赵雪峰1*，宫 鹏1，路 杰1，欧进萍1,2
秘鲁大冒险3d
(1.大连理工大学土木工程学院，辽宁大连116024;2.哈尔滨工业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨150090)
摘要：研究开发了一种用于监测钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的基于分布式布里渊光学时域反射(BOTDR)的光纤腐蚀传感器，探讨了布里渊传感技术中有效测点的选择方法，并推导了适用于布里渊光纤腐蚀传感器的钢筋腐蚀定量评价公式。利用电化学加速腐蚀实验系统对埋入混凝土试件中的布里渊光纤腐蚀传感器的性能进行了实验研究，利用推导的钢筋腐蚀定量评价公式和布里渊分析仪采集到的数据对钢筋腐蚀的程度进行了实时监测。实验研究表明，该传感器能够有效监测钢筋的早期腐蚀，并实现了对腐蚀的准分布式、实时和定量测量。布里渊光纤腐蚀传感器对钢筋质量损失率 的有效监测范围约为0.0~0.1%，分辨率约为1.1 10-5。 关键词：布里渊光学时域反射(BOTDR)；腐蚀传感器；准分布式测量；有效测点；钢筋
中图分类号:TP212 文献标识码:A 文章编号:1005 0086(2011)03 0333 05
Experim ental research on the fiber corr osion sensor based on dis tributed Brillouin optical time dom ai
n reflection technique
ZH AO Xue feng1*,GONG Peng1,LU Jie1,OU Jin ping1,2
(1.School of Civil Engineering,Dalian Uni versi ty of Technology,Dalian116024,China;2.Schoo l of Civil Engineer ing,Har bin Institute of Technology,Harbin150090,China)
Ab st ract:A novel fiber corrosion sensor based on distributed Brillouin opt ical time domain reflection (BOT DR)has been developed,which can monitor st eel corrosion in c oncrete struc tures.T he c hoosing method of valid sampling points on opt ical fiber was proposed,and furt hermore,the evaluation formula was derived to make quantitat ive assessment of steel corrosion.T he properties of BOTDR fiber c orrosion sensors embedded in concrete structures were researched in t he electrochemic al corrosion accelerating testing syste m,and the degree of steel corrosion was gaine d through the evaluat ion formula and data col lected by the BOTDR analyzer.T he test results show that BOTDR fiber corrosion sensors c an monitor steel corrosion in early st age effec t ively,and can c arry out quasi distributed,real time and quantitat ive measurement of steel corrosion.The effective monitoring range of the loss rate of steel mass by the BOTDR fiber corrosion sensor is about0 0.1%,and the resolution is about1.1 10-5.
Ke y wor ds:Brillouin optical time domain reflec t ion(BOT DR);c orrosion sensor;quasi distributed meas ure ment;valid sampling point;steel
1 引 言
钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀已经成为一个世界性的难题，长期处于恶劣环境中的结构物腐蚀尤为严重[1]。钢筋的腐蚀导致了结构高额的维修费用，有时甚至超过了结构本身的建造费用，在极端情况下还可能导致结构的倒塌[2~5]。 为保障结构的安全性、耐久性和经济性，已建成或在建的许多大型结构上急需采用有效的手段监测和评定其安全状况、修复和控制损伤[6]。对腐蚀环境下的混凝土结构进行健康监测，可以对结构的早期腐蚀情况进行预警，有效降低结构运营期间的维护费用，并防止结构突然垮塌事故的发生，具有重要意义。
光电子激光
第22卷第3期 2011年3月 Journal of Optoelectronics Laser Vo l.22No.3 M ar.2011
*E mail:zhaoxf@dlut.edu
收稿日期:2010 07 03 修订日期:2010 10 12
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50808031)；教育部博士点基金资助项目(200801411101);!十一五∀国家科技支撑计划重点资助项目(2006BAJ03B05 01)
然而，大型工程结构体型大、结构复杂、使用期限长和环境因素影响大，传统的腐蚀传感器的性能和耐久性不能很好地满足工程实际的需要。
近年发展迅速的布里渊分布式光纤传感技术，则由于耐久性强、可分布式测量、不受电磁干扰和价格低廉等优点，在结构健康监测领域得到了广泛的应用[8]。
为了满足工程上对钢筋腐蚀进行长期、实时、定量分布式测量的需求，本文研制了一种布里渊光纤腐蚀传感器，推导了适用于该传感器的腐蚀评价公式，并进行了实验室模拟环境下的腐蚀传感特性研究。
2 布里渊光纤传感基本原理
布里渊光纤传感技术是将布里渊散射与光时域反射仪(OTDR)技术相结合实现光纤应变或温度分布测量的。布里渊散射光是由一相干光与注入光纤中的光所产生的声波(声子)相互作用产生的。布里渊散射光的频率相对于入射光频率发生的漂移称为布里渊频移，它可表示为[10] f B =2nv a / (1)式中:n 表示光纤折射率;v a 表示声速; 表示入射光波长。 布里渊频移与温度和应变的变化成正比，布里渊频移的改变量可表示为[12]
f B =k ft T +k f ! !(2)式中:k ft 表示布里渊频移的温度系数;k f !表示布里渊频移的应变系数; !为光纤应变的改变量; T 为环境温度的改变量。
3 布里渊光纤腐蚀传感器设计
布里渊光纤腐蚀传感器如图1所示，其设计如下所述:1)将长度为180mm 的∀22mm 螺纹钢在距一端为45~55mm 段抛光，抛光后的直径为18.5mm;2)在抛光后的钢筋上单层连续缠绕抗折光纤若干圈，缠绕的光纤总长度为2.5m，光纤层沿钢筋轴向的长度约为7.5mm，缠绕时让光纤带有一定的预应力，保证光纤和钢筋表面紧密接触;3)将光纤两端分别用环氧树脂胶固定在钢筋上，沿钢筋方向将带保护套的普通光缆引出，抗折光纤与普通光缆的熔接处恰好布置在环氧树脂胶固定点;4)在光纤层外加透水材料保护层防止光纤在混凝土浇筑过程中破坏;5)
在透水材料保护层外增设铁丝网保护层以
图1 布里渊光纤腐蚀传感器设计F ig.1 Brillouin optica l fiber corrosion senso r design
抵抗浇筑混凝土试件时的冲击和振捣作用;6)用细铁丝将铁丝网保护层的两端牢固的固定在螺纹钢筋上。
4 钢筋腐蚀程度评价公式推导
评价公式推导过程中做如下基本假定:
1)光纤层的实际厚度很小，约为抛光后钢筋直径的1/72，因此光纤层对测量结果的影响很小，推导过程中忽略光纤层的厚度;
2)钢筋在NaCl 溶液中发生均匀腐蚀，即腐蚀发生后钢筋抛光段仍为圆形截面;
真情耀中华3)抛光段钢筋腐蚀后，所有的腐蚀产物均留在光纤层以内，不向光纤层外溢出;
4)实验室内温度恒定，测量结果不受温度变化的影响。 设钢筋发生腐蚀前外径为D，腐蚀后外径为D 1，腐蚀后包含铁锈层后的外径为D 2，钢筋的密度为#，钢筋腐蚀后铁锈的体积膨胀率为∃，钢筋腐蚀后的质量损失率为 ，试验测得的光纤应变为!。钢筋腐蚀程度的评价公式推导如下:
钢筋腐蚀发生后传感器监测位置的钢筋质量损失率为
=%(D 2-D 21)#
%D 2
#
(3) 化简后整理得
D 21
D
2=1- (4)
传感段光纤的应变满足
!=%(D 2-D)
%D
(5)
化简为
!=(D 2-D)
D
(6)
腐蚀后钢筋的直径关系满足
%(D 2-D 21)g ∃=%(D 22-D 2
1)(7)化简为
(D 2-D 21)g ∃=D 22-D 2
1(8) 将式(8)变形后可得
D 2-D 21D 2g ∃=D 2-D D g D 2+D D -D 21
D
2+1(9)
在钢筋腐蚀较轻的情况下，对于式(9)可认为
D 2+D
D
#2(10) 将式(4)、(6)和(10)带入式(9)可得
=2!
