基于分布式布里渊光学时域反射的光纤腐蚀传感器的实验研究

基于分布式布里渊光学时域反射的光纤腐蚀传感器的实验研究赵雪峰1*,宫 鹏1,路 杰1,欧进萍1,2(1.大连理工大学土木工程学院,辽宁大连116024;2.哈尔滨工业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨150090)摘要:研究开发了一种用于监测钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的基于分布式布里渊光学时域反射(BOTDR)的光纤腐蚀传感器,探讨了布里渊传感技术中有效测点的选择方法,并推导了适用于布里渊光纤腐蚀传感器的钢筋腐蚀定量评价公式。

利用电化学加速腐蚀实验系统对埋入混凝土试件中的布里渊光纤腐蚀传感器的性能进行了实验研究,利用推导的钢筋腐蚀定量评价公式和布里渊分析仪采集到的数据对钢筋腐蚀的程度进行了实时监测。

实验研究表明,该传感器能够有效监测钢筋的早期腐蚀,并实现了对腐蚀的准分布式、实时和定量测量。

布里渊光纤腐蚀传感器对钢筋质量损失率 的有效监测范围约为0.0~0.1%,分辨率约为1.1 10-5。

关键词:布里渊光学时域反射(BOTDR);腐蚀传感器;准分布式测量;有效测点;钢筋中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1005 0086(2011)03 0333 05Experim ental research on the fiber corr osion sensor based on dis tributed Brillouin optical time dom ain reflection techniqueZH AO Xue feng1*,GONG Peng1,LU Jie1,OU Jin ping1,2(1.School of Civil Engineering,Dalian Uni versi ty of Technology,Dalian116024,China;2.Schoo l of Civil Engineer ing,Har bin Institute of Technology,Harbin150090,China)Ab st ract:A novel fiber corrosion sensor based on distributed Brillouin opt ical time domain reflection (BOT DR)has been developed,which can monitor st eel corrosion in c oncrete struc tures.T he c hoosing method of valid sampling points on opt ical fiber was proposed,and furt hermore,the evaluation formula was derived to make quantitat ive assessment of steel corrosion.T he properties of BOTDR fiber c orrosion sensors embedded in concrete structures were researched in t he electrochemic al corrosion accelerating testing syste m,and the degree of steel corrosion was gaine d through the evaluat ion formula and data col lected by the BOTDR analyzer.T he test results show that BOTDR fiber corrosion sensors c an monitor steel corrosion in early st age effec t ively,and can c arry out quasi distributed,real time and quantitat ive measurement of steel corrosion.The effective monitoring range of the loss rate of steel mass by the BOTDR fiber corrosion sensor is about0 0.1%,and the resolution is about1.1 10-5.Ke y wor ds:Brillouin optical time domain reflec t ion(BOT DR);c orrosion sensor;quasi distributed meas ure ment;valid sampling point;steel1 引 言钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀已经成为一个世界性的难题,长期处于恶劣环境中的结构物腐蚀尤为严重[1]。

钢筋的腐蚀导致了结构高额的维修费用,有时甚至超过了结构本身的建造费用,在极端情况下还可能导致结构的倒塌[2~5]。

为保障结构的安全性、耐久性和经济性,已建成或在建的许多大型结构上急需采用有效的手段监测和评定其安全状况、修复和控制损伤[6]。

对腐蚀环境下的混凝土结构进行健康监测,可以对结构的早期腐蚀情况进行预警,有效降低结构运营期间的维护费用,并防止结构突然垮塌事故的发生,具有重要意义。

光电子激光第22卷第3期 2011年3月 Journal of Optoelectronics Laser Vo l.22No.3 M ar.2011*E mail:zhaoxf@收稿日期:2010 07 03 修订日期:2010 10 12基金项目:国家自然科学基金资助项目(50808031);教育部博士点基金资助项目(200801411101);!十一五∀国家科技支撑计划重点资助项目(2006BAJ03B05 01)然而,大型工程结构体型大、结构复杂、使用期限长和环境因素影响大,传统的腐蚀传感器的性能和耐久性不能很好地满足工程实际的需要。

近年发展迅速的布里渊分布式光纤传感技术,则由于耐久性强、可分布式测量、不受电磁干扰和价格低廉等优点,在结构健康监测领域得到了广泛的应用[8]。

为了满足工程上对钢筋腐蚀进行长期、实时、定量分布式测量的需求,本文研制了一种布里渊光纤腐蚀传感器,推导了适用于该传感器的腐蚀评价公式,并进行了实验室模拟环境下的腐蚀传感特性研究。

