应变，但只能用于钢筋锈 蚀的早期监测;刘宏月等人利用长周期光纤光栅敏感的折射率的特性来监测钢筋锈蚀的程 度和速度，发现长周期光纤光栅比光纤布喇格光栅探测的范围大，灵敏度也较高;王彦等人 利用长周期光纤光栅的微弯特性来监测混凝土结构中的钢筋锈蚀。但是以上采用的长周期 光纤光栅都是透射式结构，所采用的仪器设备较多，且成本高，在实际监测过程非常不方 便，导致工程应用并不广泛。
[0005] 中国发明专利，授权公告号：CN 101042328 B，授权公告日2010.10.06,涉及长周 期光纤光栅的钢筋腐蚀监测方法及其传感器，属于结构工程领域和光纤传感技术领域。该 发明是利用贴着钢筋的位置平直地放置一根长周期光纤光栅，定期由光谱仪观察长周期光 纤光栅的透射谱变化，以此判断光栅是否发生了弯曲，并推断钢筋腐蚀的程度与速率。该发 明通过对埋入的长周期光纤光栅的透射谱监测，可以实现在不损伤混凝土表面的前提下， 对任何环境下钢筋混凝土构件中的钢筋腐蚀情况进行长期监测，准确确定引起钢筋腐蚀的 程度及速率，应用于结构工程领域中钢筋混凝土结构的耐久性检测和评估。其不足之处在 于：1)该发明中是通过光栅的微弯特性来监测钢筋锈蚀的状态，钢筋锈蚀引致光栅的微弯 已是钢筋锈蚀的早中期阶段，该方法无法对钢筋锈蚀的早期阶段提前进行监测及预警;2) 该发明需要使用宽带光源及光谱仪这种大型昂贵设备进行定期监测，使用不便，成本较高。
【发明内容】
[0006] 1.发明要解决的技术问题
[0007] 针对现有技术中光纤光栅传感器在监测钢筋锈蚀中存在的问题，本发明提处了一 种监测钢筋锈蚀状态的传感器及其制作工艺和钢筋锈蚀监测方法。它克服长周期光纤光栅 在监测过程中探测不方便的困难，进一步改善长周期光纤光栅监测的性能。
[0008] 2.技术方案
[0009] 为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：
[0010] -种监测钢筋锈蚀状态的传感器，包括长周期光纤光栅传感，长周期光纤光栅传 感包括光纤光栅段、光纤段和尾端段，还包括基座、钢筋和水泥砂浆，从左到右依次为光纤 光栅段、光纤段和尾端段，光纤光栅段的表面上设有一层光纤光栅段金属膜，尾端段的表面 上设有一层尾端段金属膜，尾端段的端面上设有一层尾端段端面金属膜;钢筋和长周期光 纤光栅传感均放置在基座内，基座的外部为一层水泥砂浆。
[0011] 优选地，所述的光纤光栅段金属膜、尾端段金属膜和尾端段端面金属膜均为钯金 膜。
[0012] 优选地，光纤光栅段由内至外依次为光纤光栅段纤芯和光纤光栅段金属膜。
[0013] 优选地，尾端段由内至外依次为尾端段纤芯和尾端段金属膜，尾端段的端面有尾 端段端面金属膜。
[0014]优选地，基座内设有支架，长周期光纤光栅传感放置在支架上，两端固定在基座 内。
[0015]优选地，光纤光栅段金属膜的厚度为50-100nm，尾端段金属膜、尾端段端面金属膜 的厚度均为700-1000nm〇
[0016] 优选地，所述光纤光栅段的长度为4-6cm，光纤段的长度为l-2cm，尾端段的长度为 l-6cm〇
[0017] -种监测钢筋锈蚀状态的传感器制作工艺，其步骤为：
[0018] A、根据以上所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，将长周期光纤光栅的一端切 平，形成光纤光栅段和光纤段；
[0019] B、光纤光栅段内部是光纤光栅段纤芯，在光纤光栅段表面镀一层光纤光栅段金属 膜，长周期光纤光栅表面形成等离子体共振效应；
[0020] C、选取普通圆柱形单模光纤，在该单模光纤的端面镀一层尾端段端面金属膜，以 形成高反射率镜面，在该单模光纤的表面镀一层尾端段金属膜，该单模光纤为尾端段；
[0021] D、将光纤段与尾端段熔接，形成探头传感结构，构成长周期光纤光栅传感；
