光纖傳感器讓腐蝕無(wú)所遁形

    腐蝕無(wú)時(shí)無(wú)刻不在發(fā)生,它是自然界中普遍存在的難以避免的物質(zhì)材質(zhì)變壞的過(guò)程.然而腐蝕檢測(cè)技術(shù)往往難以在無(wú)聲無(wú)息的瞬間捕捉到腐蝕的信息,而光纖腐蝕傳感器的不斷突波和創(chuàng)新代表著先進(jìn)腐蝕檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展方向.

    金屬材料腐蝕監(jiān)測(cè)能夠?qū)Ωg過(guò)程有全面、詳細(xì)的認(rèn)識(shí).通過(guò)光纖腐蝕傳感器對(duì)腐蝕過(guò)程的測(cè)量,可以在材料受到嚴(yán)重腐蝕破壞前,對(duì)材料進(jìn)行防腐處理.性質(zhì)優(yōu)異的光纖腐蝕傳感器對(duì)腐蝕預(yù)警、預(yù)腐、防腐更有指導(dǎo)意義.目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖腐蝕傳感器的研究得到了飛速發(fā)展,并在土木工程、輸送管道和航空領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作.

    光纖腐蝕傳感新技術(shù)

光纖傳感

    光纖腐蝕傳感器是利用腐蝕檢測(cè)裝置檢測(cè)與腐蝕相關(guān)的材料結(jié)構(gòu)位移、振動(dòng)、應(yīng)力、溫度、裂縫、濕度、疲勞和化學(xué)態(tài)等參量的改變, 借助材料的體積、顏色、折射率等諸多特性的改變量,,通過(guò)測(cè)量傳輸光的反射、透射、偏振態(tài)等諸多特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)腐蝕的檢測(cè).

    近年來(lái),研究者針對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)的最新研究工作主要集中于分布式傳感技術(shù)、熒光檢測(cè)、LPFG雙折射傳感特性以及光子晶體光纖四個(gè)方面,尋找性能更好的光纖腐蝕傳感器.

    1 、分布式光纖腐蝕傳感器

    分布式光纖傳感器是利用光纖幾何上的一維特性進(jìn)行測(cè)量,獲取被測(cè)參量空間分布狀況和隨時(shí)間變化狀態(tài)的技術(shù),目前多是基于光的反射和干涉,利用光纖中的光散射隨外部環(huán)境發(fā)生的變化來(lái)進(jìn)行傳感[33].

    2011年,趙雪峰等人[34]基于分布式布里淵光學(xué)時(shí)域反射(BOTDR)開發(fā)一種用于監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋腐蝕.傳感器是在一段拋光的鋼筋表面纏繞抗折光纖,纏繞時(shí)將光纖微拉伸后并固定,使其帶有一定預(yù)應(yīng)力,把這樣做好的兩個(gè)布里淵光纖腐蝕傳感器埋入混凝土試件中,并兩個(gè)傳感段光纖熔接在同一個(gè)光纖回路中,使用布里淵分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,從而對(duì)鋼筋腐蝕進(jìn)行分布式監(jiān)測(cè).通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光纖應(yīng)變隨時(shí)間而持續(xù)增長(zhǎng),這表明腐蝕程度隨時(shí)間而增大,并且通過(guò)布里淵分析儀可以測(cè)量任意位置處任意時(shí)刻光纖應(yīng)變的數(shù)值,對(duì)腐蝕進(jìn)行實(shí)時(shí)定量評(píng)估.這種傳感器腐蝕監(jiān)測(cè)范圍更大,監(jiān)測(cè)到的鋼筋最大質(zhì)量損失率達(dá)到0.25%,對(duì)鋼筋質(zhì)量損失率的有效監(jiān)測(cè)范圍約為0.0~0.1%,分辨率約為1.1×10-5.此外,該傳感器具有良好的線性度,能夠準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕的實(shí)時(shí)情況.在考慮溫度補(bǔ)償之后,將能夠在溫度變化的環(huán)境中應(yīng)用[35].

    2 、光纖熒光腐蝕傳感器

    利用熒光技術(shù)和光纖傳感技術(shù)相結(jié)合的光纖熒光傳感器檢測(cè)是目前比較活躍的研究和開發(fā)領(lǐng)域.

