專利名稱：長周期光纖光柵的鋼筋腐蝕監測方法及其傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于結構工程領域和光纖傳感技術領域，特別涉及了基于長周期光纖光柵對鋼筋混凝土構件中鋼筋腐蝕的監測方法。
背景技術：
鋼筋混凝土是最重要的一種基本建設材料，它是結合了混凝土的高抗壓強度和鋼筋的高抗折強度的特性制成的一種復合材料。從大量工程結構的病害研究發現，當鋼筋混凝土處于有氯離子存在的環境時，鋼筋混凝土中鋼筋的腐蝕問題是最重要的耐久性問題之一。因此及早掌握混凝土結構中鋼筋的腐蝕狀況，以便及時采取預防措施防止腐蝕的進一步加劇，對延長混凝土結構的使用壽命意義重大，也是混凝土耐久性研究中的熱點。目前研究手段中較成熟的測量鋼筋腐蝕都是使用電化學的方法，如測量偏置電阻，電化學阻抗，半電位等方法，這些方法都是通過測定鋼筋混凝土腐蝕體系的電化學特性來確定混凝土中鋼筋的腐蝕程度或速度的化學檢測法等，工作量大，檢測結果容易受到外界因素影響，對難以到達的結構表面(如大跨橋梁、海港碼頭的梁板底面等)無法檢測，因此應用可靠性較差，受外界干擾大，難以直接反應鋼筋腐蝕情況。
由于混凝土中鋼筋腐蝕后體積將發生變化，因此通過測量混凝土結構中鋼筋腐蝕而發生體積膨脹的直徑變化量，就可以實時監測混凝土結構中鋼筋的腐蝕狀況。光纖光柵傳感器具有靈敏度高、動態范圍寬、不受電磁干擾、本質防爆、耐腐蝕、質量輕、體積小，易于埋入材料中構成智能材料與結構等一系列優點，而長周期光纖光柵更具有易于制作、附加損耗小、無后向反射和與偏振無關等獨特優點，并由于其對彎曲的高度敏感性，可以彌補電化學和其他腐蝕監測方法上的不足。
目前也有采用長周期光纖光柵監測鋼筋腐蝕程度的，但主要是利用長周期光纖光柵對折射率的高度敏感性而對腐蝕環境參數的監測，而環境監測對于鋼筋腐蝕狀態的判斷來說，實際是一種間接的測試方法，其缺陷在于引起鋼筋腐蝕的環境參數很多，如鋼筋表面濕度，O2、CO2、Cl-濃度及pH值等，這些因素相互影響，和鋼筋腐蝕不能建立單一的數學關系，因此必須綜合監測這些參數的變化，建立專家系統，才能比較合理地判斷鋼筋銹蝕情況，這種方法屬于間接監測鋼筋腐蝕，并不能準確地判斷鋼筋的腐蝕狀態。另外，也有利用布拉格光柵對應變的高度敏感性而對鋼筋腐蝕進行監測的方法，但是這一方法的缺點在于布拉格光纖光柵對溫度的敏感特性使得其在監測過程中不可避免的存在溫度和應變的交叉傳感，因此在監測過程中必須進行溫度補償，并且傳感器制作過程中需要將光柵用膠粘貼于鋼筋棒上，這對于光柵的壽命也是不利的。目前為止，還沒有人提出利用長周期光纖光柵的彎曲特性實現鋼筋混凝土構件中的鋼筋腐蝕監測。
發明內容
本發明的目的在于針對現行監測方法中的不足，提供一種鋼筋混凝土構件中鋼筋腐蝕的監測方法，并且此方法在光柵段無需用膠，同時避免了環境因素溫度、折射率的交叉影響，在不損傷混凝土表面的前提下，能準確、無損地監測出實際工作環境下鋼筋的腐蝕狀態。
