[发明专利]一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器

说明书

本发明提供了一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，属于结构健康监测技术领域。所述传感器包括柔性薄膜；单模光纤：纤芯、包层、涂覆层；铁薄膜。该装置基于侧面抛光光纤对外界环境折射率的高度敏感性和具有与碳钢主要成分相似的铁薄膜，实现对钢结构涂层老化脱落状态的无损、在线实时、定量监测，较为准确地判定钢结构是否被腐蚀及腐蚀程度，从而保障重大重要结构物的安全。本发明结构简单、设计合理、适用性强，灵敏度高，可靠性强，具有广阔的应用前景和推广市场。

技术领域

本发明涉及一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，属于结构健康监测技术领域。

背景技术

钢材因其塑性韧性好、强度高、抗震性能好、制作方便等优点而在土木工程领域中得到广泛应用，是当今世界应用最多的土木工程材料之一。钢结构的防腐和防火处理是钢结构设计和施工工作中的关键环节，钢结构涂层是延长钢结构使用寿命的有效方法。因此，有必要对钢结构涂层老化脱落进行监测，掌握钢结构涂层状态，为钢结构腐蚀程度评估、耐久性评定、剩余寿命预测提供重要依据。

目前，涂层脱落监测有目视法、叉指电极法、电阻探针法、电化学阻抗谱法等。然而上述监测方法或多或少存在一些问题：目视法耗费人力且不能实时监测；叉指电极传感器主要用作金属涂层状态监测，对有机涂层监测有所不足；电阻传感器不能监测涂层降解早期阶段且受温度波动影响；电化学阻抗谱法主要限于实验室使用。

近年来，由于光纤小巧轻便、抗电磁干扰、可以进行网络化等优点，一些基于光纤传感技术的传感器也应用于腐蚀监测领域。与普通光纤传感技术相比，侧面抛光光纤传感器对外界环境折射率具有高度敏感性，更好地适用于钢结构涂层脱落监测，且对金属涂层和有机涂层均适用。

因此，针对刚结构涂层脱落状况的监测，基于侧面抛光光纤对外界环境折射率的高度敏感性，提供一种对涂层脱落状态高度灵敏、准确可靠的侧面抛光光纤传感器是十分有必要的，从而为评估钢结构涂层的性能提供重要依据。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种用于钢结构涂层老化脱落的光纤传感器，其目的是实现对钢结构涂层老化脱落状态的无损、在线实时、定量监测，准确地提示修复涂层的时间，从而降低钢结构涂层老化脱落导致钢结构腐蚀情况的发生，保障重大重要工程结构的安全。

本发明采用如下技术方案：

一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，包括柔性薄片1、单模光纤2和铁薄膜3；其中单模光纤2包括纤芯4、包层5和涂覆层6；

柔性薄片1中间部位沿宽度方向被打磨出一个长方体的凹槽；

单模光纤2被在柔性薄片1的长度范围内被其完全包裹；

单模光纤2在柔性薄片1的凹槽位置处的一侧被打磨掉部分包层5，该区域为抛光区域，抛光区域被铁薄膜3覆盖，非抛光区域被柔性薄片1包裹。

所述柔性薄片1的尺寸根据被监测对象和使用寿命的要求进行调整；

所述单模光纤2的长度根据被监测对象和传感器敏感度的要求进行调整；

所述单模光纤2的打磨程度根据被监测对象和传感器灵敏度的要求进行调整；

所述单模光纤2的抛光区域的铁薄膜.3厚度根据传感器敏感度要求进行调整。

本发明工作原理：

侧面抛光光纤传感器原理如图5。在常规单模光纤中，倏逝波的振幅以指数衰减，相互作用的光场和声场几乎完全限制在纤维材料内，因此布里渊频移(BFS)不受环境折射率的影响。然而，在去除包层之后，倏逝波增大，光场能够通过其倏逝场与外部介质相互作用。在这种情况下，外部介质的折射率会影响有效折射率n_eff，从而通过式(1)影响布里渊频移。