光纤传感器让腐蚀无所遁形

  腐蚀无时无刻不在发生,它是自然界中普遍存在的难以避免的物质材质变坏的过程.然而腐蚀检测技术往往难以在无声无息的瞬间捕捉到腐蚀的信息,而光纤腐蚀传感器的不断突波和创新代表着先进腐蚀检测技术的发展方向.

  金属材料腐蚀监测能够对腐蚀过程有全面、详细的认识.通过光纤腐蚀传感器对腐蚀过程的测量,可以在材料受到严重腐蚀破坏前,对材料进行防腐处理.性质优异的光纤腐蚀传感器对腐蚀预警、预腐、防腐更有指导意义.目前,国内外对光纤腐蚀传感器的研究得到了飞速发展,并在土木工程、输送管道和航空领域进行了大量的研究工作.

  光纤腐蚀传感新技术

光纤传感

  光纤腐蚀传感器是利用腐蚀检测装置检测与腐蚀相关的材料结构位移、振动、应力、温度、裂缝、湿度、疲劳和化学态等参量的改变, 借助材料的体积、颜色、折射率等诸多特性的改变量,,通过测量传输光的反射、透射、偏振态等诸多特性的变化来实现对腐蚀的检测.

  近年来,研究者针对腐蚀监测的最新研究工作主要集中于分布式传感技术、荧光检测、LPFG双折射传感特性以及光子晶体光纤四个方面,寻找性能更好的光纤腐蚀传感器.

  1 、分布式光纤腐蚀传感器

  分布式光纤传感器是利用光纤几何上的一维特性进行测量,获取被测参量空间分布状况和随时间变化状态的技术,目前多是基于光的反射和干涉,利用光纤中的光散射随外部环境发生的变化来进行传感[33].

  2011年,赵雪峰等人[34]基于分布式布里渊光学时域反射(BOTDR)开发一种用于监测混凝土结构中的钢筋腐蚀.传感器是在一段抛光的钢筋表面缠绕抗折光纤,缠绕时将光纤微拉伸后并固定,使其带有一定预应力,把这样做好的两个布里渊光纤腐蚀传感器埋入混凝土试件中,并两个传感段光纤熔接在同一个光纤回路中,使用布里渊分析仪进行数据采集,从而对钢筋腐蚀进行分布式监测.通过实验发现光纤应变随时间而持续增长,这表明腐蚀程度随时间而增大,并且通过布里渊分析仪可以测量任意位置处任意时刻光纤应变的数值,对腐蚀进行实时定量评估.这种传感器腐蚀监测范围更大,监测到的钢筋最大质量损失率达到0.25%,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.此外,该传感器具有良好的线性度,能够准确监测钢筋腐蚀的实时情况.在考虑温度补偿之后,将能够在温度变化的环境中应用[35].

  2 、光纤荧光腐蚀传感器

  利用荧光技术和光纤传感技术相结合的光纤荧光传感器检测是目前比较活跃的研究和开发领域.

  荧光光纤传感器的工作机理是建立在光致发光这一物理现象上.当某些荧光材料受到紫外光激发时会发出荧光,荧光强度与腐蚀引起的pH 值和离子浓度有关.不同的荧光材料既可以用作酸碱指示剂来测量pH 值,又可用来测量金属离子浓度.

  2013年,P G Venancio等人[36]基于分子印迹技术(Molecularly Imprinted Technology,MIT)设计了新型的荧光光纤传感器监测航空领域中铝合金腐蚀.分子印迹技术是利用具有分子识别功能的分子印迹聚合物(Molecularly Imprinted Polymer,MIP)和印迹分子模拟酶-底物或抗体-抗原之间的相互作用,对印迹分子进行专一识别的技术.首先,以铝离子为模板,制备出对铝离子具有专一识别能力的MIP-8-羟基喹啉,然后将此MIP涂覆到光纤纤芯上,当腐蚀进行时,通过MIP和腐蚀产生的铝离子聚合形成具有荧光特性的荧光团,荧光团在氙灯发出的光波作用下发出荧光,其光强度受到铝离子浓度的影响,因此通过对荧光强度的测量可检测铝合金腐蚀.实验中发现,该传感器能够有效检测铝离子的存在,对其他金属离子,如:钙离子、钠离子、镁离子和铜离子均无响应,而随着铝离子浓度的增加,荧光强度不断增大,因此该传感器能够有效用于铝合金腐蚀监测.

  3、 基于LPFG双折射特性的腐蚀传感器

  长周期光纤光栅(LPFG)纤芯横向折射率分布不均匀,使得LPFG 具有一定的原始双折射,从而其谐振峰具有一定的偏振相关性[37].当LPFG 受到横向负载的作用时,由于弹光效应的存在,双折射纤芯使得光纤的光学主轴发生一定的旋转,引起偏振光传播常数发生变化,导致LPFG纤芯基模与包层模之间的耦合发生变化,从而改变谐振峰波长和谐振峰幅值.2013年,刘宏月等人[38]设计了基于LPFG横向负载特性的钢筋腐蚀LPFG传感器,通过测量由于待测钢筋锈蚀后体积膨胀后引起的  LPFG谐振峰幅值的变化,实现对钢筋腐蚀状态的监测,进行了腐蚀加速实验,发现LPFG 透射峰变化量与钢筋腐蚀速率之间具有较好的对应关系.当实验进行第32天时,钢筋锈蚀率为6.46%,LPFG谐振峰幅值变化量达到10dB;当腐蚀进行到底120天时,钢筋锈蚀率为27.974%,LPFG 谐振峰幅值变化量达到20dB,此时钢筋锈蚀非常严重.实验中,证明了横向负载的压力作用方向和LPFG原始光学主轴间的夹角对主轴敏感特性有密切关系,夹角越接近45°,由腐蚀引起的应力作用而造成的光纤光学主轴旋转灵敏度越高,因此可以通过调节横向负载对光纤的作用方向来调整该传感器的灵敏度.

