光纤光栅锈蚀传感器在不同湿度下的特性研究.pdfVIP

第40卷第5期 光子学报 V01．40No．5 2011年5月 ACTAPH()TONICASINICA Mav2011 文章编号：1004—4213(2011)05-0690-4 光纤光栅锈蚀传感器在不同湿度下的特性研究 蔡汉莉8，胡文彬8，张艳晓8，丁莉芸8，陈伟6 (武汉理工大学a．光纤传感技术国家工程实验室．b．材料科学与工程学院，武汉430070) 摘 要：钢结构的锈蚀监测对于钢结构安全的早期预警非常重要．本文提出了一种制备布喇格光纤 光栅锈蚀传感器的方法，并研究了该传感器在不同湿度环境下的传感规律．结合磁控溅射和电镀的 方法在光栅侧表面制备了Fe-C合金传感膜；利用扫描电子显微镜观察其侧表面形貌；检测在相对 湿度60％和99％下中心波长的变化，进而分析该光纤光栅探头在不同湿度下的传感规律．实验和 数据分析结果表明：在相对湿度为60％时，锈蚀进程缓慢，随着时间的推移波长呈线性化增加；相 对湿度达到99％时步．栅光谱出现多峰现象．据此得出：一定湿度条件下，该传感器可监测锈蚀进 展；当环境湿度较高．达到99％)时，该传感器可用于锈蚀出现的早期预警． 关键词：光纤光栅；锈蚀传感器；湿度条件；波长调制 中图分类号：TN253 文献标识码：A 0 引言 器在不同湿度环境下的传感规律． 1 实验原理 钢筋混凝土是一种重要的基本建设材料，它广 泛应用于结构工程、桥梁、港口、铁路、水利等基本建 I．1光纤光栅的传感机理 设工程．其中．水下混凝土构件由于长期处于潮湿的 光纤光栅反射的中心波长即布喇格波长，由光 环境下，钢筋容易发生锈蚀从而过早出现剥蚀、损 栅的条纹周期和有效折射率决定．满足 坏，严重影响混凝土的耐久性．因此，掌握混凝土结 ,IB=2n。ff以 构中钢筋的锈蚀状况，以便及时采取预防措施，对延 式中neff是光芯的有效折射率，A为光栅栅距，所有 长混凝土结构的使用寿命非常有意义． 引起光栅布喇格波长漂移的外界因素都能使用光纤 传统的锈蚀监测方法包括目测法、机械试验、钻 光栅进行检测． 孑L取样法L1]，以及电化学方法．由于混凝土结构内部 1．2光纤光栅锈蚀传感器的原理 钢筋所处环境特殊，使传统腐蚀监测方法的应用存 钢铁在潮湿空气里，表面凶吸附作用会覆盖一 在较大局限性【2]．光纤传感器以其抗电磁干扰、防爆 层极薄的水膜，水微弱电离产生少量H+和()H一， 绝缘、体积小等特点[3]，日益受到重视．Chirstopher空气中还溶解少量C0：．若表面形成的电解质膜呈 K．Y．Leung[“、S．A．Wade[5]、董飒英[63等都对光纤弱酸性或中性时，则发生如下吸氧腐蚀． 锈蚀传感器做了大量研究．光纤的输出光能量或偏 阳极 2Fe一2Fe2十+4e一 (1) (2) 振态与该点局部T况条件有依赖关系，从理论上可 阴极 2H2()+()2+4e一4()H一 以弥补一些传统监测方法所存在的缺点，但目前为 阴阳极反应生成的离子进一步发生反应 (3) 止，只能定性判断腐蚀情况． 2Fe2+-t-40H一一2Fe(OH)2 与普通光纤传感技术相比，光纤光栅传感技术 4 (4) 具有波长调制、分辨率高、可进行分布式测量、易于 阳极生