一种基于光纤传感的地铁金属结构杂散电流腐蚀监测方法

摘要

一种基于光纤传感的地铁金属结构杂散电流腐蚀监测方法，属于金属结构腐蚀监测方法。监测方法是由ASE宽带光源发出的光经过1*2光纤耦合器分别传输给偏振控制器和2*1光纤耦合器，偏振控制器与光纤传感头入纤相连，光纤传感头尾纤与已写入长周期光纤光栅的保偏光纤相连，2*1光纤耦合器的输出端与已写入布拉格光栅的光纤相连，然后与腐蚀传感头入纤相连，腐蚀传感头尾纤与写入布拉格光栅的光纤相连；传感方法为将光源输出的光经耦合器分别送入光纤电流传感单元和腐蚀传感单元；在电流传感区内传感光纤缠绕在载有杂散电流的结构钢筋上；利用电化学方法在导电金属膜层外修饰Fe-C合金膜。采用全光纤传输，光路简单、绝缘性能好，测量结果不易受杂散场的影响。

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种金属结构腐蚀监测方法，特别是一种基于光纤传感的地铁金属结构杂散电流腐蚀监测方法。

背景技术

引起地铁金属结构腐蚀的原因有两个，第一是自然腐蚀，第二是杂散电流腐蚀。经过大量研究表明,地铁金属结构杂散电流腐蚀的程度要远远大于自然腐蚀，因此地铁金属结构的腐蚀监测主要针对地铁杂散电流腐蚀监测。地铁基本上都采用走行轨回流的直流牵引供电方式，此种回流方式必然会存在杂散电流的泄漏问题，由于杂散电流的作用，会引起埋地金属产生电解形式的腐蚀，此种腐蚀通常称为杂散电流腐蚀。杂散电流腐蚀不仅速度快，而且在金属表面常呈现深度的穿孔状腐蚀，造成灾难性后果，因此地铁运营过程中必须监测杂散电流腐蚀情况，主要监测杂散电流的分布以及埋地金属腐蚀程度。

目前世界各国监测地铁杂散电流腐蚀的方法是采用标准半电池电位法，在地铁建设初期埋设永久性参比电极（长效Cu／CuSO4），通过测量埋地金属结构与参比电极之间的电位差来反映地铁杂散电流的扰动情况以及腐蚀情况，采用此种方法存在以下问题：⑴ 金属腐蚀是一个长期累计的结果，长效参比电极的寿命有限，若干年后，其测量效果受到影响；⑵由于混凝土是多孔结构，具有一定的渗透性，要使埋入式参比电极电位长期稳定的关键是要具备合适的离子富集填料和适应电极工作且能防干涸的周围环境，否则，参比电极电位的长期稳定性就较差，而要使参比电极长年保持防干涸的环境难度非常大；⑶ 在极化电位的监测中存在IR降，IR降的存在会给极化电位的测量带来误差，在存在有杂散电流扰动时，消除IR降的影响是比较困难的。对杂散电流腐蚀监测要求监测埋地金属管线和混凝土主体结构钢筋杂散电流的分布状况，同时监测其腐蚀程度，目前的监测方法和手段很难实现。

发明内容

本发明的目的是要提供一种测量结果不易受杂散场的影响，且测量频带宽、动态范围大的基于光纤传感的地铁金属结构杂散电流腐蚀监测方法。

发明的目的是这样实现的：包括监测方法和传感方法；

监测方法是由ASE宽带光源发出的光经过1*2光纤耦合器分别传输给偏振控制器和2*1光纤耦合器，偏振控制器与光纤传感头入纤相连，光纤传感头尾纤与已写入长周期光纤光栅的保偏光纤相连，2*1光纤耦合器的输出端与已写入布拉格光栅的光纤相连，然后与腐蚀传感头入纤相连，腐蚀传感头尾纤与写入布拉格光栅的光纤相连；

所述的偏振控制器的输出特征为椭圆偏振光；

所述的长周期光纤光栅写于熊猫保偏光纤上，两个布拉格光栅的中心波长分别为                                                、；由光谱仪接收长周期光纤光栅透射过来的光信号以及布拉格光栅和布拉格光栅反射回来的光信号；