    熒光光纖傳感器的工作機(jī)理是建立在光致發(fā)光這一物理現(xiàn)象上.當(dāng)某些熒光材料受到紫外光激發(fā)時(shí)會(huì)發(fā)出熒光,熒光強(qiáng)度與腐蝕引起的pH 值和離子濃度有關(guān).不同的熒光材料既可以用作酸堿指示劑來(lái)測(cè)量pH 值,又可用來(lái)測(cè)量金屬離子濃度.

    2013年,P G Venancio等人[36]基于分子印跡技術(shù)(Molecularly Imprinted Technology,MIT)設(shè)計(jì)了新型的熒光光纖傳感器監(jiān)測(cè)航空領(lǐng)域中鋁合金腐蝕.分子印跡技術(shù)是利用具有分子識(shí)別功能的分子印跡聚合物(Molecularly Imprinted Polymer,MIP)和印跡分子模擬酶-底物或抗體-抗原之間的相互作用,對(duì)印跡分子進(jìn)行專一識(shí)別的技術(shù).首先,以鋁離子為模板,制備出對(duì)鋁離子具有專一識(shí)別能力的MIP-8-羥基喹啉,然后將此MIP涂覆到光纖纖芯上,當(dāng)腐蝕進(jìn)行時(shí),通過(guò)MIP和腐蝕產(chǎn)生的鋁離子聚合形成具有熒光特性的熒光團(tuán),熒光團(tuán)在氙燈發(fā)出的光波作用下發(fā)出熒光,其光強(qiáng)度受到鋁離子濃度的影響,因此通過(guò)對(duì)熒光強(qiáng)度的測(cè)量可檢測(cè)鋁合金腐蝕.實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),該傳感器能夠有效檢測(cè)鋁離子的存在,對(duì)其他金屬離子,如:鈣離子、鈉離子、鎂離子和銅離子均無(wú)響應(yīng),而隨著鋁離子濃度的增加,熒光強(qiáng)度不斷增大,因此該傳感器能夠有效用于鋁合金腐蝕監(jiān)測(cè).

    3、 基于LPFG雙折射特性的腐蝕傳感器

    長(zhǎng)周期光纖光柵(LPFG)纖芯橫向折射率分布不均勻,使得LPFG 具有一定的原始雙折射,從而其諧振峰具有一定的偏振相關(guān)性[37].當(dāng)LPFG 受到橫向負(fù)載的作用時(shí),由于彈光效應(yīng)的存在,雙折射纖芯使得光纖的光學(xué)主軸發(fā)生一定的旋轉(zhuǎn),引起偏振光傳播常數(shù)發(fā)生變化,導(dǎo)致LPFG纖芯基模與包層模之間的耦合發(fā)生變化,從而改變諧振峰波長(zhǎng)和諧振峰幅值.2013年,劉宏月等人[38]設(shè)計(jì)了基于LPFG橫向負(fù)載特性的鋼筋腐蝕LPFG傳感器,通過(guò)測(cè)量由于待測(cè)鋼筋銹蝕后體積膨脹后引起的  LPFG諧振峰幅值的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼筋腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測(cè),進(jìn)行了腐蝕加速實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)LPFG 透射峰變化量與鋼筋腐蝕速率之間具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系.當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行第32天時(shí),鋼筋銹蝕率為6.46%,LPFG諧振峰幅值變化量達(dá)到10dB;當(dāng)腐蝕進(jìn)行到底120天時(shí),鋼筋銹蝕率為27.974%,LPFG 諧振峰幅值變化量達(dá)到20dB,此時(shí)鋼筋銹蝕非常嚴(yán)重.實(shí)驗(yàn)中,證明了橫向負(fù)載的壓力作用方向和LPFG原始光學(xué)主軸間的夾角對(duì)主軸敏感特性有密切關(guān)系,夾角越接近45°,由腐蝕引起的應(yīng)力作用而造成的光纖光學(xué)主軸旋轉(zhuǎn)靈敏度越高,因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)橫向負(fù)載對(duì)光纖的作用方向來(lái)調(diào)整該傳感器的靈敏度.