一種基于長周期光纖光柵對鋼筋混凝土構件中鋼筋腐蝕監測方法，其特征在于包括以下步驟(a)、傳感器制作選取與工程所用鋼筋材質相同的一根鋼筋棒，將其放入基座中，用滲透性好的彈性物填充鋼筋棒周圍與基座之間，長周期光纖光柵外套保護軟管，垂直且平放于鋼筋表面，兩端搭在基座兩端，一端的保護軟管用環氧樹脂膠與基座粘貼，并且此端光纖也用環氧樹脂膠與保護軟管粘貼，光纖兩端從基座穿出并保證光柵處于水平拉直狀態，再用上述填充物填充光纖光柵上端，蓋緊封殼，基座與封殼預先打上小孔，于是傳感器制作完成；(b)、傳感器就位將傳感器固定在混凝土構件中，并保證鋼筋傳感器表面水平，然后澆注混凝土；(c)、傳感器標定將刻蝕光柵的光纖一端與寬帶光源相連，另一端與光譜儀相連，對傳感器進行定期監測，觀察光柵透射譜漂移情況，即諧振波長處的透射率大小，由此可判斷光柵的彎曲程度，從而推斷鋼筋的直徑變化量，進而獲得鋼筋腐蝕程度與速率，其中主要公式為ΔD＝KL·(PL2-PL1)，其中ΔD為鋼筋的直徑變化量，PL1為長周期光纖光柵在初始狀態下諧振波長的透射率值，PL2為監測過程中測得的長周期光纖光柵諧振波長處的透射率值，KL為鋼筋腐蝕敏感系數；KL的標定方法為在制作此傳感器的同時，另外再做N組與傳感器條件完全相同的試塊，保證鋼筋棒長度相同，澆注的水泥砂漿等級厚度相同，但在這N組試塊中不放置光柵、光纖，在定期監測光柵透射譜漂移的同時，每次在這N組中取1組破損直接檢測鋼筋棒的腐蝕量，這些鋼筋棒的腐蝕可替代傳感器中鋼筋棒的腐蝕狀態，由此通過N組測量，可得到N組不同腐蝕狀態下對應的光柵透射譜測量數據，以此再線性回歸可標定出KL值，N取值為8-10。
一種基于長周期光纖光柵對鋼筋混凝土構件中鋼筋腐蝕傳感器，其特征在于由基座和封殼組成的殼體，置于殼體中的鋼筋棒，垂直且水平置于鋼筋棒表面的外套保護軟管的長周期光纖光柵，填充于鋼筋棒及長周期光纖光柵與基座之間的填充物組成，其中殼體還設有滲透孔，長周期光纖光柵兩端連接光纖從基座穿出并保持水平拉直狀態。
下面論述長周期光纖光柵(Long-period-fiber grating，LPFG)傳感原理。長周期光纖光柵的光柵周期一般在100μm以上，它基于光纖內滿足相位匹配條件的同向模式之間的諧振耦合，是將前向傳輸的導模與其他前向導模或前向輻射模之間耦合，將光波中某頻帶的光耦合到包層中去而損耗掉，因此無后向反射。
長周期光纖光柵的諧振波長滿足表達式
λL=(neffco-neffcl,m)·Λ---(1)]]>其中λL為諧振波長，neffco，neffcl，m分別為光纖纖芯有效折射率和m次包層模式的有效折射率。
當在光纖內引入某種微擾時，會引起不同傳播模式間的耦合。當LPFG彎曲時，光纖變成了彎曲波導，同時LPFG中每一個被調制折射率的橫截面發生傾斜(相對于第一個周期中被調制的折射率橫截面而言)，因此彎曲的LPFG可以等效為直的傾斜光纖光柵。當彎曲度變大(曲率半徑減小)時，纖芯與包層模式之間的耦合系數降低，諧振峰的幅值減小。從對LPFG的彎曲特性研究來看，當LPFG發生彎曲時，其透射譜將隨著彎曲度的增加而發生右移，并且諧振波長處的透射率也將增大，即整個譜形右移且譜形變淺。通過研究諧振波長處的透射率與彎曲度的關系發現，LPFG諧振波長處的透射率與光柵彎曲度成線性變化。因此，可利用這一特性通過觀察LPFG的透射譜獲知其彎曲情況，從而判斷混凝土結構內的鋼筋棒腐蝕造成的直徑變化量。