传感方法为将光源输出的光经耦合器分别送入光纤电流传感单元和腐蚀传感单元；在电流传感区内传感光纤缠绕在载有杂散电流的结构钢筋上；在腐蚀传感区内光纤纤芯表面沉积导电金属膜层，再利用电化学方法在导电金属膜层外修饰Fe-C合金膜。

所述的电流传感单元的光从光源输出经过耦合器后与偏振控制器相连，偏振控制器通过保偏光纤与光纤电流传感头的入纤相连，光纤传感头的尾纤与已写入长周期光栅的保偏光纤相连，光谱仪采集经过长周期光纤光栅透射过来的光信号；所述的光源为ASE宽带光源；所述的偏振控制器输出的光为椭圆偏振光；所述的光纤电流传感头为高圆双折射光纤，光纤传感头的圈数根据被测电流的大小进行调节；所述的长周期保偏光栅为在熊猫保偏光纤上用高频CO2激光脉冲写入法写入的长周期光纤光栅，利用长周期保偏光纤光栅两相邻谐振峰幅值差与偏振角度的变化规律，来解调光纤传感头中杂散电流的变化。

所述的腐蚀传感单元的光从光源经过第一耦合器后与第二耦合器相连，第一耦合器通过写有布拉格光栅的第一光纤与腐蚀传感头入纤相连，传感头尾纤与另一写有布拉格光栅的第二光纤相连，两布拉格光栅的反射光通过耦合器输入光谱仪，光谱仪采集由布拉格光纤光栅反射回来的光信号；所述的两个布拉格光纤光栅为两个波长不同的光纤光栅；所述的腐蚀传感头是先在去除包层的纤芯上PVD溅射金，在PVD溅射金前需对纤芯进行粗化处理，然后采用离子溅射或电镀的方法在导电膜上镀一定厚度的Fe-C合金膜，在镀膜过程中用石英晶体测厚仪来控制膜层的沉积速率和膜层厚度。

有益效果，由于采用了上述方案，根据光栅的波分复用，在能观察杂散电流辩护趋势的同时实时监测埋地金属的腐蚀情况；系统灵敏度可根据实际杂散电流腐蚀情况来调整光纤电流传感头的环绕圈数和Fe-C合金膜的镀膜厚度；偏振光经过传感区后，由法拉第效应可知，偏振面将旋转一定的角度，该角度与结构钢筋上的杂散电流有一定的关系，将输出的光信号运算和处理就能得到该处的杂散电流情况。腐蚀传感区内在光纤纤芯表面沉积导电金属膜层，再利用电化学方法修饰Fe-C合金膜，金属膜对纤芯内的光纤有较强的散射作用，随着腐蚀的进行，合金膜部分破损，纤芯内传输的光受到的散射作用减弱，造成光功率的明显变化，通过监测输出功率的变化就可以监测埋地结构金属腐蚀情况。

利用长周期保偏光纤光栅谐振峰幅值的大小变化与偏振角度的对应关系来判断杂散电流的变化趋势，为光纤电流传感部分的解调提供了很大的方便；同时利用两布拉格光栅的强度比值来测量腐蚀传感部分光功率的变化，可以利用光栅的波分复用进行多点监测，测量结果不易受杂散场的影响，且测量频带宽、动态范围大，达到了本发明的目的。

优点：采用全光纤传输，光路简单、绝缘性能好，测量结果不易受杂散场的影响，且测量频带宽、动态范围大，具有很好的工程应用前景。

光纤具有径细、质轻、抗强电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、集信息传感与传输于一体，并易于集成于混凝土内，使得该方法能较好地克服传统的基于极化电位监测的杂散电流腐蚀监测方法存在的问题。

附图说明

图1为本发明传感方法的系统结构示意图。

图2为本发明传感方法的光纤电流传感头示意图。

图3为本发明传感方法的光纤腐蚀传感头示意图。

图中，1、ASE宽带光源；2、1*2光纤耦合器；3、偏振控制器；4、光纤电流传感头；5、长周期保偏光纤光栅；6、2*1光纤耦合器；7、中心波长为布拉格光栅；8、光纤腐蚀传感头；9、中心波长为布拉格光栅；10、光谱仪；11、纤芯；12、包层；13、中间导电层金膜；14、Fe-C合金膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