2 布里渊光纤传感基本原理布里渊光纤传感技术是将布里渊散射与光时域反射仪(OTDR)技术相结合实现光纤应变或温度分布测量的。

布里渊散射光是由一相干光与注入光纤中的光所产生的声波(声子)相互作用产生的。

布里渊散射光的频率相对于入射光频率发生的漂移称为布里渊频移,它可表示为[10] f B =2nv a / (1)式中:n 表示光纤折射率;v a 表示声速; 表示入射光波长。

布里渊频移与温度和应变的变化成正比,布里渊频移的改变量可表示为[12]f B =k ft T +k f ! !(2)式中:k ft 表示布里渊频移的温度系数;k f !表示布里渊频移的应变系数; !为光纤应变的改变量; T 为环境温度的改变量。

3 布里渊光纤腐蚀传感器设计布里渊光纤腐蚀传感器如图1所示,其设计如下所述:1)将长度为180mm 的∀22mm 螺纹钢在距一端为45~55mm 段抛光,抛光后的直径为18.5mm;2)在抛光后的钢筋上单层连续缠绕抗折光纤若干圈,缠绕的光纤总长度为2.5m,光纤层沿钢筋轴向的长度约为7.5mm,缠绕时让光纤带有一定的预应力,保证光纤和钢筋表面紧密接触;3)将光纤两端分别用环氧树脂胶固定在钢筋上,沿钢筋方向将带保护套的普通光缆引出,抗折光纤与普通光缆的熔接处恰好布置在环氧树脂胶固定点;4)在光纤层外加透水材料保护层防止光纤在混凝土浇筑过程中破坏;5)在透水材料保护层外增设铁丝网保护层以图1 布里渊光纤腐蚀传感器设计F ig.1 Brillouin optica l fiber corrosion senso r design抵抗浇筑混凝土试件时的冲击和振捣作用;6)用细铁丝将铁丝网保护层的两端牢固的固定在螺纹钢筋上。

4 钢筋腐蚀程度评价公式推导评价公式推导过程中做如下基本假定:1)光纤层的实际厚度很小,约为抛光后钢筋直径的1/72,因此光纤层对测量结果的影响很小,推导过程中忽略光纤层的厚度;2)钢筋在NaCl 溶液中发生均匀腐蚀,即腐蚀发生后钢筋抛光段仍为圆形截面;3)抛光段钢筋腐蚀后,所有的腐蚀产物均留在光纤层以内,不向光纤层外溢出;4)实验室内温度恒定,测量结果不受温度变化的影响。

设钢筋发生腐蚀前外径为D,腐蚀后外径为D 1,腐蚀后包含铁锈层后的外径为D 2,钢筋的密度为#,钢筋腐蚀后铁锈的体积膨胀率为∃,钢筋腐蚀后的质量损失率为 ,试验测得的光纤应变为!。

钢筋腐蚀程度的评价公式推导如下:钢筋腐蚀发生后传感器监测位置的钢筋质量损失率为=%(D 2-D 21)#%D 2#(3) 化简后整理得D 21D2=1- (4)传感段光纤的应变满足!=%(D 2-D)%D(5)化简为!=(D 2-D)D(6)腐蚀后钢筋的直径关系满足%(D 2-D 21)g ∃=%(D 22-D 21)(7)化简为(D 2-D 21)g ∃=D 22-D 21(8) 将式(8)变形后可得D 2-D 21D 2g ∃=D 2-D D g D 2+D D -D 21D2+1(9)在钢筋腐蚀较轻的情况下,对于式(9)可认为D 2+DD#2(10) 将式(4)、(6)和(10)带入式(9)可得=2!∃-1(11)式(11)即为评价布里渊光纤腐蚀传感器监测到钢筋腐蚀情况的公式,其仅适用于布里渊光纤腐蚀传感器监测腐蚀结果的评价。

5 混凝土试件钢筋腐蚀监测试验为研究布里渊光纤腐蚀传感器对钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的监测实际效果。

采用如图2所示电化学加速腐蚀实验系统进行混凝土试件的钢筋腐蚀监测试验。

在通电时,钢筋端为正极,钢板端为负极,在钢板与钢筋间,电路依靠离子导电,从而将溶液中的Cl -源源不断的输送到钢筋表面。

而Cl -是影334光电子 激光 2011年 第22卷响钢筋腐蚀的最重要因素之一,因而该装置极大的加速了钢筋的腐蚀速率。

试验中,NaCl 溶液质量浓度为5.0%,电源采用稳压电源,整个试验过程中加在每个试件两端的电压均为31.5V。

图2 电化学加速腐蚀试验系统Fig .2 Electrochem ica l corrosion accelerating testing sy stem试验前,将两个做好的布里渊光纤腐蚀传感器埋入混凝土试件中,传感器编号为S.1和S.2,对应的混凝土试件编号为No.1和No.2。