一种监测钢筋腐蚀的光纤光栅传感器的研究
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令
ｆ 一（ Ｐ 愚 １ 卜 ｅ
１２一 （ ｋ ＋ 则光栅 中心 波长位移 为
一
（） ２
光纤腐蚀传感器设计 的一个重要 思路是将光导纤维本身 用作腐蚀传感元件 。本文基于钢筋腐 蚀体 积膨胀 的事实 ， 根
据光纤布拉格光栅监测应变 的原理 ， 设计并制作 了一种 专用 于监测混凝土结构 中钢筋腐蚀 的光 纤光栅传感 器 ， 其封装 将 并埋人混凝土结构 内，通过因钢筋腐蚀体积膨胀 造成 的光纤
ｋ ￡ 忌 △Ｔ １＋ ２
（） ３
式 中，ｋ 为应变敏感 系数 ， ｚ为温度敏感系数 。 ｋ
光栅应变来直接监测钢筋腐蚀程度 ， 真正实现 钢筋腐蚀 程度 及腐蚀速度 的实时在线监测 。
２ 腐蚀传感器构造及 监测原理
２ １ 腐蚀传 感器构造 ．
如图 １ 是本文设计 的光纤 Ｂａｇ 栅腐蚀传感 器 ， ｒｇ 光 仪器 主要 由 ２ 根钢筋 （ 沿直径分 为两半 ） 根光 栅和 连接光 每根 、ｌ
波长相 同，因此它们 的 Ｐ ， ， 相 同 ，即两者 的 ｋ ａ 和 忌 相 ｚ
同。同时，两传感器 中温度相 同，故 △ Ｔ值也相等 。
完 毕。 再采用 厚度约 １ ｍ 的标号 为 Ｃ ０ ０ｍ ２ 的水泥 砂浆外 封
装。
钢筋
Ｗａ ｅ ｅ ｔ ／ ｍ ｖ ｌ ｎｇ ｈ ｎ
一
种监 测 钢筋 腐 蚀 的 光 纤光 栅 传 感 器 的研 究
李 俊 ， 吴 瑾， 高俊启
２０ １ １０６
南京航天航空大学 土木工程系 ，江苏 南京
摘
要
钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性 劣化 的最 重要 因素之一 。钢筋腐 蚀将导 致钢 筋体积 大大增
加， 混凝 土保护层 开裂 、剥落 ，结构承载力下降 ， 至倒 塌 。基于光纤 布拉格 光栅应变 传感器 的原理 ， 据 甚 根
２４ ８
光谱学与光谱分析
第３ Ｏ卷
纤构成 。 具体制作方法是 ： 选取 与工程所 用钢筋 材质相 同的 两根 钢筋棒 ， 钢筋直径与工程所用钢 筋相 同 ， 直径方 向剖 沿 为 两半 ， 并在直径位置处刻 一通槽 ， 光纤光栅 放置 。然 后 供 将 两个半边钢筋棒靠 紧，将光纤光栅 放置在 槽 内，使光栅 部 分 位于两钢筋中间，拉紧光 纤光栅 ， 后采用 ＡＢ胶 将光 纤 然 粘 贴在钢筋 内部 的槽 内 ，等待 ＡＢ胶干 了以后 ， 另外两 半 将 钢 筋合拢 ， 使两钢筋棒 靠紧 ， 钢筋腐 蚀光 纤光栅传感 器制 作
测。
［１ （ 一 ） ＋ （ ＋ △， ￡ 口 ， ］
（） １
其 中 ， 为光栅 的初始 中心波长 ；
为 中心波长位移量 ； 为 ｅ
整个光 纤光栅区域的轴 向应变 ；Ｐ 为 光纤 的有效 弹光 系数 ， 在 １５ ０ｎｎ波段 ，Ｐ ≈Ｏ １２ ａ为光纤 的热膨胀 系数 ； 为 ５ ｉ ．２ ；
钢筋 腐蚀体积膨胀 ， 出了一种新的钢筋腐蚀光纤 光栅传 感器及 温度 补偿方 法 。 提 传感器 构造 是在两 根紧靠