[0022] E、选取一根钢筋，将钢筋放置在基座内，在基底内部填充酚醛树脂，同时将钢筋混 凝土孔隙液渗透到酚醛树脂内；
[0023] F、基座内设有支架，长周期光纤光栅传感放置在支架上，两端固定在基座内；
[0024] G、基座用水泥砂浆浇筑。
[0025] 优选地，长周期光纤光栅传感的两端采用环氧树脂胶进行固定。
[0026] -种监测钢筋锈蚀状态的传感器的钢筋锈蚀监测方法，其步骤为：
[0027] A、根据以上所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，将光纤光栅段1引出的传输 线缆与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪的精度与光谱仪的精度对比连接；
[0028] B、光纤光栅解调仪通道内部发出的光依次经过光纤光栅段、光纤段和尾端段； [0029] C、光在光纤光栅段上发生SPR效应，通过光纤段到达探头传感端面；
[0030] D、光从探头传感端面被反射回来，依次经过尾端段、光纤段和光纤光栅段，发生 SPR效应，且与前向传输的光发生自干涉效应，返回到光纤光栅解调仪通道内；
[0031] E、光纤光栅解调仪将光传输过程中的光谱显示出来；
[0032] F、把钢筋锈蚀的状态和光谱的谐振峰波长的偏移联系起来，从而计算出实际中钢 筋锈蚀的状态。
[0033] 3.有益效果
[0034] 采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0035] (1)本发明的长周期光纤光栅折射率的敏感性，能够监测出钢筋周围环境的变化， 而环境中的氯离子浓度是影响钢筋锈蚀状态的主要原因，本发明的传感器能够检测出钢筋 所在环境中的氯离子浓度，光谱的谐振峰波长的偏移反映出钢筋所在环境中的氯离子浓度 值，根据氯离子浓度与钢筋锈蚀之间的关系，进而从光谱的谐振峰波长的偏移，判断出钢筋 锈蚀的状态；
[0036] (2)本发明利用酚醛树脂的透水性，保证传感器内的钢筋与外界钢筋所处的环境 相同，基座的材料为不锈钢;结构简单，易于操作，抗振动，抗冲击，解决了长周期光纤光栅 在实际使用过程中监测不方便的问题；
[0037] (3)本发明在光纤光栅段表面镀一层光纤光栅段金属膜，在尾端段的端面镀一层 尾端段端面金属膜，以形成高反射率镜面，在尾端段的表面镀一层尾端段金属膜，镀膜的方 法是:采用镀膜设备HUMMER离子镀膜仪，镀膜材料为钯金，选择钯金的原因是由于其具有高 反射率、不易氧化，从而提高了监测的灵敏度，极易与光纤附着粘合，镀膜时间为5min，镀膜 后端面反射率可达75 %，尾端段端面金属膜作为全波段的端面反射镜，并且光纤光栅段到 尾端段端面金属膜的中间存在一定的距离，这样就形成一种单端反射式长周期光纤光栅；
[0038] (4)本发明通过光纤光栅解调仪通道内部发出的光经过本发明的传感器后，被反 射回光纤光栅解调仪并显示光谱，不需要采用宽带光源及光谱仪进行测量，从而节省了成 本，便于在实践中推广使用，且不要占用较多人力；
[0039] (5)本发明的这种光纤段和尾端段分开式的结构，使得尾端段能够选择具有一些 特殊性质的光纤，且在使用过程中，端部容易受外界碰触而损坏，而分段式结构易于更换端 部结构；
[0040] (6)光从探头传感端面被反射回来，依次经过尾端段、光纤段和光纤光栅段，发生 SPR效应，且与前向传输的光发生自干涉效应，返回到光纤光栅解调仪通道内；前向传输的 光与反向传输的光发生自干涉效应，使谐振峰值更大，起到了信号放大的作用，提高了测量 的精度和检测的灵敏度。
【附图说明】
[0041 ]图1为本发明的长周期光纤光栅结构示意图；
[0042] 图2为应用本发明的传感器的监测系统图；
[0043] 图3为本发明的传感器俯视结构图；
[0044] 图4为本发明的传感器的侧面图；
[0045] 图5为水泥砂衆封装图。
[0046] 图中标号名称：
