本申請屬于鋼筋銹蝕監(jiān)測，具體為基于光纖超聲傳感的傳感器裝置、主動(dòng)式鋼筋銹蝕監(jiān)測裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、目前基于光纖傳感原理的鋼筋混凝土健康監(jiān)測方法包括間接監(jiān)測法和直接檢測法。間接監(jiān)測法主要監(jiān)測鋼筋銹蝕發(fā)生位置的環(huán)境指標(biāo)，例如域水含量、氯離子濃度、鐵離子濃度、ph值等，通過環(huán)境指標(biāo)變化推斷鋼筋銹蝕狀態(tài)。這類方法易受外界因素干擾，對工作環(huán)境要求高。直接檢測法則直接與監(jiān)測目標(biāo)接觸，例如超聲傳感法屬于常見的直接檢測法之一，其原理是：通過光能激發(fā)介質(zhì)材料產(chǎn)生超聲，利用超聲對監(jiān)測目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測。通過對超聲通過目標(biāo)的傳播數(shù)據(jù)變化進(jìn)行分析并完成監(jiān)測。這種直接檢測法無法監(jiān)測光纖未覆蓋區(qū)域，其應(yīng)用受到限制。

2、布拉格光纖光柵傳感器可用于對溫度、應(yīng)變、振動(dòng)等進(jìn)行檢測，其具有質(zhì)量輕、體積小、耐腐蝕、抗電磁干擾、靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，目前已被應(yīng)用于鋼筋銹蝕監(jiān)測領(lǐng)域。例如申請?zhí)枮?017113685176的中國專利，其公開了一種銹蝕環(huán)境監(jiān)測裝置及監(jiān)測方法，其利用fbg溫度傳感器和fbg應(yīng)力傳感器對溫度和應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，來判斷鋼筋的銹蝕情況。但該專利方法屬于被動(dòng)監(jiān)測，靈敏度欠佳。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請的目的是提供基于光纖超聲傳感的傳感器裝置、主動(dòng)式鋼筋銹蝕監(jiān)測裝置及方法，本申請裝置結(jié)構(gòu)簡單，易于布置，且可主動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕狀態(tài)。

2、一方面，本申請?zhí)峁┝艘环N基于光纖超聲傳感的傳感器裝置，包括串接的若干傳感器單元，且若干傳感器單元被布置為與待測鋼筋的距離遞減；所述傳感器單元包括圓柱型的基座、設(shè)有超聲信號發(fā)射段的多模光纖和光纖布拉格光柵傳感器；所述基座與待測鋼筋材質(zhì)相同；所述超聲信號發(fā)射段通過剝離多模光纖的包層并在剝離區(qū)域涂敷光聲轉(zhuǎn)化材料得到；

3、其中，多模光纖和光纖布拉格光柵傳感器沿平行基座中心軸方向布設(shè)于基座表面，且多模光纖和光纖布拉格光柵傳感器在基座端面的投影點(diǎn)連線過基座端面圓心；

4、兩傳感器單元之間通過光纖連接，具體的，兩傳感器單元的多模光纖通過光纖連接，兩傳感器單元的光纖布拉格光柵傳感器通過光纖連接。

5、在一些實(shí)施例中，光聲轉(zhuǎn)化材料選擇納米金復(fù)合材料。

6、在一些實(shí)施例中，納米金復(fù)合材料采用如下方法制備：

7、將聚二甲基硅氧烷和sylgard?184固化劑按10：(1-3)的質(zhì)量比混合，經(jīng)攪拌后靜置備用；將金鹽haucl4·3h20在加熱到90℃-100℃的干燥箱內(nèi)研磨成粉末備用；將金鹽粉末加入靜置后的聚二甲基硅氧烷混合物中，攪拌使金鹽粉末分散，得到淡黃色膠狀混合物；其中，金鹽粉末的質(zhì)量為聚二甲基硅氧烷混合物的3.75％-7.5％；將淡黃色膠狀混合物置于冰水混合物中進(jìn)行超聲水浴，使金鹽被還原成金納米球，即得到納米金復(fù)合材料；將納米金復(fù)合材料置于真空設(shè)備中進(jìn)行真空脫泡。

8、在一些實(shí)施例中，在基座設(shè)有沿平行基座中心軸方向的第一貫通凹槽和第二貫通凹槽，且第一貫通凹槽和第二貫通凹槽在基座端面的投影點(diǎn)連線過基座端面圓心；所述多模光纖和所述光纖布拉格光柵傳感器分別安裝于第一貫通凹槽和第二貫通凹槽內(nèi)。

9、在一些實(shí)施例中，傳感器裝置還包括連接件，連接件為平行四邊形狀的框結(jié)構(gòu)，其用來連接相鄰的傳感器單元的基座；具體的，連接件的一短端連接一傳感器單元的基座的端面，另一短端連接另一傳感器單元的基座的端面，從而實(shí)現(xiàn)兩傳感器單元的連接。

10、進(jìn)一步的，連接件的短端長度與基座端面直徑相當(dāng)，且連接件的短端沿多模光纖和光纖布拉格光柵傳感器在基座端面的投影點(diǎn)連線與基座端面連接。

