一種用于檢測混凝土內氯離子濃度的熒光型光纖傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于微結構光纖傳感器領域，尤其涉及一種用于檢測混凝土內氯離子濃度 的熒光型光纖傳感器。
【背景技術】
[0002] 混凝土耐久性問題是當今世界各國土木工程領域所面臨的最嚴峻問題之一，在環 境介質的長期作用下，混凝土的外觀完整性和使用性能逐漸降低，產生巨大的安全隱患。其 中，氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕在混凝土破壞中處于首要位置，而處于嚴酷環境(高鹽、高 溫差、低濕度、浪濺沖刷）下的混凝土更是承受著高濃度的氯離子侵蝕。氯離子侵蝕會導致 混凝土中鋼筋表面產生點蝕，在高氯離子濃度和足夠的氧氣條件下會使得多點蝕坑擴大與 合并，形成大面積的鋼筋銹蝕。將會使構件承載能力下降，同時鋼筋腐蝕后體積膨脹(最大 可為腐蝕前體積的6~7倍），會使鋼筋周圍的混凝土產生拉應力，降低結構的剛度，變形增 加，影響結構的正常使用降低結構的耐久性。如果能在早期發現混凝土中氯離子濃度，診斷 及時修補，將會大大增強結構的安全性，并且減少經濟損失。傳統的并且廣泛使用的檢測混 凝土中氯離子濃度的方法有:蒸餾分離一一汞鹽滴定法、電位滴定法、硫氰酸銨容量法、比 濁法等，這些檢測方法或多或少都有耗時較長，操作繁瑣等缺點。而且，上述方法均需要取 樣進行有損檢測，無法實現實時、多點監測混凝土中的氯離子濃度。因此，開發一種可以實 時監測混凝土中氯離子濃度的無損監測方法，對嚴酷環境中混凝土耐久性的研究具有重要 意義。
[0003] 光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信和光電子技術的發展而迅速發展起 來的，以光波為傳輸媒質，通過光纖感知和傳輸外界被測量信號的新型傳感技術。與傳統傳 感器相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾、電絕緣性好、靈敏度高、質量輕、體積小、可進行遠 距離實時分析等諸多優點。因此，采用光纖傳感器技術對混凝土中氯離子濃度監測具有顯 著優勢。在國內相關的研究鮮有報道，在國外相關的研究主要是采用在光纖表面或者端面 固定氯離子熒光指示劑進行監測，這樣會存在光纖探頭長時間使用后，特別是在諸如混凝 土內部這類條件復雜的環境中，熒光指示劑易脫落或溶出的問題。隨著光纖傳輸理論和制 備工藝的發展，微結構光纖成為光纖傳感領域的研究熱點。相比傳統的光纖傳感器，基于簡 化微結構光纖的傳感器具有極其突出的優點：（1)顯著提高靈敏度。簡化微結構光纖具有相 當大的內比表面積可用于敏感材料的負載，并且敏感材料與待測物具有足夠大的接觸面 積，可以有效提高光纖傳感探頭的靈敏度；（2)顯著提高穩定性。在微結構光纖傳感探頭的 微孔道內進行待測物的檢測，可大大減小樣品的采集量，避免了傳統光纖傳感探頭敏感層 裸露在外易損傷、易泄漏等問題；（3)靈活設計微結構光纖的結構來優化傳感性能。

【發明內容】

[0004] 本發明針對現有技術中的問題，提供一種用于檢測混凝土內氯離子濃度的熒光型 光纖傳感器，實現靈敏、實時監測混凝土中氯離子的濃度。
[0005] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種用于檢測混凝土內氯離子濃度 的熒光型光纖傳感器，包括光源、測量光纖探頭、平衡光纖探頭、濾光片、信號接收與數據處 理單元，測量光纖探頭置于待測混凝土中，測量光纖探頭的結構為Η型微結構光纖，Η型微結 構光纖的凹槽表面鍍有氯離子敏感膜或光澤精膜，平衡光纖探頭的結構與測量光纖探頭的 結構相同；光源的出射光被分為等強度的兩束，分別進入測量光纖探頭和平衡光纖探頭，分 別照射在Η型微結構光纖表面的氯離子敏感膜或光澤精膜上，激發出熒光，其中待測混凝土 中的氯離子與測量光纖探頭中的氯離子敏感膜或光澤精膜接觸發生熒光猝滅反應，測量光 纖探頭和平衡光纖探頭中激發出的熒光經過反射后，經過濾光片，進入信號接收與數據處 理單元，信號接收與數據處理單元用于采集反射光譜數據并計算待測混凝土中的氯離子濃 度。
[0006] 按上述技術方案，Η型微結構光纖的結構為，在傳統光纖預制棒的兩側打磨出兩個 對稱的U型槽，再經拉制形成的光纖。