[0047] 1、光纤光栅段;2、光纤段;3、尾端段;4、光纤光栅段纤芯;5、光纤段纤芯;6、尾端段 纤芯;61、探头传感端面;7、光纤光栅段金属膜;8、尾端段金属膜;9、尾端段端面金属膜;10、 光纤光栅解调仪；11、长周期光纤光栅传感；111、支架；12、基座；121、酚醛树脂；13、钢筋； 14、水泥砂浆。
【具体实施方式】
[0048] 为进一步了解本发明的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。
[0049] 实施例1
[0050] 结合图1-5，一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，包括长周期光纤光栅传感11，长周 期光纤光栅传感11包括光纤光栅段1、光纤段2和尾端段3,还包括支架111、基座12、钢筋13 和水泥砂浆14,从左到右依次为光纤光栅段1、光纤段2和尾端段3,光纤光栅段1的表面上设 有一层光纤光栅段金属膜7，光纤光栅段1由内至外依次为光纤光栅段纤芯4和光纤光栅段 金属膜7。尾端段3的表面上设有一层尾端段金属膜8,尾端段3的端面上设有一层尾端段端 面金属膜9;尾端段3由内至外依次为尾端段纤芯6和尾端段金属膜8，尾端段3的端面有尾端 段端面金属膜9。光纤光栅段纤芯4与光纤段纤芯5为整体纤芯，选择用单模光纤;尾端段纤 芯6也为单模光纤。光纤光栅段1的长度为4-6cm，光纤段2的长度为l-2cm，尾端段3的长度为 l-6cm〇
[0051] 光纤光栅段金属膜7、尾端段金属膜8和尾端段端面金属膜9均为钯金膜，光纤光栅 段金属膜7的厚度为50-IOOnm，尾端段金属膜8、尾端段端面金属膜9的厚度均为700-1000 nm 0
[0052]钢筋13放置在基座12内，基座12内设有支架111，长周期光纤光栅传感11放置在支 架111，两端固定在基座12内，基座12的外部为一层水泥砂浆14,水泥砂浆14封装的厚度为 15-30mm〇
[0053]本发明的这种光纤段2和尾端段3分开式的结构，使得尾端段3能够选择具有一些 特殊性质的光纤，如弯曲不敏感光纤、超低损耗单模光纤等，且在使用过程中，端部容易受 外界碰触而损坏，而分段式结构易于更换端部结构。
[0054] 实施例2
[0055] 与实施例1的传感结构相同，一种监测钢筋锈蚀状态的传感器的制作工艺，其步骤 为：
[0056] A、根据以上所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，将长周期光纤光栅的一端切 平，形成光纤光栅段1和光纤段2;
[0057] B、光纤光栅段1内部是光纤光栅段纤芯4,在光纤光栅段1表面镀一层光纤光栅段 金属膜7，长周期光纤光栅表面形成等离子体共振效应；
[0058] C、选取普通圆柱形单模光纤，在该单模光纤的端面镀一层尾端段端面金属膜9,以 形成高反射率镜面，在该单模光纤的表面镀一层尾端段金属膜8，该单模光纤为尾端段3;
[0059] D、将光纤段2与尾端段3熔接，形成探头传感结构，构成长周期光纤光栅传感11;
[0060] E、选取一根钢筋13,将钢筋13放置在基座12内，在基底12内部填充酚醛树脂121， 同时将钢筋混凝土孔隙液渗透到酚醛树脂121内；
[0061] F、基座12内设有支架111，长周期光纤光栅传感11放置在支架111上，两端固定在 基座12内；长周期光纤光栅传感11的两端采用环氧树脂胶进行固定；
[0062] G、基座12用水泥砂浆14浇筑，水泥砂浆14封装的厚度为15-30mm，这样能够使得基 座12中的钢筋13所在的环境与基座12外部环境相同，即氯离子浓度相同，如果水泥砂浆14 封装的太厚，基座12外部空气进不来，检测到的基座12的氯离子浓度并非建筑物的钢筋实 际所处的环境，监测数值误差较大，不具有代表性，没有参考意义;如果水泥砂浆14封装的 太薄，又不能够起到固定支撑的作用，基座12以及基座12内部的结构部件将不能稳固安全 的存在。
