引言

    近幾年，由于海軍由近海防御向遠(yuǎn)海防衛(wèi)的戰(zhàn)略調(diào)整，海外島礁保障基地的建立，新型戰(zhàn)艦常態(tài)化巡航等一系列的軍事行動(dòng)都在悄然地進(jìn)行，然而在這些軍事行動(dòng)的背后都面臨著一個(gè)重要的挑戰(zhàn)，就是裝備的金屬腐蝕化。

    在海洋環(huán)境中，由于高溫、高濕、高鹽霧等惡劣環(huán)境，幾乎所有的海軍裝備設(shè)施都面臨著非常嚴(yán)重的腐蝕問題。南海島礁建設(shè)中配備的武器裝備，上島安裝調(diào)試好之后往往少則幾周，多則幾個(gè)月就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的銹斑，脫皮等等，這些極大地影響了裝備的使用性能，嚴(yán)重的腐蝕還會(huì)直接導(dǎo)致裝備的提前退役，這將會(huì)給國(guó)家造成高達(dá)數(shù)千億美元的經(jīng)濟(jì)損失。

    金屬材料的腐蝕只能在發(fā)現(xiàn)之后進(jìn)行有效地抑制但是無法根本性徹底地進(jìn)行消除，因此針對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境中腐蝕的防控，以發(fā)現(xiàn)、監(jiān)測(cè)腐蝕（尤其是早期腐蝕）為目的腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)就顯得至關(guān)重要，特別是對(duì)不易察覺的隱蔽地方或者檢修人員不容易觀察到的地方。早期腐蝕監(jiān)測(cè)的重要性表現(xiàn)在兩方面：一方面，裝備定期的拆裝檢查不僅消耗大量的人力、物力，而且可能會(huì)影響整體性能，造成不必要的損失。另一方面，當(dāng)用肉眼可以觀察到腐蝕效果時(shí)，其腐蝕厚度已經(jīng)達(dá)到金屬原始厚度的10%，此時(shí)就需要花費(fèi)大量的人力和財(cái)力進(jìn)行修復(fù)。金屬材料的腐蝕是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程，周圍的環(huán)境條件，比如pH 值、溫度、溶液離子濃度、材料所受應(yīng)力、張力等等，甚至腐蝕之后的初級(jí)產(chǎn)物反過來又會(huì)左右腐蝕的過程。以前的常規(guī)腐蝕監(jiān)測(cè)方法，比如表觀檢查、掛片法、電阻法等基本都是單一指標(biāo)的檢測(cè)，準(zhǔn)確度并不高，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。光纖腐蝕傳感器是近年來光纖傳感技術(shù)與腐蝕監(jiān)檢測(cè)相結(jié)合的傳感器，該傳感器充分利用光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)，用來收集、傳送腐蝕信息到便攜端進(jìn)行分析。它可以監(jiān)測(cè)氯離子濃度、溶液的pH 值、環(huán)境濕度和溫度等等這些與腐蝕相關(guān)的大量參數(shù)，便于直接分析，因此與單指標(biāo)的檢測(cè)技術(shù)相比具有靈敏度好，準(zhǔn)確性高等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于光纖腐蝕傳感器的載體是傳輸光信號(hào)，因此具有穩(wěn)定、安全可靠、抗電磁干擾的特性，特別適合在惡劣環(huán)境下使用，不僅可以放置在不易察覺的關(guān)鍵部位，而且能安全可靠地將腐蝕信息傳遞到便攜端口，達(dá)到在線無損、時(shí)刻監(jiān)控的監(jiān)測(cè)效果。綜上所述，作為一種新型的早期腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，光纖腐蝕傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)了腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，這對(duì)處于惡劣海洋環(huán)境中的軍事裝備金屬腐蝕監(jiān)測(cè)具有非常重要的意義和研究前景。

    1 工作原理和優(yōu)越性

    1.1 光纖腐蝕傳感器的工作原理

    光纖傳感技術(shù)是20 世紀(jì)70 年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的一種新型傳感技術(shù)。基于被測(cè)量信號(hào)載體的光波和傳播媒質(zhì)的光纖，該傳感技術(shù)具有一系列獨(dú)特的、其他傳感技術(shù)難以相比的優(yōu)點(diǎn)。該傳感技術(shù)的工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，由于待測(cè)參數(shù)的影響，使進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，然后再經(jīng)過光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)的信息。

    光纖腐蝕傳感器一般由光源、傳輸光纖、傳感頭、光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理四部分組成。如圖1 所示，光源發(fā)射入射光波，由輸入光纖將其傳送至傳感頭，傳感頭感測(cè)外界參量的變化，并將攜帶外界參量信息的光波再經(jīng)輸出光纖送至光電轉(zhuǎn)換電路及信號(hào)處理端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析，獲取外界物理量的信息。

