[發(fā)明專利]基于金屬管結(jié)構(gòu)的光纖光柵腐蝕傳感器及監(jiān)測方法

在審

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• 申請日: 2014-11-05
• 公開（公告）號: CN104406900A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 曾捷;王博;張俊;曹亮;毛超群;張鈺玨;劉蘇州
• 申請（專利權(quán)）人: 南京航空航天大學(xué)
• 主分類號: G01N17/00
• 分類號: G01N17/00
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 賀翔

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光纖傳感領(lǐng)域，特別涉及監(jiān)測航空航天結(jié)構(gòu)、橋梁、高樓建筑物金屬材料腐蝕狀況的光纖光柵傳感器。

背景技術(shù)

金屬腐蝕是個漫長的過程，尤其是接近或者超過使用壽命時檢測變的尤為困難，腐蝕探測要求的是在不破壞金屬結(jié)構(gòu)的前提下給出一些腐蝕情況的指示，從而利于預(yù)警，以便于維護(hù)，減少損失。傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測方法，如目測法、取樣發(fā)機(jī)械(力學(xué))實(shí)驗(yàn)等，存在可靠性低、破壞結(jié)構(gòu)、監(jiān)測區(qū)域小等缺點(diǎn)。而光纖光光柵傳感器具有探測靈敏度高、質(zhì)量輕、抗干擾、耐腐蝕、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測量等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，基于光纖光柵設(shè)計腐蝕傳感器可以較好地克服傳統(tǒng)方法所存在的缺點(diǎn)。通過光纖光柵的遠(yuǎn)程測量，可以安全無損實(shí)現(xiàn)腐蝕監(jiān)測。光纖光柵腐蝕傳感器的出現(xiàn)讓大型建筑物或者大型機(jī)械結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測與評估更為科學(xué)有效合理，大大保證了它們的安全性。如果監(jiān)測結(jié)果符合安全需要就不必更換，這也就直接延長了它們的使用壽命，有效減少資源的浪費(fèi)，對人員安全的保證、經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都有重大的意義。

光纖光柵腐蝕傳感器的研究近年來有了一定的進(jìn)展。趙二剛等人(一種新型的光纖光柵腐蝕傳感器，中國專利20112047161.5，(2010.10.20公開))提出了一種利用U型彈簧監(jiān)測金屬材料腐蝕的光纖光柵傳感器。在這種方法是通過U型彈簧對光柵進(jìn)行加載，從而監(jiān)測腐蝕。這種封裝工藝要求低，靈敏度較高，但其體積偏大，不易安裝，不適合于實(shí)現(xiàn)對空間較狹窄機(jī)械結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測。胡文彬等人(一種基于鍍有敏感膜的光柵金屬銹蝕的監(jiān)測方法及其傳感器，中國專利201010201763.4(2012.01.18公開))提出了一種在光柵外側(cè)鍍金屬膜的光纖光柵腐蝕傳感器，通過監(jiān)測金屬膜的腐蝕引起的光柵中心波長的變化來檢測金屬材料的腐蝕情況。這種封裝體積較小，但鍍膜加工工藝要求相對較高，且限制于柱面鍍膜厚度和均勻性要求，其測量范圍和精度受到限制，不適合長期的腐蝕監(jiān)測。

為了克服上述已有傳感器的不足，本發(fā)明提出一種基于金屬管結(jié)構(gòu)的光纖光柵腐蝕傳感器封裝和及其制備方法。這種封裝采用金屬管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)在于：不僅可以用于感受外界腐蝕環(huán)境因素對其本身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，還能夠保證處于其內(nèi)部的腐蝕監(jiān)測用光纖光柵敏感元件和溫度補(bǔ)償用光纖光柵敏感元件不會受腐蝕環(huán)境的影響。

金屬管結(jié)構(gòu)腐蝕敏感封裝的作用在于：一方面能夠?qū)⒁蚋g造成的結(jié)構(gòu)性能細(xì)微變化傳遞給傳感光纖光柵，另一方面還能夠保護(hù)傳感光柵與溫補(bǔ)光柵在監(jiān)測過程都不與腐蝕環(huán)境直接接觸。整個傳感器封裝結(jié)構(gòu)體積較小，制作工藝簡單，適合于金屬腐蝕狀況的長期監(jiān)測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種制作簡單、靈敏度高、體積細(xì)小的基于光纖光柵的金屬腐蝕傳感器。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種基于金屬管結(jié)構(gòu)的光纖光柵腐蝕傳感器，其特征在于：包括金屬管、刻有腐蝕傳感光柵和溫度補(bǔ)償光柵的光纖；其中溫度補(bǔ)償光柵位于光纖的第二端；其中腐蝕傳感光柵通過兩端預(yù)緊方式封裝于金屬管內(nèi)，光纖的第一端伸出金屬管第一端作為與解調(diào)儀的連接端；光纖的第二端伸出金屬管第一端后又從金屬管第一端折回進(jìn)入金屬管，即使得溫度補(bǔ)償光柵通過一端固定另一端自由方式封裝于金屬管內(nèi)。

所述的基于金屬管結(jié)構(gòu)的光纖光柵腐蝕傳感器，其特征在于：所述的金屬管兩端具有切口凹槽結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)擴(kuò)展環(huán)氧樹脂接觸面積，增強(qiáng)膠接點(diǎn)的粘接性。

上述光纖光柵腐蝕傳感器封裝采用金屬管結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)在于：不僅可以用于感受外界腐蝕環(huán)境因素對其本身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響，還能夠保證處于其內(nèi)部的腐蝕監(jiān)測用光纖光柵敏感元件和溫度補(bǔ)償用光纖光柵敏感元件不會受腐蝕環(huán)境的影響。

上述基于金屬管結(jié)構(gòu)的光纖光柵腐蝕傳感器封裝特點(diǎn)在于：為獲得準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償信息，將溫度補(bǔ)償光纖光柵一起封裝于金屬管內(nèi)部。與腐蝕傳感光纖光柵不同，溫度補(bǔ)償光纖光柵不施加預(yù)應(yīng)力，并且保持一端呈自由狀態(tài)，以避免溫度應(yīng)變交叉敏感問題。

上述基于金屬管結(jié)構(gòu)的光纖光柵腐蝕傳感器封裝，其特征在于：腐蝕傳感光纖光柵兩端與金屬管兩端膠接時，用于膠接的環(huán)氧樹脂外部涂覆硅橡膠，以保護(hù)粘接點(diǎn)不受外界腐蝕環(huán)境的影響而松動。

上述光纖光柵金屬腐蝕傳感器監(jiān)測方法包括以下特征：

監(jiān)測腐蝕時將溫度補(bǔ)償光纖光柵和腐蝕傳感光纖光柵同時放于腐蝕環(huán)境中，光纖光柵與波長解調(diào)儀相連接。隨著腐蝕程度加深，金屬管管壁逐漸變薄，導(dǎo)致腐蝕傳感光柵中心波長λ_A逐漸減小。影響金屬管厚度變化的參數(shù)包括：