∃-1
(11)
式(11)即为评价布里渊光纤腐蚀传感器监测到钢筋腐蚀情况的公式，其仅适用于布里渊光纤腐蚀传感器监测腐蚀结果的评价。
5 混凝土试件钢筋腐蚀监测试验
为研究布里渊光纤腐蚀传感器对钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀的监测实际效果。采用如图2所示电化学加速腐蚀实验系统进行混凝土试件的钢筋腐蚀监测试验。在通电时，钢筋端为正极，钢板端为负极，在钢板与钢筋间，电路依靠离子导电,
从而将溶液中的Cl -源源不断的输送到钢筋表面。而Cl -是影
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光电子 激光 2011年 第22卷
响钢筋腐蚀的最重要因素之一，因而该装置极大的加速了钢筋的腐蚀速率。试验中,NaCl 溶液质量浓度为5.0%，电源采用稳压电源，整个试验过程中加在每个试件两端的电压均为31.5V
。
图2 电化学加速腐蚀试验系统
Fig .2 Electrochem ica l corrosion accelerating testing sy stem
试验前，将两个做好的布里渊光纤腐蚀传感器埋入混凝土
试件中，传感器编号为S.1和S.2，对应的混凝土试件编号为No.1和No.2。混凝土试件尺寸均为100mm 100mm 300mm，所用混凝土的强度为C30，水泥标号为P.O 32.5,W/C 为0.53，混凝土配合比为C ∃W ∃S ∃G =1.00∃0.53∃1.64∃3.49。每个混凝土试件中只放1个传感器，并且放置在试件的轴心，混凝土试件制作完成后，放入蒸汽养护室中养护7d 后取出，在室温下放置3d 开始试验。
试验时，将传感器S.1和S.2的传感段光纤熔接在同一光纤回路中，对钢筋腐蚀进行准分布式监测。试验中采用布里渊分析仪进行数据采集，采样时间间隔为1h，采样间距为0.41m，空间分辨率为1.0m 。
读报节目试验系统搭建完毕后，对试件进行连续的通电加速腐蚀试验(中途停电时间，认为钢筋不发生腐蚀)，直至混凝土试件No.1出现较大裂缝，传感器S.1因裂缝通过而遭受破坏。此时，将两个试件同时取出，停止钢筋腐蚀试验并进行钢筋腐蚀情况评价。
布里渊光纤腐蚀传感器S.1和S.2监测到的光纤回路上各测点的距离 时间 应变曲线如图3所示，其中距离是指光纤回路上各测点距光纤回路零点的位置。从图3可以清晰看到，距光纤回路端点约41~42m 和48~49m 的两个位置处光纤产生明显应变，其中41~42m 的光纤应变是传感器S.1监测到的试件No.1中抛光段钢筋的腐蚀情况,48~49m 的光纤应变是传感器S.2监测到的试件No.2中抛光段钢筋的腐蚀情况。这表明，该传感器同时有效地监测到了两个试件中的钢筋腐蚀情况，实现了准分布式的监测；并且光纤应变随时间而持续增长，表明腐蚀程度随时间而增大；从z 轴上可以直接读出任意位置处任意时刻光纤应变的数值，表明该传感器可对腐蚀进行定量评估。
如果光纤回路中，某个测点的空间分辨率确定的范围全部在传感器的传感段光纤上，则把这个测点称为有效测点，否则称之为无效测点。
试验中，测量的采样间隔为0.41m，空间分辨率为1.0m，缠绕在试件No.1中传感器S.1上的传感段光纤有效长度为
2.5m，因此分布在该传感段光纤上的有效测点至少有3个，具体分析如图4
所示。
图3 光纤回路上各测点的距离 时间 应变曲线
F ig .3 The diagram of distance tim e strain rela tionship o f po ints on the optical
fiber
图4 传感光纤上有效测点的分布F ig .4 The distribution of v alid sa mpling
points o n the o ptical fiber
据此，从图3曲线中取传感器S.1的传感段光纤应变峰值处的3个测点(分别在光纤环路距起始点41.51、41.92和42.33m 的位置处)为有效测点，并将其平均值作为每个时间点上传感段光纤的平均应变值。由此，可得试件No.1中传感器S.1的传感段光纤平均应变随时间变化的情况，如图5所示。从图5可以看出，传感器S.1中的传感段光纤的应变随时间而增长，应变的最大测量值发生在35h 达到了1296.7&!。
图5 试件N o.1中传感器S .1的应变与时间关系F ig .5 D iagram of strain time relationship o f
the sensor S.1in the specimen No .1
335 第3期 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
在相同试验环境中，对布里渊光纤腐蚀传感器的光纤层进行保护，可测得严重腐蚀情况下光纤的应变和钢筋腐蚀前后直径的变化情况，通过试验后测得的钢筋直径变化即可知道钢筋的质量损失率 ，将!和 代入式(11)可得到该试验环境下铁锈体积膨胀率∃=2.05。将试验数据带入式(11)可得钢筋的最
大质量损失率 =2 0.0013
2.05-1
=0.25%。
假定钢筋腐蚀后∃在整个腐蚀过程中保持不变，则可以得到钢筋腐蚀程度随时间变化的情况，如图6所示。试验结束后，试件No.1中钢筋的实际腐蚀情况如图7
所示。
图6 试件1中钢筋质量损失率与时间关系图F ig .6 D iagram of the relationship between
the loss rate o f steel ma ss a nd tim e in the specim en No.