的钢筋中心附近粘贴光纤光栅 ，由于钢筋腐蚀体积膨胀 ，钢筋直径增加将转变成 布拉格 光纤光栅 的应变 ， 从 而实 现对钢筋腐蚀程度及速率 的监测 。传感器的监测原 理是设置一 个钢筋腐 蚀光 纤光栅 传感 器来 监 测 由于 钢筋腐蚀 和温度变化引起的光栅应变 ，同时单独设置一个 不锈钢光 纤光栅传 感器 来测量 温度 引起 的光 栅应 变。这两个光纤光栅传感器 的应 变监 测 ， 可分离 出钢筋 由于腐蚀所引起 的体积变化 。在混凝土结构 中埋入 封 装 的传感器 ， 通过监测光纤光栅波 长的漂移可以直接测量钢筋腐蚀程度 ， 而且不受腐蚀 因素的影 响 ，可用 于 混凝 土结构 中钢筋 腐蚀 的早期监测 。 最后 通过实验标定 了钢筋腐蚀率 与光栅波长位移的关系 。 关键词 光纤光栅 ；传感器 ；钢筋 ； 监测 ；腐蚀
１ 光纤布拉格 Ｂ ａ ｇ ｒｇ 光栅应 变传感器原理
当温度、应变发生变 化时 ，光纤 Ｂ ａ ｇ光栅 中心反 射波 ｒｇ
长的变化量表示为
一
学方法ｎ３， 其抗 干扰 能力差 ，只 能定性 判 断钢筋 腐蚀 状 ＿ 但 ］
态 ，不能 直接描 述 钢筋 的腐蚀 程 度 ，不 能 实 现定 量 在线 监
光纤布拉格光栅 （ Ｂ 本 身具有体 积小 、灵 敏度高 、易 Ｆ Ｇ）
于制造 、 成本低 、 不受 电磁 干扰 等特 点 ，目前 Ｆ Ｇ在 监测结 Ｂ 构应变方面 非 常成 熟＿ ，应用 广 泛 ，但 在 监测 钢 筋 腐蚀 方 ４ ］
面， 研究还极 为稀 少［１ 。 ５３ ］
光纤 的热光 系数 ； Ｔ是温度变化量 。 △
文献标识 码 ： Ａ Ｄ Ｉ １ ． ９ ４ｊｉ ｎ ｉ０ ５３ ２ １ ） １０ ８—４ Ｏ ： ０ ３ ６／． ｓ ．０ ００ ９ （０ ０ ０—２ ３０ ｓ
中 图分 类 号 ： Ｐ １ Ｔ ２２
引 言
钢筋腐蚀会导致钢筋混凝 土结 构早期破 坏 ， 而造成 巨 从 大 的经济损失 。目前 比较成熟 的检测钢筋腐 蚀 的方 法是 电化
第３卷， １ ０ 第 期 ２０１０年 １月
光
谱
百度文库
学
与
光
谱
分
析
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ １ ｐ ２ ３ ２ ６ １３ ， ． ，ｐ ８— ８
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒ１Ａｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃｒ ｓｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅｔａ ａｙ ｉ
Ｊ ｎ ａｙ ０ ０ ａ ｕ ｒ ，２ １
收稿 日期 ：２ ０ —１２ 。修订 日期 ：２０ —４２ ０ ９０ —２ ０ ９０ —６
基金项 目 ： 国家 自然科学基金项 目（ ０ ７ ０ ４ 资助 ５８９３）
作者简介 ：李 俊 ， ，１ ７ 女 ９ ０年生 ， 南京航天航空大学土木工程系讲师 ｅｍａｌ ｉ ｎ ＠ｎ ａ． ｄ ．ｍ ｉｎ ＠１ ６ ｔｍ ￣ ｉ ｊ ｈ ｕ ａｅ ｕ ｃ ｉ ｈ ２ ．ｏ ：ｌ—