由于長周期光纖光柵對溫度、應變、彎曲等環境因素均非常敏感，因此，傳感器的制作也必須考慮到這些環境因素的交叉影響。但是，利用LPFG的彎曲特性進行混凝土鋼筋腐蝕程度監測的優勢也正在于此。
由于溫度的變化，會造成長周期光纖光柵的波長漂移，溫度升高，諧振波長右移；溫度降低，諧振波長左移。但是，溫度造成的LPFG透射譜的漂移并不影響透射譜的譜形，即溫度的變化不影響諧振波長處的透射率值。同樣的，對于應變也是如此，應變的變化不影響諧振波長處的透射率值而只改變諧振波長的位置。因此，采用觀察LPFG透射譜的諧振波長處的透射率值，可以避免環境因素溫度、應變造成的影響，當發現諧振波長處的透射率發生變化時，即是光柵發生了彎曲，而此彎曲則是由鋼筋棒體積增大、直徑增加引起的。
LPFG的諧振波長處的透射率與彎曲度的關系成線性，有ΔC=PL2-PL1Kc---(2)]]>其中PL1為長周期光纖光柵在初始狀態下諧振波長的透射率值，PL2為監測過程中測得的長周期光纖光柵諧振波長處的透射率值，ΔC為鋼筋膨脹導致的光柵彎曲度變化量，Kc為光柵彎曲時諧振波長處的透射率與彎曲度的比例系數。
而光柵彎曲度變化量與鋼筋膨脹的直徑變化量關系為ΔC=2·ΔD(a/2)2+(ΔD)2---(3)]]>其中ΔD為鋼筋的直徑變化量，a為基座上部兩端之間的距離。
由上述兩式可理論計算出ΔD＝KL·(PL2-PL1)中KL鋼筋腐蝕敏感系數，其與Kc、a有關，實際過程中，還需要再通過實驗進行標定，標定方法如上所述。
本發明可以通過在結構的不同部位(如橋梁柱的深水區、濺浪區、干燥區)分別布置檢測傳感器，在每個區域同時布置多個點，并通過定期對傳感器進行數據采集，可以準確地確定鋼筋腐蝕程度及速率。其準確性包含兩重含義一為鋼筋腐蝕程度及速率確實是在實際檢測環境下的鋼筋腐蝕程度及速率，二為鋼筋腐蝕程度及速率的判斷方法是準確的、可行的。由于本發明是直接針對腐蝕發生的載體——鋼筋進行測量，測量的對象是事先埋至于混凝土內部不同的鋼筋(現場取樣得到)，通過特定的檢測手段，對被測鋼筋的腐蝕狀態進行判斷，近而得到鋼筋腐蝕程度及速率，這種方法可以保證準確性的第一重含義。而由于在傳感器基座與封殼有許多小孔，且包裹被測鋼筋棒水泥砂漿與現場混凝土是同一標號的，可以保證傳感器內部腐蝕環境與現場混凝土內部的腐蝕環境相同，另外，所監測的是光柵透射譜諧振波長處的透射率變化，又與溫度、應變等因素無關，而同時，由于光柵外套保護軟管，與環境因素中的折射率變化隔絕，也避免了折射率的影響，因此這種方法也可以保證準確性的第二重含義。本發明檢測傳感器結構簡單，加工方便，在光柵段無需用膠，保證了光柵的使用壽命，采用的鋼筋就地取材，或選取與工程所用鋼筋材質相同的鋼筋，測試環境與實際構件環境相同，測量簡單且直觀、準確，很容易判斷鋼筋的腐蝕狀態，可以在不損傷混凝土表面的前提下，準確方便地確定鋼筋腐蝕程度及速率。
圖1為本發明的傳感器結構示意圖。