    1.2 光纖腐蝕傳感器的優(yōu)越性

    由最開始常規(guī)的腐蝕檢測(cè)方法到后來的電化學(xué)腐蝕檢測(cè)方法再到光纖腐蝕傳感器或探針的研究，腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，相關(guān)的研究和應(yīng)用方面的報(bào)道也日益增加。傳統(tǒng)的腐蝕檢測(cè)方法和電化學(xué)腐蝕檢測(cè)方法或多或少都存在一定的局限性，比如像電阻率、雜散電流這些測(cè)量方法可能會(huì)由于儀器和操作者的不穩(wěn)定性而很難實(shí)現(xiàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)測(cè)量誤差；另外由于軍事裝備一般都是大型的金屬設(shè)備，對(duì)于位置或結(jié)構(gòu)上的腐蝕損傷，不可能也不適合將整個(gè)樣品帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析檢測(cè)。

    光纖腐蝕傳感器是光纖傳感技術(shù)和腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的一種產(chǎn)物。基于光纖具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，又可埋置于任何部位，進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)監(jiān)控，因此可實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)監(jiān)控、快速高效、方式靈活。這些優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)其他腐蝕監(jiān)檢測(cè)方法的缺陷，從而滿足人們對(duì)一些惡劣環(huán)境中的設(shè)備腐蝕監(jiān)檢測(cè)的需要，如大氣中、海水中等一些特殊的環(huán)境。光纖腐蝕傳感器解決了許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被人們廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如建筑、航空航天、能源、船舶、飛機(jī)、軍事裝備等眾多領(lǐng)域。

    2 光纖腐蝕傳感器的分類

    隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家也不斷深入研究監(jiān)測(cè)金屬腐蝕狀況的光纖傳感器，出現(xiàn)很多種類的光纖金屬腐蝕傳感器。現(xiàn)如今比較常用的三種光纖金屬腐蝕傳感器類型如下：基于光纖光柵的金屬腐蝕傳感器、基于探測(cè)透射光強(qiáng)的金屬包層光纖腐蝕傳感器、基于熒光光譜的金屬腐蝕傳感器。

    2.1 光纖光柵腐蝕傳感器

    光纖光柵傳感器（Fiber Bragg Grating Sensor）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過程是通過外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長(zhǎng)的調(diào)制來獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。其工作原理是以測(cè)量反射光的中心波長(zhǎng)作為表征，溫度或者應(yīng)變等外界物理量的變化與所導(dǎo)致的柵距變化呈線性，那么光柵反射波長(zhǎng)也隨柵距變化而線性變化，由于不受光源功率波動(dòng)、光纖微彎效應(yīng)及耦合損耗等因素的影響，因此其靈敏度較高。

    光纖光柵傳感器具有不受電磁干擾、信號(hào)帶寬大、靈敏度高，適于在高溫、腐蝕性的危險(xiǎn)環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)。它能測(cè)量很多物理量如：加速度、位移、溫度、彎曲、壓力、電磁場(chǎng)及某些化學(xué)量。為使光纖光柵的應(yīng)變狀態(tài)能夠完全代表被測(cè)金屬的腐蝕狀態(tài)，需要在光纖表面涂覆理想的金屬膜層。光柵的應(yīng)變發(fā)生變化，引起其柵距發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其反射光譜中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波或短波方向偏移，因而可以用來指示腐蝕發(fā)生的程度。

    2.2 探測(cè)透射光強(qiáng)型的腐蝕傳感器

    探測(cè)透射光強(qiáng)度的腐蝕傳感器的主要原理是將金屬薄膜沉積在光纖纖芯上，一旦金屬薄膜被腐蝕則會(huì)變薄并漸漸消失，此時(shí)光纖纖芯就會(huì)暴露在空氣、水或腐蝕產(chǎn)物的環(huán)境中，而這些介質(zhì)的折射率低于纖芯，此時(shí)光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)就會(huì)發(fā)生光的全反射，透射光減弱，輸出光的強(qiáng)度將會(huì)增加，因此通過比較輸出光的光強(qiáng)與腐蝕程度的關(guān)系即可判斷腐蝕的發(fā)生。

    通常使用比較頻繁的是監(jiān)測(cè)鋁合金和Fe-C 合金。與其他金屬材料相比，鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、易加工等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天領(lǐng)域大量使用鋁合金材料作為主承力構(gòu)件，尤其是各種飛行器。相對(duì)A1 膜，F(xiàn)e-C 合金膜光纖腐蝕傳感器有著更廣泛的應(yīng)用前景。如今大量裝備的連接件和構(gòu)件的原始材料都是Fe-C 合金。同理，利用Fe-C 合金敏感膜層受到腐蝕時(shí)能對(duì)光纖纖芯內(nèi)傳導(dǎo)的光信號(hào)產(chǎn)生全反射的特性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出光信號(hào)的改變即可獲取鋼鐵材料的腐蝕信息。

    2.3 熒光猝滅型的腐蝕傳感器

    熒光猝滅型腐蝕傳感器的原理是將金屬離子和熒光物質(zhì)相結(jié)合，觀察熒光物質(zhì)前后的熒光強(qiáng)度、熒光壽命等基本光物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬腐蝕檢測(cè)的技術(shù)。熒光猝滅原理的金屬腐蝕傳感裝置具有檢測(cè)速度快、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