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光纤腐蚀传感器设计 的一个重要 思路是将光导纤维本身 用作腐蚀传感元件 。本文基于钢筋腐 蚀体 积膨胀 的事实 ， 根
据光纤布拉格光栅监测应变 的原理 ， 设计并制作 了一种 专用 于监测混凝土结构 中钢筋腐蚀 的光 纤光栅传感 器 ， 其封装 将 并埋人混凝土结构 内，通过因钢筋腐蚀体积膨胀 造成 的光纤
ｋ ￡ 忌 △Ｔ １＋ ２
（） ３
式 中，ｋ 为应变敏感 系数 ， ｚ为温度敏感系数 。 ｋ
光栅应变来直接监测钢筋腐蚀程度 ， 真正实现 钢筋腐蚀 程度 及腐蚀速度 的实时在线监测 。
２ 腐蚀传感器构造及 监测原理
２ １ 腐蚀传 感器构造 ．
如图 １ 是本文设计 的光纤 Ｂａｇ 栅腐蚀传感 器 ， ｒｇ 光 仪器 主要 由 ２ 根钢筋 （ 沿直径分 为两半 ） 根光 栅和 连接光 每根 、ｌ
波长相 同，因此它们 的 Ｐ ， ， 相 同 ，即两者 的 ｋ ａ 和 忌 相 ｚ
同。同时，两传感器 中温度相 同，故 △ Ｔ值也相等 。
完 毕。 再采用 厚度约 １ ｍ 的标号 为 Ｃ ０ ０ｍ ２ 的水泥 砂浆外 封
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钢筋
Ｗａ ｅ ｅ ｔ ／ ｍ ｖ ｌ ｎｇ ｈ ｎ
一
种监 测 钢筋 腐 蚀 的 光 纤光 栅 传 感 器 的研 究
李 俊 ， 吴 瑾， 高俊启
２０ １ １０６
南京航天航空大学 土木工程系 ，江苏 南京
摘
要
钢筋腐蚀是导致钢筋混凝土结构耐久性 劣化 的最 重要 因素之一 。钢筋腐 蚀将导 致钢 筋体积 大大增
加， 混凝 土保护层 开裂 、剥落 ，结构承载力下降 ， 至倒 塌 。基于光纤 布拉格 光栅应变 传感器 的原理 ， 据 甚 根
２４ ８
光谱学与光谱分析
第３ Ｏ卷
纤构成 。 具体制作方法是 ： 选取 与工程所 用钢筋 材质相 同的 两根 钢筋棒 ， 钢筋直径与工程所用钢 筋相 同 ， 直径方 向剖 沿 为 两半 ， 并在直径位置处刻 一通槽 ， 光纤光栅 放置 。然 后 供 将 两个半边钢筋棒靠 紧，将光纤光栅 放置在 槽 内，使光栅 部 分 位于两钢筋中间，拉紧光 纤光栅 ， 后采用 ＡＢ胶 将光 纤 然 粘 贴在钢筋 内部 的槽 内 ，等待 ＡＢ胶干 了以后 ， 另外两 半 将 钢 筋合拢 ， 使两钢筋棒 靠紧 ， 钢筋腐 蚀光 纤光栅传感 器制 作
测。
［１ （ 一 ） ＋ （ ＋ △， ￡ 口 ， ］
（） １
其 中 ， 为光栅 的初始 中心波长 ；
为 中心波长位移量 ； 为 ｅ
整个光 纤光栅区域的轴 向应变 ；Ｐ 为 光纤 的有效 弹光 系数 ， 在 １５ ０ｎｎ波段 ，Ｐ ≈Ｏ １２ ａ为光纤 的热膨胀 系数 ； 为 ５ ｉ ．２ ；
钢筋 腐蚀体积膨胀 ， 出了一种新的钢筋腐蚀光纤 光栅传 感器及 温度 补偿方 法 。 提 传感器 构造 是在两 根紧靠