圖1中標號名稱1、鋼筋棒，2、長周期光纖光柵，3、連接光纖，4保護軟管，5、基座，6、環氧樹脂膠，7、封殼，8、螺絲。
具體實施例方式圖1為本發明的傳感器整體結構示意圖。它由基座5和封殼7組成的殼體，置于殼體中的鋼筋棒1，垂直且水平置于鋼筋棒1表面的外套保護軟管4的長周期光纖光柵2，填充于鋼筋棒1及長周期光纖光柵2與基座5之間的填充物組成，其中殼體還設有滲透孔，長周期光纖光柵兩端連接光纖3從基座穿出并保持水平拉直狀態。如圖所示基座5為凹槽形，鋼筋棒1用少量膠與基座5底部固定，以便鋼筋放入不易滾動；封殼7與鋼筋1之間要留有一定的空間，以便給光柵彎曲以足夠的空間；封殼7兩邊的中間留有空隙，以便外套保護軟管的光纖穿過；螺絲8在整個殼體的四角處。
以下結合圖1對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。
選取與工程所用鋼筋材質相同的一根鋼筋1，長約8cm，同時制作不銹鋼基座5，基座呈凹槽形，鋼筋棒1如圖放置，然后填充滲透性好的彈性填充物在鋼筋棒1周圍，一直填至將鋼筋棒表面和填充物水平。長周期光纖光柵2外套保護軟管4，將光柵段2平放于鋼筋表面，兩端連接光纖3搭在不銹鋼基座兩端，一端的保護軟管4用環氧樹脂膠6與不銹鋼基座5粘貼，并且此端光纖也用環氧樹脂膠6與保護軟管4粘貼做輕微固定。光纖兩端從基座5上端穿出并給光柵一點微應變以保證光柵處于水平拉直狀態，再繼續在鋼筋棒上方填充相同的滲透性好的彈性填充物，并蓋上不銹鋼封殼7，擰緊螺絲8。放入模具中后在外面澆注水泥砂漿，鋼筋腐蝕傳感器制作完畢。
在施工過程中，當在往傳感器中澆筑水泥砂漿時，注意傳感器盡量水平，同時記錄檢測部位處結構鋼筋所在位置。
澆注混凝土，養護拆模后，應整理導線，并用塑料袋將導線包好。
檢測需要的儀器為光譜儀和寬帶光源，測量時將光纖一端與寬帶光源相連，另一端與光譜儀相連，記錄下初始狀態時透射譜譜形及諧振波長對應的透射率，定期記錄測量數據，譜形開始漂移說明腐蝕開始，諧振波長對應的透射率的變化量及變化速度直接反映鋼筋腐蝕程度及速率。ΔD＝KL·(PL2-PL1)，PL1為長周期光纖光柵在初始狀態下諧振波長的透射率值，PL2為監測過程中測得的長周期光纖光柵諧振波長處的透射率值，ΔD為鋼筋棒的直徑變化量，由于鋼筋長度未變，因此可直接反映鋼筋的體積膨脹，再轉換為質量，即腐蝕量。光柵應變的速率也同樣轉換為腐蝕速率。
KL為鋼筋腐蝕敏感系數，確定方法為在制作此傳感器的同時，另外再做N組與傳感器條件完全相同的試塊，保證鋼筋棒長度相同，澆注的水泥砂漿等級厚度相同，但在這N組試塊中不放置光柵、光纖，在定期監測光柵透射譜漂移的同時，每次在這N組中取1組破損直接檢測鋼筋棒的腐蝕量，這些鋼筋棒的腐蝕可替代傳感器中鋼筋棒的腐蝕狀態，由此通過N組測量，可得到N組不同腐蝕狀態下對應的光柵透射譜測量數據，以此再線性回歸可標定出KL值，N取值為8-10。
對傳感器進行定期監測，可以發現隨著時間的推移，透射譜波形逐漸漂移、變淺。
本發明可以通過在結構的不同部位(如橋梁柱的深水區、濺浪區、干燥區)分別布置以上檢測器，而在每個區域同時布置多個點，對建筑物進行有效監護。
權利要求