1
图7 试件N o.1中钢筋腐蚀情况F ig .7 Steel corrosion in the specim en No.1
试验结束后，将试件No.1、试件No.2同时取出，试件No.1表面已经出现一条贯通试件3个平面的显著裂缝，如图8所示，裂缝在试件底面贯通，在试件的两个侧面上，裂缝距底面的开展深度都达到了68mm 。对于实际应用中的绝大多数情况，这一开裂深度已经严重危害到了
结构的安全性。
图8 混凝试件N o.1开裂F ig.8 T he specim en N o.1cracking
传感器S.2的传感原理、试件制作方法、试验环境和数据
黄金龟甲虫
分析方法都与传感器S.1的情况完全相同，传感器S.2的应变时间曲线如图9
所示。
图9 试件No.2中传感器S.2的应变与时间关系图
F ig .9 D iagram of strain time relationship o f
the sensor S.2in the specimen No .2
在评价试验腐蚀程度过程中,∃依然采用试验环境下的实
测值2.05。据此，将以上数据带入式(11)可得钢筋的质量损失
率 =2 0.000682.05-1
=0.13%。
假定钢筋腐蚀后∃在整个腐蚀过程中保持不变，则可以得到钢筋腐蚀程度随时间变化，如图10
所示。
图10 试件2中钢筋质量损失率与时间的关系Fig .10 Dia gram of the rela tionship betw een the lo ss rate of steel m ass a nd time in the specimen No.2
在试验进行到35h 后停止试验，将试件No.1和试件No.2取出，经观测试件No.2的混凝土并未出现裂缝。 试验所用布里渊分析仪的应变空间分辨率为6.0&!，结合式(11)可得布里渊光纤腐蚀传感器对钢筋质量损失率 的分辨率约为1.1 10-5。由于仅做了两个试件的腐蚀试验，传感器S.1监测到的钢筋最大质量损失率为0.25%，并且传感器已经破坏，传感器S.2监测到的钢筋最大质量损失率为0.13%，但传感器并未破坏，所以保守考虑布里渊光纤腐蚀传感器对钢筋质量损失率 的有效监测范围至少约为0.0~0.1%。
6 布里渊光纤腐蚀传感器特性分析
布里渊光纤腐蚀传感器用于监测钢筋腐蚀的优势:1)在
试验开始的1h 内便能有效监测到钢筋的腐蚀情况，说明传感器具有很好的灵敏特性，能够有效监测钢筋的早期腐蚀;2)钢筋腐蚀监测范围大，从钢筋开始腐蚀可以一直监测到钢筋混凝土试件出现较大裂缝，测量范围足以满足实际工程的需要;
336
光电子 激光 2011年 第22卷
普朗克常数
3)具有良好的线性度，能够准确监测钢筋腐蚀的实时情况;4)传感部件与整个监测环路均为光纤，传感器的造价低廉;5)光纤的主要成分为SiO2，化学性质稳定，因此传感器的耐久性好，适用于钢筋混凝土结构的长期腐蚀监测和恶劣环境下的钢筋混凝土结构的腐蚀监测。
布里渊光纤腐蚀传感器用于监测钢筋腐蚀的不足:1)传感器的传感段光纤与钢筋表面直接接触，当混凝土发生较大裂缝时，光纤容易遭到破坏，因此不能适用于钢筋腐蚀特别严重的情况;2)钢筋腐蚀后会有部分铁锈从光纤层内溢出，使测量结果偏小，需要对这部分进行修正;3)当温度发生较大变化时会对测量结果产生较大影响，不适用于监测过程中温度发生较大变化的环境。
布里渊光纤腐蚀传感器的改进方案：对布里渊光纤腐蚀传感器进行温度补偿，使其能够在温度变化的环境中应用。
7 结 论
开发了能够有效监测钢筋腐蚀程度的布里渊光纤腐蚀传感器，探讨了布里渊传感技术中有效测点的选择方法，推导了适用于传感器的钢筋腐蚀定量评价公式，并对传感器的钢筋腐蚀监测性能进行了试验
研究。结果表明：在钢筋发生腐蚀到混凝土开裂后的很长一段时间，传感器均能对钢筋的腐蚀程度做出有效监测；传感器的有效监测范围约为0.0~0.1%，分辨率约为1.1 10-5，监测到的钢筋最大质量损失率达到了0.25%；传感器能够对钢筋腐蚀进行有效的准分布式实时定量监测。
对布里渊光纤腐蚀传感器提出了具体的改进方案，使其能够适用于温度有较大变化的工程环境中。
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作者简介:
赵雪峰 (1977-)，男，黑龙江肇州人，讲师，从事光纤传感技术的研究
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第3期 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
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