[发明专利]一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器

说明书

本发明属于结构健康监测技术领域，公开了一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器，包括光纤传感单元，铜支座，光纤保护套。所述传感器基于法布里‑珀罗干涉仪原理，通过监测光纤传感单元阵列中不同埋设深度的光纤传感单元干涉光谱信号的变化，间接监测混凝土保护层沿深度方向的氯离子浓度以及扩散情况。该传感器能够实现对混凝土中氯离子浓度的长期、无损、实时地监测，测量精度较高，具有结构简单、体积小、强度大，灵敏度高等优点，具有广阔的应用前景，易于推广。

技术领域

本发明涉及一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器，属于结构健康监测技术领域，尤其用于海水环境下钢筋混凝土结构中氯离子浓度的监测。

背景技术

氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀是引发钢筋混凝土结构锈胀开裂的主要原因，会严重危害服役钢筋混凝土结构的安全性能。氯离子不是直接参与锈蚀物的产生，而是起到了催化剂的作用。氯离子侵入混凝土，聚集在钢筋表面，氯离子到达临界浓度后破坏钢筋的钝化膜；钝化膜被破坏裸露出的铁基体作为阳极，大面积钝化区域作为阴极，在小阳极对大阴极的腐蚀电池反应下，钢筋表面快速产生蚀坑；此外氯离子还通过强化离子通路，将阳极产物及时带走等方式加速电化学腐蚀的过程。如果能实时监测钢筋混凝土结构中的氯离子浓度，并及时诊断和修复，能极大提高其安全性，减少经济损失和人员伤亡。因此，实时监测混凝土保护层内的氯离子浓度，能够为钢筋混凝土结构耐久性评估及剩余寿命预测提供数据支持，对保证结构的耐久性和安全性有重大的实际意义。

传统的检测混凝土中氯离子浓度的方法有破坏取粉法、氯离子选择性电极法和无线传感器检测法。破坏取粉法是直接钻取混凝土不同深度的粉末，对提取到的粉末溶解和滴定分析。这种分析对被测材料的破坏性较大，操作非常复杂，往往会耗费很多人力和时间，且无法实现混凝土中氯离子扩展及浓度分布的实时监测。氯离子选择性电极法虽然能在短时间内检测出混凝土中氯离子的浓度，但是目前公开的电极法监测混凝土中氯离子扩散的传感器的长期可靠性不足，监测结果精度较低，体积较大，对混凝土结构具有一定程度的破坏。现有的用于监测混凝土中氯离子浓度的无线传感器普遍存在射频功率和射频利用率低、设备体积大、灵敏度低的问题，此外，这种无线传感器不能实现对混凝土中氯离子沿深度扩散的监测。

与传统传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、电绝缘性好、灵敏度高、质量轻、体积小、可进行远距离实时分析等诸多优点。因此，采用光纤传感器技术对混凝土中氯离子浓度监测具有显著优势。

发明内容

本发明根据现有监测技术中的问题，提出了一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器。该发明的特点是对法珀腔内的液体折射率非常敏感，通过测量法珀腔中的液体折射率可以间接监测法珀腔内氯离子浓度。这种用于监测钢筋混凝土结构中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器构造简单、制造简单，可以无损、实时监测混凝土保护层各个位置处的氯离子浓度，从而保障钢筋混凝土结构的安全性与耐久性。

本发明的技术方案：

一种用于监测混凝土中氯离子浓度的法珀腔式光纤传感器，包括光纤传感单元1、铜支座2和光纤保护套3；其中光纤传感单元1包括带孔铜管4、单模光纤6、过滤棉7和环氧树脂8；其中单模光纤6包括纤芯10、包层11和涂覆层12；其中铜支座2包括带贯通圆孔的铜座13和带阶梯凹槽的铜座14；

所述带孔铜管4上的小孔5位于其上侧端部，带孔铜管4下侧端部用环氧树脂8密封；

所述单模光纤6的端部开有法珀腔9，法珀腔9外部完全被过滤棉7包裹，法珀腔9内无过滤棉7；

所述的带孔铜管4、单模光纤6、过滤棉7和环氧树脂8构成光纤传感单元1，多个光纤传感单元1以一定的间距和不同的高度固定在铜支座2上组装成光纤传感单元阵列。