    4、 光子晶體光纖腐蝕傳感器

    自1997年,Russell等人首次利用拉制出光子晶體光纖(PCF)以來(lái),光子晶體光纖在光纖通訊和傳感方面[39]得到了廣泛的應(yīng)用.在折射率導(dǎo)光的PCF中,使沿兩個(gè)正交方向的空氣孔尺寸不同,即使孔型是橢圓而不是圓形,即可獲得高雙折射效應(yīng).

    由一束入射光分出的兩個(gè)反向傳輸?shù)墓庑盘?hào)通過(guò)具有高雙折射率效應(yīng)的PCF后將會(huì)產(chǎn)生相位延遲,兩者再次相遇發(fā)生干涉,而腐蝕引起的應(yīng)力作用于PCF時(shí),會(huì)改變PCF的高雙折射效應(yīng),使得兩束光信號(hào)之間的光程差發(fā)生變化,輸出端光譜將會(huì)發(fā)生變化,從而對(duì)應(yīng)力的測(cè)量,實(shí)現(xiàn)腐蝕檢測(cè).

    2014年,Colum McCague等人[40]提出應(yīng)用高雙折射光子晶體光纖(HiBi-PCF)傳感器監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋腐蝕情況.在鋼筋腐蝕過(guò)程中,鋼筋體積膨脹對(duì)嵌入混凝土中的HiBi-PCF產(chǎn)生應(yīng)力作用,隨著軸向應(yīng)力的不斷變化,輸出光光譜不斷變化,從而可用于監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕情況.此外,將包含有長(zhǎng)170mm 的HiBi-PCF和兩根單模光纖的傳感器安置于鋼筋混凝土中進(jìn)行腐蝕加速試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)在腐蝕進(jìn)行20天時(shí),波長(zhǎng)峰值發(fā)生約2.5nm的移動(dòng),這相當(dāng)于該光纖每毫米受到0.3125N的壓力作用[41],因此該傳感器能夠有效監(jiān)測(cè)腐蝕引起的鋼筋應(yīng)力變化情況.HiBi-PCF具有極好的溫度穩(wěn)定性[42],既可以在腐蝕傳感監(jiān)測(cè)中有效排除多個(gè)被測(cè)物理量之間的交叉敏感問(wèn)題,又可以應(yīng)用于高溫環(huán)境和低溫環(huán)境,對(duì)溫度要求低,且使得該傳感器應(yīng)用更為廣泛.

    光纖腐蝕傳感器未來(lái)發(fā)展方向

    近年來(lái),國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖腐蝕傳感器的研究得到了飛速發(fā)展,并在土木工程、輸送管道和航空領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作,研制出各種腐蝕機(jī)理和結(jié)構(gòu)的光纖腐蝕傳感器,并從理論和實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證了其可行性.

    但目前光纖腐蝕傳感器多局限于實(shí)驗(yàn)研究領(lǐng)域,離實(shí)際應(yīng)用尚有較大距離.在混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)中,對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)單點(diǎn)式傳感器較多,分布式傳感器的研究工作還處于起步階段,光纖傳感器可分布式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)并未發(fā)揮,許多問(wèn)題有待解決.將光纖腐蝕傳感器投入實(shí)際使用,這是是未來(lái)研究的最大目標(biāo).

    光纖布拉格光柵腐蝕傳感系統(tǒng)中交叉敏感問(wèn)題是限制FBG傳感器分布式測(cè)量的最大問(wèn)題.在一般非分布式FBG腐蝕傳感器中,往往結(jié)合長(zhǎng)周期光纖光柵,通過(guò)LPFG溫度不敏感性,進(jìn)行溫度補(bǔ)償. 那么在分布式FBG傳感系統(tǒng)中,利用長(zhǎng)周期光纖光柵如何解決交叉敏感問(wèn)題,這仍需進(jìn)一步的研究.

    光子晶體光纖光柵是近年來(lái)發(fā)展迅速的光子器件,因其后向反射低、插入損耗小、設(shè)計(jì)自由度大和波長(zhǎng)調(diào)諧范圍寬等優(yōu)異特性而備受關(guān)注.PCF與傳統(tǒng)光柵技術(shù)的結(jié)合,將為光纖光柵領(lǐng)域帶來(lái)深刻的變革,對(duì)光纖腐蝕傳感器的開發(fā)很有幫助.

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責(zé)任編輯：周婭

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