单端反射镀膜长周期光栅的钢筋锈蚀传感机理及方法研究

In the field of civil engineering, the steel corrosion is one of the reasons why concrete structure durability degraded, and the chloride ion erosion is an important factor which cause the steel corrosion. Real-time and on-line monitoring chloride ion concentration around the reinforcing bar has important significance to find the early reinforcement corrosion. The sensitivity of the refractive index of long period fiber grating is used in this project, based on the coupled-mode theory, comprehensive utilization the surface plasmon resonance (SPR) effect and Michelson interference effect, which have high sensitive response to environment index, establishing a new single end reflection coating structure long period grating (SCLPG), monitoring concentrations of chloride ion concentration around steel in concrete. Establish the sensing mechanism model through the simulation analysis, design chloride ion concentration sensor structure, simulate the sensor working process in the concrete, and optimize the design parameters of the sensor. Through the simulation analysis and reinforcement accelerated corrosion test, the quantitative relationship between the SCLPG sensor response and internal chloride ion concentration around reinforcement concrete is established. The project focuses on LPG theory model which can accurately describe the SPR incentive process and the interference effect, realize the early steel corrosion by monitoring the chlorine ion concentration. Research results of the project will provides new ideas which based on optical fiber grating for rebar corrosion monitoring, and provide theoretical guidance for the practical.

在土木工程领域，钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性劣化的主要原因，而氯离子侵蚀又是引起钢筋锈蚀的因素之一。实时在线监测钢筋周围氯离子浓度的变化，对发现钢筋的早期锈蚀有重要意义。本项目利用长周期光栅对折射率的敏感性，基于光栅耦合模理论，综合利用表面等离子体共振（SPR）效应及迈克尔逊干涉效应对外界折射率高灵敏响应的优势，构建新型的单端反射镀膜结构长周期光栅（SCLPG），建立能够准确反映SPR激励过程和自干涉效应的SCLPG理论模型。通过仿真分析建立其传感机理模型，设计氯离子浓度传感器结构构造，仿真传感器在混凝土中的工作过程，优化传感器的设计参数；通过理论分析和钢筋快速锈蚀试验，建立SCLPG传感器响应与混凝土内部钢筋周围氯离子浓度之间的定量关系。本项目着眼于早期锈蚀时钢筋周围的氯离子浓度监测，研究成果将为基于光纤光栅的钢筋锈蚀智能监测提供新思路，并为SCLPG新型传感器的实用化提供理论指导。

在土木工程领域，钢筋锈蚀是导致混凝土结构耐久性劣化的主要原因，而氯离子侵蚀又是引起钢筋锈蚀的因素之一。实时在线监测钢筋周围氯离子浓度的变化，对发现钢筋的早期锈蚀有重要意义。本项目提出了一种新型探头结构的单端反射镀膜长周期光纤光栅（SCLPG）钢筋锈蚀传感器，利用其对温度和折射率具有灵敏度的特点，实现了对混凝土结构内部钢筋锈蚀的在线监测。项目重点构建了单端反射镀膜长周期光纤光栅的理论模型，研究了SCLPG中光谱与光纤结构参数（光栅周期、长度、纤芯半径、包层半径）和材料因素（折射率调制参量、纤芯折射率、包层折射率）的变化关系，分析了探讨了镀膜参数（镀膜材料、厚度）对单端反射镀膜长周期光纤光栅的温度传感特性以及折射率传感特性的影响，获得了对长周期光纤光栅光谱特性响应的一系列定性和定量的规律，为单端反射镀膜长周期光纤光栅传感探头对钢筋锈蚀监测的特性设计、参数优化提供了理论依据。项目在执行期间内，研究了单端反射镀膜长周期光纤光栅传感探头的制备方案优化，并对传感探头进行温度及折射率试验，验证了其与理论模型分析的一致性，为将SCLPG传感探头用于钢筋锈蚀监测提供了可靠的试验基础。此外，本项目还提出了两种单端反射镀膜长周期光纤光栅的解调方案，并进行了分析与探讨。在本项目实施的最后阶段，针对混凝土环境中的恶劣环境以及监测对象中的多参量耦合效应，项目组进行了温度补偿的理论分析，探讨了能够实现传感器温度补偿的结构封装方案设计，实现了对传感器的安全保护，以保证传感器的使用寿命，采用钢筋快速锈蚀试验，采用封装好的传感器对埋入混凝土结构中的钢筋锈蚀进行了试验，获得了用于钢筋锈蚀监测的各项数据，完成了本项目申请书中的所有研究内容和研究目标。 本项目将光纤光栅传感领域的最新研究成果应用到钢筋锈蚀监测中，体现了多学科的交叉融合，项目执行期间成功发表多篇SCI/EI等各类期刊文章，申请并授权多项专利，为今后的进一步深入研究奠定了良好的工作基础。