[0063] 实施例3
[0064] 与实施例1和2类似，一种监测钢筋锈蚀状态的传感器的钢筋锈蚀监测方法，其步 骤为：
[0065] A、将光纤光栅段1引出的传输线缆与光纤光栅解调仪10连接，光纤光栅解调仪10 的精度与光谱仪的精度对比连接；
[0066] B、光纤光栅解调仪10通道内部发出的光依次经过光纤光栅段1、光纤段2和尾端段 3，
[0067] C、光在光纤光栅段1上发生SPR效应，通过光纤段2到达探头传感端面61;
[0068] D、光从探头传感端面61被反射回来，依次经过尾端段3、光纤段2和光纤光栅段1， 发生SPR效应，且与前向传输的光发生自干涉效应，返回到光纤光栅解调仪10通道内；前向 传输的光与反向传输的光发生自干涉效应，这种自干涉效应对环境折射率也尤为敏感，与 本身的SPR效应相结合，能够大幅度提高传感器对环境折射率的灵敏度，即提高检测灵敏 度。
[0069] E、光纤光栅解调仪10将光传输过程中的光谱显示出来；
[0070] F、把钢筋锈蚀的状态和光谱的谐振峰波长的偏移联系起来，从而计算出实际中钢 筋锈蚀的状态。
[0071] 对于我国沿海的混凝土结构而言，氯离子侵蚀是造成混凝土中钢筋锈蚀的主要原 因之一。氯离子侵入混凝土，导致混凝土内钢筋失去钝化膜保护，是混凝土中钢筋发生锈蚀 的先决条件。在氯腐蚀环境下，氯离子从混凝土外表面向内扩散，当钢筋表面氯离子浓度超 过一定含量，钢筋就会以较快速度开始腐蚀，该阈值称为临界氯离子浓度。因此，若能对钢 筋周围氯离子浓度进行监测，判断其是否达到临界氯离子浓度，则能够实现对钢筋的早期 锈蚀监测。
[0072] 文南犬Diamond S, chloride concentration in concrete pore solution resulting from calcium and sodium chloride admixtures[M],cement concrete and aggregates，1986中给出了不同PH碱溶液中钢的[Cl ]/[OF]临界值，如下表：
[0073] 表1不同PH碱溶液中钢的[C1]/[(MT]临界值
[0074] 考虑到一般混凝土氢氧化|丐的值为2750mol/m3,而溶解度为220mol/m 3，即[0H-]为 44mol/m3，如取[Cl ]/[0H_]等于0.6，则相应的氯离子浓度可计算为26.4mol/m3，换算得钢筋 开始锈蚀时的氯离子临界浓度为0.9372*10-6kg/cm 3。由此可见，氯离子浓度与钢筋锈蚀有 直接的关系。
[0075] 本发明的长周期光纤光栅折射率的敏感性，能够监测出钢筋周围环境的变化，而 环境中的氯离子浓度是影响钢筋锈蚀状态的主要原因，本发明的传感器能够检测出钢筋所 在环境中的氯离子浓度，光谱的谐振峰波长的偏移反映出钢筋所在环境中的氯离子浓度 值，根据以上所述，氯离子浓度与钢筋锈蚀之间的关系，进而从光谱的谐振峰波长的偏移， 判断出钢筋锈蚀的状态。
[0076] 本发明通过光纤光栅解调仪10通道内部发出的光经过本发明的传感器后，被反射 回光纤光栅解调仪10并显示光谱，不需要采用宽带光源及光谱仪进行测量，从而节省了成 本，便于在实践中推广使用，且不要占用较多人力。
[0077] 实施例4
[0078]本实施例与实施例1类似，不同之处在于，利用酚醛树脂121的透水性，保证传感器 内的钢筋13与外界钢筋所处的环境相同，基座12的材料为不锈钢;本发明结构简单，易于操 作，抗振动，抗冲击，解决了长周期光纤光栅在实际使用过程中监测不方便的问题；
[0079]在长周期光纤光栅10表面涂覆的金属膜是钯金膜，钯金膜具有高反射率，不易氧 化，极易与光纤附着粘合。将钢筋混凝土孔隙液渗透到酚醛树脂121内，采用温度补偿的方 法，将其去敏，有效分1?氯尚子浓度。