1.一種長周期光纖光柵的鋼筋腐蝕監測方法，其特征在于包括以下步驟(a)、傳感器制作選取與工程所用鋼筋材質相同的一根鋼筋棒，將其放入基座中，用滲透性好的彈性物填充鋼筋棒周圍與基座之間，長周期光纖光柵外套保護軟管，垂直且平放于鋼筋表面，兩端搭在基座兩端，一端的保護軟管用環氧樹脂膠與基座粘貼，并且此端光纖也用環氧樹脂膠與保護軟管粘貼，光纖兩端從基座穿出并保證光柵處于水平拉直狀態，再用上述填充物填充光纖光柵上端，蓋緊封殼，基座與封殼預先打上小孔，于是傳感器制作完成；(b)、傳感器就位將傳感器固定在混凝土構件中，并保證鋼筋傳感器表面水平，然后澆注混凝土；(c)、傳感器標定將刻蝕光柵的光纖一端與寬帶光源相連，另一端與光譜儀相連，對傳感器進行定期監測，觀察光柵透射譜漂移情況，即諧振波長處的透射率大小，由此可判斷光柵的彎曲程度，從而推斷鋼筋的直徑變化量，進而獲得鋼筋腐蝕程度與速率，其中主要公式為ΔD＝KL·(PL2-PL1)，其中ΔD為鋼筋的直徑變化量，PL1為長周期光纖光柵在初始狀態下諧振波長的透射率值，PL2為監測過程中測得的長周期光纖光柵諧振波長處的透射率值，KL為鋼筋腐蝕敏感系數；KL的標定方法為在制作此傳感器的同時，另外再做N組與傳感器條件完全相同的試塊，保證鋼筋棒長度相同，澆注的水泥砂漿等級厚度相同，但在這N組試塊中不放置光柵、光纖，在定期監測光柵透射譜漂移的同時，每次在這N組中取1組破損直接檢測鋼筋棒的腐蝕量，這些鋼筋棒的腐蝕可替代傳感器中鋼筋棒的腐蝕狀態，由此通過N組測量，可得到N組不同腐蝕狀態下對應的光柵透射譜測量數據，以此再線性回歸可標定出KL值，N取值為8-10。
2.一種長周期光纖光柵的鋼筋腐蝕監測傳感器，其特征在于由基座(5)和封殼(7)組成的殼體，置于殼體中的鋼筋棒(1)，垂直且水平置于鋼筋棒(1)表面的外套保護軟管(4)的長周期光纖光柵(2)，填充于鋼筋棒(1)及長周期光纖光柵(2)與基座(5)之間的填充物組成，其中殼體還設有滲透孔，長周期光纖光柵兩端連接光纖(3)從基座穿出并保持水平拉直狀態。
3.根據權力要求2所述的長周期光纖光柵的鋼筋腐蝕監測傳感器，其特征在于基座(5)為凹槽形。
4.根據權力要求2所述的長周期光纖光柵的鋼筋腐蝕監測傳感器，其特征在于殼體為不銹鋼材料。
全文摘要
本發明涉及長周期光纖光柵的鋼筋腐蝕監測方法及其傳感器，屬于結構工程領域和光纖傳感技術領域。本發明是利用貼著鋼筋的位置平直地放置一根長周期光纖光柵，定期由光譜儀觀察長周期光纖光柵的透射譜變化，以此判斷光柵是否發生了彎曲，并推斷鋼筋腐蝕的程度與速率。本發明通過對埋入的長周期光纖光柵的透射譜監測，可以實現在不損傷混凝土表面的前提下，對任何環境下鋼筋混凝土構件中的鋼筋腐蝕情況進行長期監測，準確確定引起鋼筋腐蝕的程度及速率，應用于結構工程領域中鋼筋混凝土結構的耐久性檢測和評估。
文檔編號G06F19/00GK101042328SQ200710021728
公開日2007年9月26日 申請日期2007年4月26日 優先權日2007年4月26日
發明者梁大開, 王彥, 周兵, 曾捷, 蘆吉云 申請人:南京航空航天大學