[0007] 按上述技術方案，氯離子敏感膜具體采用TE0S溶膠-凝膠體系，取TE0S(正硅酸乙 酯）：無水乙醇:〇.〇1Μ鹽酸=5:8:1.6(￥八），光澤精濃度為2~6\10-%，加入14~18%體積 濃度的甲酰胺。
[0008] 按上述技術方案，平衡光纖探頭與測量光纖探頭的Η型微結構光纖均使用聚四氟 乙烯套進行封裝，其中測量光纖探頭的聚四氟乙烯套上均勻開孔，孔的直徑為：1.8~ 2.2mm〇
[0009] 按上述技術方案，采用提拉法或物理吸附法在Η型微結構光纖的凹槽表面鍍氯離 子敏感膜。
[0010] 本發明用于檢測混凝土內氯離子濃度的熒光型光纖傳感器的工作原理是:利用氯 離子影響特定熒光物質的熒光特性這一特點，基于熒光猝滅原理，通過測量熒光指示劑熒 光峰值強度來監測混凝土中的氯離子濃度。同時，采用平衡光纖探頭與測量光纖探頭結合 的熒光比率法，解決因光源強度波動或者熒光材料光漂白而導致的氯離子濃度測量不準確 的問題。
[0011] 本發明產生的有益效果是：本發明熒光型光纖傳感器具有測量精度和靈敏度較 高、穩定性高以及方便監測等特點，可以用于在線評估鋼筋混凝土中氯離子的濃度。
【附圖說明】
[0012] 下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中：
[0013] 圖1是本發明實施例用于檢測混凝土內氯離子濃度的熒光型光纖傳感器的結構示 意圖；
[0014] 圖2是本發明實施例中測量光纖探頭的剖面圖；
[0015] 圖3是本發明實施例中測量光纖探頭的俯視圖；
[0016] 圖4是本發明實施例中測量光纖探頭的左視圖；
[0017] 圖5是本發明實施例中Η型微結構光纖的橫截面示意圖；
[0018] 圖6是熒光光譜測試圖。
【具體實施方式】
[0019] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不 用于限定本發明。
[0020] 本發明實施例中，提供一種用于檢測混凝土內氯離子濃度的熒光型光纖傳感器， 包括光源、測量光纖探頭、平衡光纖探頭、濾光片、信號接收與數據處理單元，測量光纖探頭 置于待測混凝土中，測量光纖探頭的結構為Η型微結構光纖，Η型微結構光纖的凹槽表面鍍 有氯離子敏感膜或光澤精膜，平衡光纖探頭的結構與測量光纖探頭的結構相同；光源的出 射光被分為等強度的兩束，分別進入測量光纖探頭和平衡光纖探頭，分別照射在Η型微結構 光纖表面的氯離子敏感膜或光澤精膜上，激發出熒光，其中待測混凝土中的氯離子與測量 光纖探頭中的氯離子敏感膜或光澤精膜接觸發生熒光猝滅反應，測量光纖探頭和平衡光纖 探頭中激發出的熒光經過反射后，經過濾光片，進入信號接收與數據處理單元，信號接收與 數據處理單元用于采集反射光譜數據并計算待測混凝土中的氯離子濃度。通過在待測混凝 土中多處布置測量光纖探頭及平衡光纖探頭，可以實現靈敏、實時、多點監測混凝土中氯離 子的濃度。采用熒光比率探頭，將同一光源而來的激發光分為兩個光強相等的部分并讓測 量光纖探頭、平衡光纖探頭分別接受，其中測量光纖探頭與測試環境接觸起到測量氯離子 濃度的作用，平衡光纖探頭與環境隔離起到抵消誤差的作用。最后氯離子濃度的大小由信 號接收與數據處理單元接收的兩個熒光強度之比來表征。
[0021 ]進一步地，Η型微結構光纖的結構為，在傳統光纖預制棒的兩側打磨出兩個對稱的 U型槽，再經拉制形成的光纖。
[0022] Η型微結構光纖的制備過程為:將傳統光纖預制棒(組成為摻鍺二氧化硅）的兩側 打磨出兩個對稱的U型槽，為確保拉制的光纖盡量保持住預制棒原有結構形狀，在光纖拉制 過程中，爐溫較常規拉制工藝低100-200°C。拉制時，光纖內涂層采用了低折射率涂層(折射 率為1.367)，確保光纖涂層未除掉時，光能量傳輸可以完全束縛在纖芯中。拉制出的Η型微 結構光纖直徑為125μηι。
[0023]本發明實施例中，進一步地，氯離子敏感膜具體采用TE0S溶膠-凝膠體系，取TE0S (正硅酸乙酯）：無水乙醇:0.01Μ鹽酸=5:8:1.6 (V/V)，光澤精濃度為2~6 X 10-4Μ，加入14~ 18 %體積濃度的甲酰胺。
[0024]進一步地，平衡光纖探頭與測量光纖探頭的Η型微結構光纖均使用聚四氟乙烯套 進行封裝，其中測量光纖探頭的聚四氟乙烯套14上均勻開孔15,孔的直徑為：1.8~2.2