[發明專利]基于光波導模式選擇性傳輸的金屬腐蝕監測系統及方法

在審

• 申請號: 201610294635.6
• 申請日: 2016-05-06
• 公開（公告）號: CN105784581A
• 公開（公告）日: 2016-07-20
• 發明（設計）人: 胡文彬;朱誠;陳偉
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: G01N17/00
• 分類號: G01N17/00;G01N21/21
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 王丹

技術領域

本發明屬于光學傳感領域，具體涉及一種基于光波導模式選擇性傳輸的金屬腐蝕監測系統及方法。

背景技術

金屬腐蝕會顯著降低金屬材料的強度、塑性、韌性等力學性能，破壞金屬構件的幾何形狀，增加轉動件間的磨損，惡化電學和光學等性能，縮短設備的使用壽命，甚至造成火災、爆炸等災難性事故。據工業發達國家的統計，每年由于金屬腐蝕造成的鋼鐵損失約占當年鋼產量的10％～20％。雖然金屬腐蝕可以有效控制，但是并不能完全避免，所以腐蝕監測非常重要。傳統的腐蝕監測方法，如目測法、電化學法、取樣法、力學測試法等，但都存在不同程度的局限性。

光電子信息腐蝕傳感器是光電子信息傳感技術與腐蝕監測相結合的產物。由于具有體積小、重量輕、探測靈敏度高、抗電磁干擾、可以進行遠距離探測等諸多優點，近年來，光電子信息傳感器越來越多地應用于金屬腐蝕傳感監測研究領域，特別是相對于傳統方法難于到達的腐蝕環境，光電子信息腐蝕傳感器顯示出了其優越性，典型的例子是用光纖傳感器對飛機上金屬部件和混凝土中鋼筋的腐蝕進行傳感監測。

目前，現有光電子信息金屬腐蝕傳感器有很多種，大體可分為兩類：一是光纖光柵型傳感器；二是光波導型傳感器。其中，光纖布拉格光柵型傳感器又可分為裸光柵型和敏感膜型。

大連理工大學發明的一種將光纖光柵拉伸纏繞在鋼筋表面的銹蝕傳感器（專利申請號：CN201320299845.6），以及中國科學院上海光學精密機械研究所公開的一種將光纖光柵封裝在待測金屬材料制備的彈簧中的銹蝕傳感器（專利申請號：CN200510024173.8）是典型的裸光柵型金屬腐蝕傳感器。該類傳感器監測的原理是利用待測金屬腐蝕產生的膨脹應力引起光柵柵距變化，導致中心波長漂移，實現對待測金屬腐蝕監測。

武漢理工大學提出了一種鍍有敏感膜的光纖光柵銹蝕傳感器（專利申請號：CN201010201763.4）。在光纖光柵表面制備一層金屬敏感膜，敏感膜銹蝕膨脹使光纖光柵受力，中心波長漂移。

以上金屬腐蝕傳感器都是直接或間接利用了光纖光柵的應變傳感機理，完成對腐蝕的監測。

中國船舶重工集團公司第七二五研究所提出了一種光波導型光纖傳感器（專利申請號：CN200410035475.0）。該傳感器是在刻蝕的光纖表面磁控濺射一層導電金屬層，再在該金屬層表面電鍍金屬腐蝕敏感膜而成。通過監測傳感器輸出光功率衰減的變化來判斷被測金屬的腐蝕程度。該傳感器具有環境適應性好，可實現非接觸、非破壞性測量，實現高密度檢測，高速度傳輸，而且使用簡便等特點。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：提供一種基于光波導模式選擇性傳輸的金屬腐蝕監測系統及方法，充分利用光波導模式選擇器對傳輸光偏振模選擇性衰減的原理，通過監測消光比的變化，來判斷金屬的腐蝕程度。

本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為：一種基于光波導模式選擇性傳輸的金屬腐蝕監測系統，其特征在于：它包括依次光路連接的光源、偏振控制器、光波導模式選擇器和偏振態測試儀；其中光源發出的光經偏振控制器轉換為圓偏振光，經過在腐蝕環境中的光波導模式選擇器后輸出，由偏振態測試儀監測輸出光的消光比隨腐蝕時間的變化；

所述的光波導模式選擇器包括傳輸層，傳輸層的一側設有金屬腐蝕敏感膜，傳輸層的另一側設有折射率更小的包層，金屬腐蝕敏感膜的材質與被測金屬相同。

按上述系統，所述的金屬腐蝕敏感膜的膜厚為10-200nm。

按上述系統，所述的光路連接為光纖連接。

按上述系統，所述的傳輸層為光纖的纖芯，所述的包層為光纖的包層。

一種基于光波導模式選擇性傳輸的金屬腐蝕監測方法，其特征在于：將被測金屬和光波導模式選擇器同步置于腐蝕環境，光波導模式選擇器的一端輸入圓偏振光，監測從光波導模式選擇器的另一端輸出的光的消光比隨腐蝕時間的變化；

所述的光波導模式選擇器包括傳輸層，傳輸層的一側設有金屬腐蝕敏感膜，傳輸層的另一側設有折射率更小的包層，金屬腐蝕敏感膜的材質與被測金屬相同。

上述基于光波導模式選擇性傳輸的金屬腐蝕監測系統中光波導模式選擇器的制備方法，其特征在于：它包括以下步驟：

S1、去除光纖中纖芯一側的包層，形成一個纖芯中傳輸光的漸逝波場的泄漏窗口；

S2、在泄漏窗口濺射金屬腐蝕敏感膜，金屬腐蝕敏感膜的材質與被測金屬相同，金屬腐蝕敏感膜的厚度為10-200nm。

按上述制備方法，所述的S2通過直接在泄漏窗口沉積的方式濺射金屬腐蝕敏感膜。