11、另一方面，本申請?zhí)峁┝酥鲃?dòng)式鋼筋銹蝕監(jiān)測裝置，包括上述傳感器裝置、脈沖激光器和信號采集裝置；其中，脈沖激光器用來向多模光纖發(fā)射激光，激光沿多模光纖傳輸，并由超聲信號發(fā)射段產(chǎn)生超聲波信號，超聲波信號沿基座表面圓周傳播到光纖布拉格光柵傳感器；信號采集裝置用來采集光纖布拉格光柵傳感器的中心光譜。

12、再一方面，本申請?zhí)峁┝酥鲃?dòng)式鋼筋銹蝕監(jiān)測方法，包括：

13、(1)將傳感器裝置置于澆筑模板中，并澆筑混凝土，同時(shí)確保多模光纖和光纖布拉格光柵傳感器的端頭引線露出混凝土結(jié)構(gòu)；

14、(2)將多模光纖和光纖布拉格光柵傳感器的露出引線分別連接脈沖激光器和信號采集裝置；

15、(3)啟動(dòng)脈沖激光器發(fā)射激光，激光在多模光纖傳輸并由超聲信號發(fā)射段產(chǎn)生超聲波信號，信號采集裝置采集光纖布拉格光柵傳感器的中心光譜數(shù)據(jù)；

16、(4)根據(jù)中心光譜數(shù)據(jù)判斷光纖布拉格光柵傳感器的中心波長是否發(fā)生偏移，判斷光纖布拉格光柵傳感器所在基座是否發(fā)生銹蝕，根據(jù)發(fā)生銹蝕基座與待測鋼筋的距離獲取待測鋼筋銹蝕情況。

17、在一些實(shí)施例中，傳感器裝置置于澆筑模板中，具體為：

18、取可伸縮定位桿一端與待測鋼筋固定連接，另一端連接首位傳感器單元；各傳感器單元串接且被布置為與待測鋼筋的距離遞減；調(diào)整定位桿長度，使末位傳感器單元置于待測鋼筋上。

19、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

20、(1)基于光纖設(shè)計(jì)超聲發(fā)射器和超聲接收器，實(shí)現(xiàn)了鋼筋銹蝕情況的主動(dòng)監(jiān)測，同時(shí)還可避免電磁干擾，且不受環(huán)境濕度、溫度影響，可靠性和準(zhǔn)確性更佳；

21、(2)將串接的若干傳感器單元布置為與待測鋼筋的距離遞減，可對混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)不同深度處的銹蝕情況進(jìn)行監(jiān)測；且將監(jiān)測區(qū)域從一維擴(kuò)展到二維，精度高，且監(jiān)測更為全面。

22、(3)本申請裝置結(jié)構(gòu)簡單，其操作簡單方便，監(jiān)測成本低。

技術(shù)特征：

1.基于光纖超聲傳感的傳感器裝置，其特征是：

2.如權(quán)利要求1所述的基于光纖超聲傳感的傳感器裝置，其特征是：

3.如權(quán)利要求2所述的基于光纖超聲傳感的傳感器裝置，其特征是：

4.如權(quán)利要求1所述的基于光纖超聲傳感的傳感器裝置，其特征是：

5.如權(quán)利要求1所述的基于光纖超聲傳感的傳感器裝置，其特征是：

6.如權(quán)利要求5所述的基于光纖超聲傳感的傳感器裝置，其特征是：

7.主動(dòng)式鋼筋銹蝕監(jiān)測裝置，其特征是：

8.主動(dòng)式鋼筋銹蝕監(jiān)測方法，其特征是，包括：

9.如權(quán)利要求8所述的主動(dòng)式鋼筋銹蝕監(jiān)測方法，其特征是：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于光纖超聲傳感的傳感器裝置、主動(dòng)式鋼筋銹蝕監(jiān)測裝置及方法，該主動(dòng)式鋼筋銹蝕監(jiān)測裝置包括傳感器裝置、脈沖激光器和信號采集裝置；其中，脈沖激光器用來向多模光纖發(fā)射激光，激光沿多模光纖傳輸，并由超聲信號發(fā)射段產(chǎn)生超聲波信號，超聲波信號沿基座表面圓周傳播到光纖布拉格光柵傳感器；信號采集裝置用來采集光纖布拉格光柵傳感器的中心光譜；傳感器裝置包括串接的若干傳感器單元，傳感器單元包括圓柱型的基座、設(shè)有超聲信號發(fā)射段的多模光纖和光纖布拉格光柵傳感器。本發(fā)明基于光纖設(shè)計(jì)超聲發(fā)射器和超聲接收器，實(shí)現(xiàn)了鋼筋銹蝕情況的主動(dòng)監(jiān)測，同時(shí)還可避免電磁干擾，且不受環(huán)境濕度、溫度影響，可靠性和準(zhǔn)確性更佳。

技術(shù)研發(fā)人員：杜聰,孫雨夢,孫殷楠,姚家馳,王衍學(xué)
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京建筑大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15