光纖傳感器在結(jié)構(gòu)銹蝕進(jìn)程監(jiān)測中的應(yīng)用研究.pdf

1、鋼筋銹蝕是決定鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的最重要因素，也常常是結(jié)構(gòu)延壽工作的一個(gè)主要考慮因素。目前在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域(Structural health monitoring，SHM)中，銹蝕進(jìn)程監(jiān)測主要是采用電化學(xué)方法和質(zhì)量損失率的評(píng)價(jià)方法，前者是通過測量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面電阻改變的區(qū)域來判斷銹蝕發(fā)展的進(jìn)程，后者是破壞性的，是從待測結(jié)構(gòu)中取一塊已經(jīng)銹蝕的鋼筋，并稱出其質(zhì)量，再與清理其上的銹蝕物以后稱得的質(zhì)量相比較，得出鋼筋銹蝕引起的質(zhì)量損失

2、情形，但這些方法都不能滿足對(duì)銹蝕進(jìn)程的連續(xù)觀測。
　　本論文提出使用低相干光纖傳感技術(shù)，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕誘導(dǎo)的膨脹應(yīng)變（簡稱銹脹應(yīng)變）進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并進(jìn)一步探討了光纖布拉格光柵傳感器(Fiber Bragggrating，F(xiàn)BG)和光子晶體光纖傳感技術(shù)(Photonic crystal fiber，PCF)對(duì)裂紋開裂產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)應(yīng)變以及產(chǎn)生銹蝕的環(huán)境因素進(jìn)行相關(guān)研究。針對(duì)上述的主要問題，本文主要做了以下4方面的工作:

3、>　　1、針對(duì)現(xiàn)有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中銹蝕進(jìn)程的監(jiān)測問題，提出一種基于光纖低相干應(yīng)變傳感器來監(jiān)測銹脹應(yīng)變的方法，設(shè)計(jì)中在待測結(jié)構(gòu)易銹蝕部分采取直接和間接兩種布設(shè)傳感光纖的方法:一種是將光纖直接纏繞在鋼筋上，這勢(shì)必要破壞鋼筋與混凝土的界面均勻性;另外一種方法是先在鋼筋上包裹一層約2毫米厚的水泥砂漿，再將光纖繞在水泥砂漿上，這樣可以最大限度的保證鋼筋與混凝土界面的均勻性。實(shí)驗(yàn)室條件下模擬海洋環(huán)境的電化學(xué)加速銹蝕實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:低相干光纖傳感器可以

4、長壽命測量出銹脹應(yīng)變的產(chǎn)生及發(fā)展，從而可以反映其銹蝕進(jìn)程，基于邁克爾遜干涉方法的信號(hào)解調(diào)可以測到任意長度傳感光纖上3微米的絕對(duì)形變，對(duì)鋼筋混凝土中的銹脹應(yīng)變與傳感光纖的布設(shè)方法進(jìn)行相關(guān)分析，證明了鋼筋和混凝土的界面均勻性決定了銹蝕進(jìn)程的觀點(diǎn)，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性監(jiān)測提供了一種可行的實(shí)驗(yàn)室研究手段。
　　2、將設(shè)計(jì)的光纖低相干應(yīng)變傳感系統(tǒng)，應(yīng)用于我國XXX電站中在役的預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土海水輸送管(Prestressed Concr

5、ete Cylinder Pipe，PCCP)的銹蝕進(jìn)程監(jiān)測中，結(jié)果表明在實(shí)際工程監(jiān)測中，當(dāng)傳感光纖長度為50m時(shí)，可以獲得最小可探測平均應(yīng)變?yōu)?.025με，經(jīng)過6個(gè)月的連續(xù)觀察，成功監(jiān)測到了該海水管銹蝕應(yīng)變最快發(fā)展的進(jìn)程是53.04με/月，為該管線的安全運(yùn)行管理提供了實(shí)測數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
　　3、針對(duì)裂紋開裂、荷載沖擊等引起的高頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變探測進(jìn)行了初步探討，提出利用FBG傳感器和反射式半導(dǎo)體光放大器(Reflective semi

6、conductor optical amplifier，RSOA)設(shè)計(jì)相應(yīng)的自適應(yīng)激光光源，并通過非平衡邁克爾遜干涉技術(shù)進(jìn)行解調(diào)。實(shí)驗(yàn)研究了RSOA-FBG光源對(duì)高頻動(dòng)態(tài)信號(hào)的自適應(yīng)性和復(fù)用性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:RSOA-FBG較基于摻餌光纖放大器(Erbium-doped fiber amplifier，EDFA)的FBG解調(diào)器具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，通過非平衡干涉解調(diào)，可以探測的最小應(yīng)變?yōu)?.3με，可探測的動(dòng)態(tài)信號(hào)頻率大于10MHz

7、。
　　4、針對(duì)誘導(dǎo)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕的環(huán)境因素進(jìn)行了初步探討，設(shè)計(jì)了PCF-標(biāo)準(zhǔn)單模光纖(Single mode fiber，SMF)耦合器、基于PCF的長周期光柵(Long periodgrating，LPG)傳感器并用于液體折射率和濃度測量。通過側(cè)邊拋磨法研制的PCF-SMF耦合器件可以實(shí)現(xiàn)高達(dá)90％的耦合分光比，其對(duì)折射率變化檢測的分辨率可達(dá)3.33×10-5RIU，而基于二氧化碳激光器研制的PCF-LPG傳感器具有