一种适用于地下结构腐蚀监测的长周期光纤光栅传感技术

摘要

近年来混凝土中钢筋的腐蚀已成为最受关注的耐久性问题之一，地下钢筋混凝土结构由于其服役的地下岩土环境具有复杂性、多样性、多变性的特点，与大气环境下的工业和民用建筑相比，存在的腐蚀问题更为突出，直接威胁着地下工程中几乎所有建筑物和构筑物的耐久性和安全性。
　　目前应用于钢筋腐蚀监测的技术大多使用传统的电子类传感器，这类传感器都已经是在钢筋混凝土结构发生腐蚀之后才能给出腐蚀信息，并且由于地下腐蚀环境复杂，使得传统传感器无法长期稳定工作。本文提出利用长周期光纤光栅传感器的耐腐蚀性、高灵敏度、能够分布式传感等优点，采用仿真软件进行光谱传输模拟，找到传感性能最佳时的光栅刻写参数以及光子晶体光纤构造参数。主要研究成果如下：
　　（1）根据混凝土碳化和氯离子侵蚀机理，得出了长周期光纤光栅传感器应用于钢筋腐蚀监测时的目标介质及其临界值：对于碳化作用，pH=9和pH=15分别是钝化膜完全破坏和开始破坏的值；对于氯离子侵蚀作用，--[Cl]/[OH]的临界值由拟合函数给出。
　　（2）通过商业仿真软件OptiGrating4.2.2对LPG光谱特性进行模拟分析，分别模拟了LPG的温度、应变、折射率传感特性，通过模拟LPG对于CO2浓度的传感，得到用于CO2浓度监测的LPG刻写参数为：周期380μm，周期个数为110，栅区长度4.15cm。同时对LPG湿度传感器进行了实验，由实验结果看出， LPG能够很好的对相对湿度进行监测，并且实验数据和模拟数据吻合较为理想。
　　（3）利用光学有限元软件Lumerical MODE Solutions对光子晶体光纤长周期光栅进行模式分析，找到了灵敏度最高的IG-PCF几何参数，性能最优的H5-2.8-7.0模型光功率百分比和灵敏度系数都是基模传感时的60多倍，将其应用于钢筋腐蚀监测中可以得到更准确的腐蚀信息。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 混凝土钢筋锈蚀监测方法研究现状及分析

1.2.1传统监测方法

1.2.2光纤光栅传感方法

1.3.3研究现状分析

1.4主要研究内容

1.4.1普通光纤长周期光栅传感器设计方法

1.4.1光子晶体光纤长周期光栅传感器设计方法

1.4.3研究方案

第2章 腐蚀机理研究

2.1 引言

2.2 钢筋腐蚀因素

2.3混凝土碳化作用

2.3.1 碳化作用机理

2.3.2 碳化深度预测模型

2.3.3 临界值的确定

2.4氯离子侵蚀作用

2.4.1 氯离子侵蚀作用机理

2.4.2 氯离子扩散模型

2.4.3 氯离子临界值的确定

2.5本章小结

第3章 长周期光纤光栅传感器

3.1引言

3.2长周期光纤光栅传感原理

3.2.1 光纤光栅基础

3.2.2 光纤光栅传感理论

3.2.3传感系统的组成

3.3长周期光纤光栅传感特性

3.3.1温度传感特性

3.3.2轴向应变传感特性

3.3.3折射率传感特性

3.4长周期光纤光栅模拟计算

3.4.1不同栅区长度的LPG对比模拟

3.4.2不同栅区温度的LPG对比模拟

3.4.3不同栅区应变的LPG对比模拟

3.4.4 LPG折射率传感模拟

3.4.5 LPG二氧化碳传感模拟

3.5 传感实验

3.5.1 裸露LPG对RH的监测

3.6本章小结

第4章 光子晶体光纤长周期光栅传感器

4.1引言

4.2传感原理

4.3数值模拟

4.3.1数值模拟工具

4.3.2建立模型

4.4模拟结果及分析

4.4.1 圆形排列模型模拟结果

4.4.2 正六边形排列模型模拟结果

4.5本章小结

结论与展望

参考文献

声明

致谢