[0080]采用探头传感端面61结构，是为了将透射式长周期光纤光栅变为反射式的，支架 111是Y型，材料为不锈钢，并且通过焊接的方式固定在钢筋13上，两个Y型支架111之间的距 离大约为15cm。支架111在同一水平面上，且与钢筋13距离大约4-6mm。水泥封装的厚度大约 为15_30mm 〇 [0081 ] 实施例5
[0082] -种监测钢筋锈蚀状态的传感器，所需要的材料有剥线钳、光纤切割刀、熔接机、 酒精栗、棉花、环氧树脂胶、酚醛树脂121、不锈钢材料、长周期光纤光栅、金属膜、Y型支架 111、水泥砂浆14等。结合图1-5，以下为具体步骤：
[0083] 1.选取一根直径为25mm的钢筋13,将钢筋13按照图1放置。
[0084] 2.在不锈钢基座12内部填充酚醛树脂121，同时将钢筋混凝土孔隙液渗透到酚醛 树脂121内，用于模拟钢筋13所在的环境。
[0085] 3.用剥线钳将长周期光纤光栅10的保护层、涂覆层以及包层去除，得到4-5cm的裸 光纤，用沾有酒精的棉花将纤芯表面擦拭干净，然后将长周期光纤光栅放在光纤切割刀上 面把端面切平，形成光纤光栅段1和光纤段2。然后取一段纯光纤，将其端面切平，形成尾端 段3,同样用酒精擦拭洁净，通过光纤熔接机将尾端段3熔接在光纤段2的端面，然后在光纤 光栅段1表面镀一层光纤光栅段金属膜7，在尾端段3的端面镀一层尾端段端面金属膜9，以 形成高反射率镜面，在尾端段3的表面镀一层尾端段金属膜8，镀膜的方法是:采用镀膜设备 HUMMER离子镀膜仪，镀膜材料为钯金，选择钯金的原因是由于其具有高反射率、不易氧化， 从而提高了监测的灵敏度，极易与光纤附着粘合，镀膜时间为5min，镀膜后端面反射率可达 75%，尾端段端面金属膜9作为全波段的端面反射镜，并且光纤光栅段1到尾端段端面金属 膜9的中间存在一定的距离，这样就形成一种单端反射式长周期光纤光栅。
[0086] 4.将单端反射式长周期光纤光栅拉直，放置在Y型支架111上，长周期光纤光栅这 一端用环氧树脂胶进行固定。
[0087] 5.最后用水泥砂浆14浇注，水泥封装的厚度大约15-30_，使其整个监测系统抗振 动，抗冲击，一种单端反射式长周期光纤光栅的钢筋锈蚀监测传感器制作完成。
[0088] 6.钢筋锈蚀的监测的仪器使用的是光纤光栅传感解调仪10,选用Micronoptics SM-125,从而来监测钢筋锈蚀的状态。
[0089] 实施例6
[0090] 下面论述单端反射长周期光纤光栅探头（Single Coating Long-period-fiber grating，SCLPG)的传感原理。
[0091] 本实施例是对所有实施例的原理论述，单端反射长周期光纤光栅探头（Single Coating Long-period-fiber grating，SCLPG)的传感原理：
[0092] LPFG的模式耦合属于纤芯基模LPOl与同向传输的一阶包层模LPOm之间的耦合。由 耦合模理论可知，长周期光纤光栅的相位匹配条件可由式表示：
[0093]
[0094] 分别为光纤纤芯和第m次包层模的有效折射率。纤芯基模的有效折射率 由纤芯折射率m和包层折射率n2决定，而包层模的有效折射率与m，n2有关的同时，还与 环境折射率nsur有关，当环境折射率变化将引起包层模有效折射率的变化，进而引起谐振波 长Al的漂移。因此，LPFG的谐振波长对外界环境折射率的变化尤为敏感，对一周期固定的 LPFG，有：
[0095]
[0096]同时，随着环境折射率nsur的变化，LPFG在谐振波长Al处的透射率T也相应发生变 化：
[0097] T = sin2(kL) 7T · hx\ · I
[0098] 其中：k = -^，为纤芯基樽与包层樽之间的耦合系数，L为光栅长度。
[0099]
[0?00] I为纤芯区域内基模与包层模的交叉积分。其中：Ect)re，Eciad分别为纤芯基模和包层 模的电场幅值，Dn。。为纤芯的调制率，a为纤芯半径。