    2013 年，PG Venancio 等人設(shè)計(jì)了新型的熒光光纖傳感器用來監(jiān)測(cè)航空領(lǐng)域中鋁合金的腐蝕。其過程如下：首先，制備出對(duì)鋁離子具有獨(dú)一識(shí)別能力的MIP-8-羥基喹啉，然后將MIP 涂覆到光纖纖芯上，當(dāng)鋁金屬腐蝕進(jìn)行時(shí)，MIP 就會(huì)和金屬腐蝕產(chǎn)生的鋁離子聚合形成具有熒光特性的熒光團(tuán)，該熒光團(tuán)在氙燈作用下會(huì)發(fā)出熒光，其光強(qiáng)度會(huì)受到鋁離子濃度的影響，因此可通過對(duì)熒光強(qiáng)度的測(cè)量檢測(cè)鋁合金腐蝕的程度。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)。當(dāng)然也可對(duì)其他金屬制作具有專一識(shí)別的目標(biāo)物，用來對(duì)該金屬腐蝕進(jìn)行針對(duì)性的監(jiān)測(cè)。

    3 光纖腐蝕傳感器的應(yīng)用狀況

    國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得一些成果，有些光纖傳感器系統(tǒng)已經(jīng)成功地替代傳統(tǒng)傳感器達(dá)到實(shí)用化的功效。國(guó)際上第一次應(yīng)用光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行腐蝕檢測(cè)是日本于1993 年在橋梁建筑上使用。國(guó)內(nèi)，在長(zhǎng)江三峽等大型的水利工程中，工程師為了可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)大壩的異常狀態(tài)，防止發(fā)生潰壩、坍塌等重大災(zāi)難性事故的發(fā)生，已經(jīng)將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于其中進(jìn)行“健康狀況”的時(shí)時(shí)在線安全監(jiān)測(cè)，這為光纖傳感器的實(shí)用化作出了巨大的貢獻(xiàn)，也說明大家已經(jīng)逐漸地認(rèn)可光纖腐蝕傳感技術(shù)。

    在航空領(lǐng)域方面，澳大利亞在F-111C 飛機(jī)上安裝了光纖傳感腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它不僅可以時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)搭接處的腐蝕狀態(tài)，還能同時(shí)檢查應(yīng)力的變化、溫度和濕度的改變、縫隙的成長(zhǎng)狀況等參數(shù)，為對(duì)飛機(jī)的健康評(píng)估做出及時(shí)的反饋；美國(guó)采用光線光柵傳感技術(shù)分別在F-18、Boeing-777和X-33 等型號(hào)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究，并取得了較好的效果；法國(guó)、加拿大等國(guó)家主要將該技術(shù)用于飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；國(guó)內(nèi)，袁慎芳采用光纖光柵傳感技術(shù)成功地研制了飛機(jī)智能結(jié)構(gòu)。

    在軍事上，光纖腐蝕傳感器也受到人們?cè)絹碓蕉嗟那嗖A。美國(guó)海軍表面武器中心1995 年就已經(jīng)指出，利用特種材料制成的光纖傳感器對(duì)裝備的腐蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是武器裝備、船舶（包括潛艇、潛艇）、飛機(jī)、導(dǎo)彈等行業(yè)保護(hù)金屬材質(zhì)“健康”，延長(zhǎng)其使用壽命的基本診斷方式，而且已將集成光纖腐蝕監(jiān)控系統(tǒng)用于船舶行業(yè)，艦載飛機(jī)的金屬腐蝕監(jiān)控中。他們指出海洋環(huán)境中的軍用設(shè)施，特別是一些超期服役的武備系統(tǒng)，使用特種材料光纖傳感早期發(fā)現(xiàn)腐蝕問題不僅可以節(jié)約經(jīng)費(fèi)，而且能夠避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。鑒于光纖腐蝕傳感器的優(yōu)越性和重要性，美國(guó)空軍和海軍智能金屬結(jié)構(gòu)中心已將這種可以評(píng)估裝備“健康”狀況的傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研究、開發(fā)和生產(chǎn)列為21 世紀(jì)的重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目。

    4 結(jié)束語

    實(shí)驗(yàn)證明，光纖腐蝕傳感器對(duì)于快速、高效、時(shí)時(shí)在線的監(jiān)控是必要的和可行的，因此可以借鑒到海軍的軍事裝備金屬腐蝕監(jiān)測(cè)中，但是目前的研究還不夠深入，還有很對(duì)技術(shù)問題急需解決，如傳感器光信號(hào)輸出量與金屬腐蝕程度之間的定量關(guān)系可以用什么模型進(jìn)行分析，金屬腐蝕產(chǎn)物對(duì)光強(qiáng)型傳感器靈敏度的干擾如何減弱或者消除，金屬腐蝕的機(jī)理究竟哪種更能解釋這些現(xiàn)象等等，這些未解決的技術(shù)問題導(dǎo)致暫時(shí)還無法對(duì)金屬腐蝕程度做準(zhǔn)確的判斷和分析，因此突破光纖傳感技術(shù)的瓶頸，努力提高腐蝕檢測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定性分析和定量監(jiān)測(cè)是我們接下來要面臨的重大挑戰(zhàn)和努力方向。

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責(zé)任編輯：王元

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