实施例1：包括监测方法和传感方法；

监测方法是由ASE宽带光源1发出的光经过1*2光纤耦合器2分别传输给偏振控制器3和2*1光纤耦合器6，偏振控制器3与光纤传感头4入纤相连，光纤传感头4尾纤与已写入长周期光纤光栅的保偏光纤5相连，2*1光纤耦合器6的输出端与已写入布拉格光栅7的光纤相连，然后与腐蚀传感头8入纤相连，腐蚀传感头8尾纤与写入布拉格光栅9的光纤相连；

所述的偏振控制器3的输出特征为椭圆偏振光；

所述的长周期光纤光栅写于熊猫保偏光纤上，两个布拉格光栅的中心波长分别为、；由光谱仪10接收长周期光纤光栅透射过来的光信号以及布拉格光栅7和布拉格光栅9反射回来的光信号；

传感方法为将光源输出的光经耦合器分别送入光纤电流传感单元和腐蚀传感单元；在电流传感区内传感光纤缠绕在载有杂散电流的结构钢筋上；在腐蚀传感区内光纤纤芯表面沉积导电金属膜层，再利用电化学方法在导电金属膜层外修饰Fe-C合金膜。

所述的电流传感单元的光从光源输出经过耦合器后与偏振控制器相连，偏振控制器通过保偏光纤与光纤电流传感头的入纤相连，光纤传感头的尾纤与已写入长周期光栅的保偏光纤相连，光谱仪采集经过长周期光纤光栅透射过来的光信号；所述的光源为ASE宽带光源；所述的偏振控制器输出的光为椭圆偏振光；所述的光纤电流传感头为高圆双折射光纤，光纤传感头的圈数根据被测电流的大小进行调节，当被测电流数量级较小时，增加光纤电流传感头的圈数；当被测电流数量级较大时，减少光纤电流传感头的圈数；所述的长周期保偏光栅为在熊猫保偏光纤上用高频CO2激光脉冲写入法写入的长周期光纤光栅，利用长周期保偏光纤光栅两相邻谐振峰幅值差与偏振角度的变化规律，来解调光纤传感头中杂散电流的变化。

所述的腐蚀传感单元的光从光源经过第一耦合器后与第二耦合器相连，第一耦合器通过写有布拉格光栅的第一光纤与腐蚀传感头入纤相连，传感头尾纤与另一写有布拉格光栅的第二光纤相连，两布拉格光栅的反射光通过耦合器输入光谱仪，光谱仪采集由布拉格光纤光栅反射回来的光信号；所述的两个布拉格光纤光栅为两个波长不同的光纤光栅；所述的腐蚀传感头是先在去除包层的纤芯上PVD溅射金，为了使金膜与纤芯有较好的结合力，在PVD溅射金前需对纤芯进行粗化处理，然后采用离子溅射或电镀的方法在导电膜上镀一定厚度的Fe-C合金膜，在镀膜过程中用石英晶体测厚仪来控制膜层的沉积速率和膜层厚度。

为实现上述的金属结构杂散电流腐蚀监测方法，本发明的系统结构由ASE宽带光源1、1*2光纤耦合器2、偏振控制器3、光纤电流传感头4、长周期保偏光纤光栅5、2*1光纤耦合器6、中心波长为布拉格光栅7、光纤腐蚀传感头8、中心波长为布拉格光栅9和光谱仪10组成。其传感过程是这样实现的：ASE宽带光源1发出的光经过1*2光纤耦合器2分别传输给偏振控制器3和2*1光纤耦合器6，从偏振控制器输出的椭圆偏振光耦合进光纤电流传感头4，椭圆偏振光经过环绕载流导体的光纤电流传感头4时受到法拉第旋光效应的作用偏振面旋转了一定的角度。将光纤电流传感头4输出的光送入已写入长周期光纤光栅的保偏光纤5，光纤电流传感头4中偏振面的旋转可以通过长周期保偏光纤光栅5的谐振峰幅值的大小变化表现出来，由光谱仪接收长周期保偏光纤光栅5的输出信号。2*1光纤耦合器6的输出端耦合进写有中心波长为的布拉格光栅7的光纤，然后将光传入腐蚀传感头8，经过腐蚀传感头8的光信号输入写有中心波长为的布拉格光栅9的光纤，最后由光谱仪10接收中心波长为布拉格光栅7和中心波长为布拉格光栅9反射回来的信号。