的钢筋中心附近粘贴光纤光栅 ，由于钢筋腐蚀体积膨胀 ，钢筋直径增加将转变成 布拉格 光纤光栅 的应变 ， 从 而实 现对钢筋腐蚀程度及速率 的监测 。传感器的监测原 理是设置一 个钢筋腐 蚀光 纤光栅 传感 器来 监 测 由于 钢筋腐蚀 和温度变化引起的光栅应变 ，同时单独设置一个 不锈钢光 纤光栅传 感器 来测量 温度 引起 的光 栅应 变。这两个光纤光栅传感器 的应 变监 测 ， 可分离 出钢筋 由于腐蚀所引起 的体积变化 。在混凝土结构 中埋入 封 装 的传感器 ， 通过监测光纤光栅波 长的漂移可以直接测量钢筋腐蚀程度 ， 而且不受腐蚀 因素的影 响 ，可用 于 混凝 土结构 中钢筋 腐蚀 的早期监测 。 最后 通过实验标定 了钢筋腐蚀率 与光栅波长位移的关系 。 关键词 光纤光栅 ；传感器 ；钢筋 ； 监测 ；腐蚀
１ 光纤布拉格 Ｂ ａ ｇ ｒｇ 光栅应 变传感器原理
当温度、应变发生变 化时 ，光纤 Ｂ ａ ｇ光栅 中心反 射波 ｒｇ
长的变化量表示为
一
学方法ｎ３， 其抗 干扰 能力差 ，只 能定性 判 断钢筋 腐蚀 状 ＿ 但 ］
态 ，不能 直接描 述 钢筋 的腐蚀 程 度 ，不 能 实 现定 量 在线 监
光纤布拉格光栅 （ Ｂ 本 身具有体 积小 、灵 敏度高 、易 Ｆ Ｇ）
于制造 、 成本低 、 不受 电磁 干扰 等特 点 ，目前 Ｆ Ｇ在 监测结 Ｂ 构应变方面 非 常成 熟＿ ，应用 广 泛 ，但 在 监测 钢 筋 腐蚀 方 ４ ］
面， 研究还极 为稀 少［１ 。 ５３ ］
光纤 的热光 系数 ； Ｔ是温度变化量 。 △
文献标识 码 ： Ａ Ｄ Ｉ １ ． ９ ４ｊｉ ｎ ｉ０ ５３ ２ １ ） １０ ８—４ Ｏ ： ０ ３ ６／． ｓ ．０ ００ ９ （０ ０ ０—２ ３０ ｓ
中 图分 类 号 ： Ｐ １ Ｔ ２２
引 言
钢筋腐蚀会导致钢筋混凝 土结 构早期破 坏 ， 而造成 巨 从 大 的经济损失 。目前 比较成熟 的检测钢筋腐 蚀 的方 法是 电化
第３卷， １ ０ 第 期 ２０１０年 １月
光
谱
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学
与
光
谱
分
析
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ １ ｐ ２ ３ ２ ６ １３ ， ． ，ｐ ８— ８
Ｓ ｅ ｔｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃｒ１Ａｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃｒ ｓｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅｔａ ａｙ ｉ
Ｊ ｎ ａｙ ０ ０ ａ ｕ ｒ ，２ １
收稿 日期 ：２ ０ —１２ 。修订 日期 ：２０ —４２ ０ ９０ —２ ０ ９０ —６
基金项 目 ： 国家 自然科学基金项 目（ ０ ７ ０ ４ 资助 ５８９３）
作者简介 ：李 俊 ， ，１ ７ 女 ９ ０年生 ， 南京航天航空大学土木工程系讲师 ｅｍａｌ ｉ ｎ ＠ｎ ａ． ｄ ．ｍ ｉｎ ＠１ ６ ｔｍ ￣ ｉ ｊ ｈ ｕ ａｅ ｕ ｃ ｉ ｈ ２ ．ｏ ：ｌ—