[0101]由此可见，当LPFG受到外界折射率发生变化时，将引起包层模有效折射率 <广的变 化，由此使谐振波长k发生漂移，同时，的变化也改变积分I值，从而引起耦合系数k的变 化，进而使得谐振波长k对应的透射率发生变化，即LPFG的整个透射谱发生变化。
[0102]长周期光纤光栅的光栅周期一般在100μπι以上，它基于光纤内满足相位匹配条件 的同向模式之间的谐振耦合，是将前向传输的导模与其他前向导模或前向辐射模之间耦 合，将光波中某频带的光耦合到包层中去而损耗掉，因此无后向反射。而当在光栅端面镀上 反射率高的金属膜之后，本来经过LPFG的透射光将在端面反射，形成单端反射长周期光纤 光栅探头。并且经实验验证，其同样具有温度、折射率传感特性。
[0103] 在环境折射率小于包层模折射率1.458左右时，谐振波长随着环境折射率的增加 向短波方向偏移，在靠近包层折射率时，偏移量显著变大，此时LPFG对折射率的敏感性增 加；当环境折射率增加到等于包层折射率时，此时可认为包层半径无限大，耦合峰全部消 失;而当环境折射率继续增大到高于包层折射率时，谐振波长重新在初始位置出现，且随着 折射率的继续增加，谐振峰位置几乎不变，但此时耦合强度降低，透射率增加，谐振峰深度 变浅。通过实验可知，钢筋锈蚀较严重时，锈水折射率为1.3536,仍小于包层模的折射率 1.458，即仍然处于可监测范围。
[0104] 实施例7
[0105]本实施例与实施例1类似，其中不同之处在于，光纤光栅段1的长度为4cm，光纤段2 的长度为lcm，尾端段3的长度为Icm;光纤光栅段金属膜7的厚度为50nm，尾端段金属膜8、尾 端段端面金属膜9的厚度均为700nm;水泥砂衆14封装的厚度为15mm。
[0106] 实施例8
[0107] 本实施例与实施例1类似，其中不同之处在于，光纤光栅段1的长度为6cm，光纤段2 的长度为2cm，尾端段3的长度为6cm;光纤光栅段金属膜7的厚度为IOOnm，尾端段金属膜8、 尾端段端面金属膜9的厚度均为I OOOnm;水泥砂衆14封装的厚度为30mm。
[0108] 实施例9
[0109] 本实施例与实施例1类似，其中不同之处在于，光纤光栅段1的长度为5cm，光纤段2 的长度为1.5cm，尾端段3的长度为5cm;光纤光栅段金属膜7的厚度为70nm，尾端段金属膜8、 尾端段端面金属膜9的厚度均为900nm;水泥砂衆14封装的厚度为28mm。
[0110] 以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所 示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技 术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案 相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，包括长周期光纤光栅传感（11)，其特征在于，长周 期光纤光栅传感（11)包括光纤光栅段（1)、光纤段(2)和尾端段(3)，还包括基座（12)、钢筋 (13)和水泥砂浆（14)，从左到右依次为光纤光栅段（1)、光纤段(2)和尾端段(3)，光纤光栅 段（1)的表面上设有一层光纤光栅段金属膜(7)，尾端段(3)的表面上设有一层尾端段金属 膜(8)，尾端段(3)的端面上设有一层尾端段端面金属膜(9);钢筋（13)和长周期光纤光栅传 感(11)均放置在基座(12)内，基座(12)的外部为一层水泥砂浆(14)。2. 根据权利要求1所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，其特征在于，所述的光纤光 栅段金属膜(7)、尾端段金属膜(8)和尾端段端面金属膜(9)均为钯金膜。3. 根据权利要求1所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，其特征在于，光纤光栅段 (1)由内至外依次为光纤光栅段纤芯(4)和光纤光栅段金属膜(7)。