在图2中，将偏振特性为椭圆偏振光的入射光经保偏光纤输入到电流传感区，在电流传感区内传感光纤缠绕在载有杂散电流的结构钢筋上，入射光经过传感区后，由法拉第效应可知，偏振面将旋转一定的角度，该角度与结构钢筋上的杂散电流的大小有一定的关系，检测旋转角度的大小即可得到该处的杂散电流变化趋势。

下面根据图1和图2的光路系统为实施例，分析光纤电流传感部分的工作原理。

偏振光耦合进缠绕在通电导体上的光纤传感头后，出射光的偏振面旋转了一定的角度。设有匝光纤绕组，载流导线中通有稳定的电流，由安培环路定律可知，载流导线在其周围空间产生的磁感应强度的大小为：

                                                       （1）

式中：为真空中的磁导率，为电流强度，为光纤绕组的半径。当线偏振光通过匝光纤绕组时，由法拉第效应可知其偏振面旋转的角度为：

                                                 （2）

式中：为Verdet常数；为导线上绕的光纤圈数。

由上式可以看出：对于给定的通电载流导线，偏振面旋转的角度只与光纤绕组的圈数有关，而与光纤绕组的半径无关。在实验中可以增加光纤绕组的圈数来增大旋转角，来提高系统的灵敏度。同时，可通过改变光纤绕组的圈数，来适应各种不同的电流等级。

对于保偏长周期光纤光栅，由于双折射效应使得模场分裂为X片振模和Y偏振模，分别对应与光纤模场的慢、快轴。长周期光纤光栅的谐振峰波长公式为

                                               （3）

其中：为谐振波长，，分别为光纤纤芯有效折射率和包层的有效折射率。由于偏振对应的模折射率差的不同，从而使两个线偏振模的谐振波长不一致。谐振峰的幅值大小主要取决于横向模式耦合系数，用来表示阶和阶模的横向耦合系数，其表达式为

                                  （4）

式中表示介电常量的变化，和分别表示阶和阶模的横向模场分量，*表示共轭，，分别表示在和方向上的偏振。

横向耦合系数取决于两个模式在两个线偏振模方向上对应的分量的强度以及它们的重合度，当输入椭圆偏振光时，由于椭圆偏振光可以分解为和方向上的两个线偏振分量，并且由于椭圆偏振光偏振角度的改变，使得输入椭圆偏振光在两个线偏振方向上的强度以及在重合区域上所占的比例发生改变，从而使两个线偏振模对应的耦合效应发生改变。本发明通过长周期保偏光纤光栅相邻谐振峰幅值差与光纤电流传感头偏振角度的关系得出地铁埋地金属杂散电流的变化趋势。

在图3中，腐蚀传感头8由纤芯11、包层12、中间导电层金膜13以及Fe-C合金膜14组成。中间导电层金膜13通过在去除包层的纤芯上PVD溅射金来实现，为了使金膜与纤芯有较好的结合力，在PVD溅射金前需对纤芯进行粗化处理，然后采用离子溅射或电镀的方法在导电膜上镀一定厚度的Fe-C合金膜，在镀膜过程中用石英晶体测厚仪来控制膜层的沉积速率和膜层厚度。

下面根据图1和图3的光路系统为实施例，分析光纤腐蚀传感部分的工作原理。

Fe-C合金膜14对纤芯内的光纤有较强的散射作用，随着腐蚀的进行，Fe-C合金膜14部分破损，纤芯11内传输的光受到的散射作用减弱，造成光功率的明显变化，通过监测输出功率的变化就可以监测埋地结构金属腐蚀情况。

腐蚀传感部分由腐蚀传感头8和两个布拉格光纤光栅组成，腐蚀传感器位于布拉格光纤光栅7和布拉格光纤光栅9之间，且两个布拉格光纤光栅的发射波长不同。两个光纤光栅的发射光强度由光谱仪10来进行测量，其强度比值的变化可以用来测量腐蚀传感器光功率的变化。通过本发明可以实时监测地铁杂散电流变化趋势以及埋地金属结构腐蚀情况。