  4、 光子晶体光纤腐蚀传感器

  自1997年,Russell等人首次利用拉制出光子晶体光纤(PCF)以来,光子晶体光纤在光纤通讯和传感方面[39]得到了广泛的应用.在折射率导光的PCF中,使沿两个正交方向的空气孔尺寸不同,即使孔型是椭圆而不是圆形,即可获得高双折射效应.

  由一束入射光分出的两个反向传输的光信号通过具有高双折射率效应的PCF后将会产生相位延迟,两者再次相遇发生干涉,而腐蚀引起的应力作用于PCF时,会改变PCF的高双折射效应,使得两束光信号之间的光程差发生变化,输出端光谱将会发生变化,从而对应力的测量,实现腐蚀检测.

  2014年,Colum McCague等人[40]提出应用高双折射光子晶体光纤(HiBi-PCF)传感器监测混凝土结构中钢筋腐蚀情况.在钢筋腐蚀过程中,钢筋体积膨胀对嵌入混凝土中的HiBi-PCF产生应力作用,随着轴向应力的不断变化,输出光光谱不断变化,从而可用于监测钢筋腐蚀情况.此外,将包含有长170mm 的HiBi-PCF和两根单模光纤的传感器安置于钢筋混凝土中进行腐蚀加速试验,发现在腐蚀进行20天时,波长峰值发生约2.5nm的移动,这相当于该光纤每毫米受到0.3125N的压力作用[41],因此该传感器能够有效监测腐蚀引起的钢筋应力变化情况.HiBi-PCF具有极好的温度稳定性[42],既可以在腐蚀传感监测中有效排除多个被测物理量之间的交叉敏感问题,又可以应用于高温环境和低温环境,对温度要求低,且使得该传感器应用更为广泛.

  光纤腐蚀传感器未来发展方向

  近年来,国内外对光纤腐蚀传感器的研究得到了飞速发展,并在土木工程、输送管道和航空领域进行了大量的研究工作,研制出各种腐蚀机理和结构的光纤腐蚀传感器,并从理论和实验上验证了其可行性.

  但目前光纤腐蚀传感器多局限于实验研究领域,离实际应用尚有较大距离.在混凝土钢筋结构中,对腐蚀监测单点式传感器较多,分布式传感器的研究工作还处于起步阶段,光纤传感器可分布式测量的优点并未发挥,许多问题有待解决.将光纤腐蚀传感器投入实际使用,这是是未来研究的最大目标.

  光纤布拉格光栅腐蚀传感系统中交叉敏感问题是限制FBG传感器分布式测量的最大问题.在一般非分布式FBG腐蚀传感器中,往往结合长周期光纤光栅,通过LPFG温度不敏感性,进行温度补偿. 那么在分布式FBG传感系统中,利用长周期光纤光栅如何解决交叉敏感问题,这仍需进一步的研究.

  光子晶体光纤光栅是近年来发展迅速的光子器件,因其后向反射低、插入损耗小、设计自由度大和波长调谐范围宽等优异特性而备受关注.PCF与传统光栅技术的结合,将为光纤光栅领域带来深刻的变革,对光纤腐蚀传感器的开发很有帮助.

  参考文献

  [33]MINARDO Aldo,et al.Bridge monitoring using brillouin fiber-optic sensors[J].IEEE Sensors Journal,2012,12(1):145-150.

  [34]赵雪峰,等.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[J].光电子.激光,2011,22(3):333-337.

  [35]BAO X,et al.Recent progress in distributed fibre optic sensorsbased on Brillouin scattering[J].The International Societyfor Optical Engineering,1995,2507:175-185.

  [36]VENANCIO P G,et al.Optical sensors for corrosion detectionin airframes[J].Sensors and Actuators B:Chemical,2013,182:774-781.

  [37]BACHIM B L,et al.Polarization-dependent loss and birefringencein long-period gratings[J].Applied Optics,2003,42(34):6816-6823.

  [38]刘宏月,等.基于长周期光纤光栅横向负载特性的混凝土结构钢筋锈蚀监测[J].光学学报,2013,33(4):1-7.

  [39]STANISLAV O K,et al.Photonic-crystal fiber as a multifunctionaloptical sensor and sample collector[J].Opt Exp,2007,15(18):11413-11426.

  [40]McCAGUE C,et al.Novel sensor design using photonic crystalfibres for monitoring the onset of corrosion in reinforcedconcrete structures[J].Journal of Lightwave Technology,2014,32(5):891-896.

  [41]McCAGUE C,et al.Novel distributed sensor design for corrosionmonitoring using photonic crystal fibers[J].ICAIT,2013:17-18.

  [42]McCAGUE C,et al.Photonic crystal fibres for monitoring theonset of corrosion in reinforced concrete structures[C].OpticsInfoBase Conference Papers,2013.