4. 根据权利要求3所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，其特征在于，尾端段(3)由 内至外依次为尾端段纤芯(6)和尾端段金属膜(8)，尾端段(3)的端面有尾端段端面金属膜 (9)〇5. 根据权利要求3所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，其特征在于，基座（12)内设 有支架(111)，长周期光纤光栅传感(11)放置在支架(111)上，两端固定在基座(12)内。6. 根据权利要求3所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，其特征在于，光纤光栅段金 属膜（7)的厚度为50-1 OOnm，尾端段金属膜（8)、尾端段端面金属膜（9)的厚度均为700-lOOOnm。7. 根据权利要求3所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，其特征在于，所述光纤光栅 段(1)的长度为4-6cm，光纤段(2)的长度为l-2cm，尾端段(3)的长度为l-6cm〇8. -种监测钢筋锈蚀状态的传感器制作工艺，其特征在于： A、 根据权利要求1所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，将长周期光纤光栅的一端 切平，形成光纤光栅段(1)和光纤段(2); B、 光纤光栅段（1)内部是光纤光栅段纤芯(4)，在光纤光栅段（1)表面镀一层光纤光栅 段金属膜(7)，长周期光纤光栅表面形成等离子体共振效应； C、 选取普通圆柱形单模光纤，在该单模光纤的端面镀一层尾端段端面金属膜(9)，以形 成高反射率镜面，在该单模光纤的表面镀一层尾端段金属膜(8)，该单模光纤为尾端段(3); D、 将光纤段(2)与尾端段(3)熔接，形成探头传感结构，构成长周期光纤光栅传感(11); E、 选取一根钢筋（13 )，将钢筋（13)放置在基座（12)内，在基底（12)内部填充酚醛树脂 (121 )，同时将钢筋混凝土孔隙液渗透到酚醛树脂(121)内； F、 基座（12)内设有支架（111)，长周期光纤光栅传感（11)放置在支架（111)上，两端固 定在基座(12)内； G、 基座（12)用水泥砂浆(14)浇筑。9. 根据权利要求8所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器制作工艺，其特征在于，长周 期光纤光栅传感(11)的两端采用环氧树脂胶进行固定。10. -种监测钢筋锈蚀状态的传感器的钢筋锈蚀监测方法，其特征在于： A、 根据权利要求1所述的一种监测钢筋锈蚀状态的传感器，将光纤光栅段1引出的传输 线缆与光纤光栅解调仪(10)连接，光纤光栅解调仪(10)的精度与光谱仪的精度对比连接； B、 光纤光栅解调仪（10)通道内部发出的光依次经过光纤光栅段（1)、光纤段(2)和尾端 段⑶； C、 光在光纤光栅段(1)上发生SPR效应，通过光纤段(2)到达探头传感端面(61); D、 光从探头传感端面(61)被反射回来，依次经过尾端段(3)、光纤段(2)和光纤光栅段 (1)，发生SPR效应，且与前向传输的光发生自干涉效应，返回到光纤光栅解调仪（10)通道 内； E、 光纤光栅解调仪(10)将光传输过程中的光谱显示出来； F、 把钢筋锈蚀的状态和光谱的谐振峰波长的偏移联系起来，从而计算出实际中钢筋锈 蚀的状态。
【文档编号】G01N17/00GK105842148SQ201610410965
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年6月3日
【发明人】王彦, 刘加萍, 孔正义
【申请人】安徽工业大学