[发明专利]一种基于光子晶体光纤探头的钢材腐蚀传感器

说明书

本发明属于传感器技术领域，公开了一种基于光子晶体光纤探头的钢材腐蚀传感器。钢材腐蚀传感器包括单模光纤：纤芯、包层、涂覆层；光子晶体光纤：纤芯，包层，包层气孔，铁薄膜。所述传感器的光子晶体光纤激发态包层模式对外界介质折射率高度敏感，与钢材主要成分相似的铁薄膜腐蚀后会改变其周围的折射率，通过对晶体光纤外界折射率的实时监控间接有效地监测钢材腐蚀状况。该传感器具有制作简单、体积小、强度大，灵敏度高等优点，可以有效实现对建筑工程中钢材腐蚀状况无损、实时、准确的测量，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种基于光子晶体光纤探头的钢材腐蚀传感器，属于结构健康监测领域，尤其用于钢筋混凝土结构以及钢结构中钢材的腐蚀监测。

背景技术

钢材是建筑结构中常用的工程材料之一，例如钢筋混凝土结构中的钢筋，劲性结构中的型钢以及钢结构，都是由钢材制备而成。钢材的腐蚀是影响这些建筑结构耐久性的重要因素之一。我国每年因钢材腐蚀导致的建筑结构破坏甚至倒塌的事故比比皆是，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。因此，须要实现有效监测建筑结构中钢材的腐蚀，及时对损伤结构加固维修，防止灾难的发生。

当前对钢材腐蚀监测的方法可大致分为电化学方法和非电化学方法两大类。电化学方法直接监测腐蚀参数来判断钢材的腐蚀状态，如腐蚀电位、耐腐蚀性和腐蚀速率。非电化学方法通常则是通过间接监测腐蚀引起的结构体积变形、分层和开裂等间接监测钢材腐蚀程度。常见的非电化学监测腐蚀的方法有声发射法，超声导播法和数字图像相关法等。声发射属于被动监测，只能监测正在扩展的裂缝，此外，声发射传感器监测范围不易确定，且采集信号容易受到环境因素干扰。数字图像相关法具有测量方便、测量量程广、图像采样频率高的优点，但识别对应点的像素块位置发生开裂或由于应力集中造成不均匀变形会给识别带来一定困难，如果应用于实际工程，其图像采集设备的布置对于待测构件的周围环境与空间也有一定要求。

光纤传感器由于其尺寸小，重量轻，抗电磁干扰，抗腐蚀性强等一系列优点，近年来得到了越来越广泛的应用，一些用来监测钢材腐蚀的光纤传感器也应用而生。然而，传统的监测钢材腐蚀的光纤传感器存在监测周期长，监测灵敏度低以及监测准确度低等问题。因此，提供一种制作简单，对钢材腐蚀状态灵敏度高，监测结果准确可靠的光纤传感器是十分必要的。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光子晶体光纤探头的钢材腐蚀传感器，该传感器的最大特点是对周围环境折射率的改变非常敏感，可以通过测量外界折射率的变化间接监测钢材的腐蚀程度。这种基于光子晶体光纤探头的钢材腐蚀传感器制作简单，可以无损、实时监测构件中钢材的腐蚀，有效判断结构的损伤程度，从而保障重要工程结构的安全。

本发明的技术方案：

一种基于光子晶体光纤探头的钢材腐蚀传感器，包括单模光纤1、光子晶体光纤(PCF)探头2、三端口环形器3、放大自发辐射(ASE)激光器4和光谱分析仪5；其中单模光纤1包括纤芯6、包层7和涂覆层8；光子晶体光纤2包括纤芯11、空气孔道10、包层12和铁薄膜14；

所述的单模光纤1一端连接三端口环形器3的其中一个接口，另一端与光子晶体光纤2熔接，单模光纤1与光子晶体光纤2熔接处存在空气泡9，所述的空气泡9作为第一反射镜15；

所述的三端口环形器3的另外两个端口分别连接ASE激光器4和光谱分析仪5；

所述的光子晶体光纤2的另一端是一个熔接形成的球体13，所述的球体尖端为第二反射镜16。

所述的铁薄膜14的厚度根据传感器灵敏度和使用寿命要求来进行调整。

所述的光子晶体光纤探头2的长度根据监测对象以及监测灵敏度要求调整。

所述的铁薄膜14包裹在光子晶体光纤探头2的外表面，且覆盖整个光子晶体光纤探头2的长度。