Fe-C合金膜光纖腐蝕傳感器的腐蝕實驗及傳感特性研究

蔡李花,李　威,譚　磊,李　彬

(1.中國礦業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,江蘇徐州　221008;2.天地自動化股份有限公司,江蘇常州　213015)

摘要:為了監(jiān)測鋼筋或各種埋地管線的腐蝕情況,提出了基于金屬腐蝕敏感膜的光纖腐蝕傳感器。介紹了Fe-C合金膜光纖腐蝕傳感器的原理。為了尋找其傳感規(guī)律,用同一濃度的腐蝕溶液對不同厚度的金屬膜進行腐蝕。以金屬膜被腐蝕掉的百分比作為橫坐標(biāo)來記錄光輸出功率的變化。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析,基本找到了電鍍獲得的Fe-C合金膜在腐蝕溶液中的腐蝕規(guī)律。

關(guān)鍵詞:光纖腐蝕傳感器;Fe-C合金膜;腐蝕實驗;光功率;傳感規(guī)律

0　引言

近年來,隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展,對用于監(jiān)測金屬腐蝕狀況的光纖傳感技術(shù)的研究也不斷深入,涌現(xiàn)出了各種各樣的光纖腐蝕傳感器的研究方案。基于在光纖纖芯上制備F-C合金敏感膜的光纖腐蝕傳感器便是其中一種,以此來監(jiān)測鋼筋或各種埋地管線的腐蝕情況。許多學(xué)者已經(jīng)對這種傳感器進行了大量的研究,得到一些初步的傳感性能。但之后對鍍膜光纖進行的腐蝕實驗,目前的實驗進行得不夠深入,實驗設(shè)計思路也比較單一,所以一直沒能找到傳感器很準(zhǔn)確的傳感規(guī)律。為此,文中通過對鍍有不同厚度金屬膜的光纖進行實驗,以此更加全面、可靠地找出傳感器的傳感規(guī)律。

1　Fe-C合金膜光纖腐蝕傳感原理

利用光纖纖芯上Fe-C合金敏感膜層受到腐蝕時能對光纖纖芯內(nèi)傳導(dǎo)的光信號產(chǎn)生影響的特性,通過實時測量輸出光信號的改變即可獲取鋼鐵材料腐蝕信息。其傳感原理如下:根據(jù)光波導(dǎo)原理,當(dāng)入射光在2種介質(zhì)交界面的入射角θ滿足全反射條件時,光束將在界面處發(fā)生全反射現(xiàn)象。即

式中:θc為光波在界面的臨界角;n1、n2為2種介質(zhì)的折射率。將此光波導(dǎo)理論應(yīng)用到光纖腐蝕傳感器上:將光纖的某一區(qū)域用與結(jié)構(gòu)鋼筋材料相同的Fe-C合金層代替包層作為傳感區(qū)域,該傳感區(qū)域處將變?yōu)榻饘俨▽?dǎo),因為Fe-C合金層的吸收使光纖內(nèi)傳輸?shù)墓饽茉谠搮^(qū)域損耗較大,導(dǎo)致出射光的能量下降。若該Fe-C合金層被腐蝕掉以后,該傳感區(qū)域變?yōu)橐愿g介質(zhì)為包層的一種新波導(dǎo)環(huán)境,光束在此傳感區(qū)域又可滿足全反射條件,使輸出光能量大幅度上升。通過實時測量輸出光信號能量的變化即可獲取被測結(jié)構(gòu)材料腐蝕的信息。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　腐蝕實驗方案設(shè)計

傳感器制作好之后,必須通過腐蝕實驗找出其傳感性能。腐蝕實驗原理非常簡單,即把鍍好Fe-C合金膜的光纖放入某種腐蝕介質(zhì)中,觀察隨著膜層的逐漸腐蝕,纖芯內(nèi)傳輸?shù)墓獾母鲄?shù)會發(fā)生什么樣的變化。腐蝕實驗示意圖如圖2所示。如果能找出Fe-C合金膜腐蝕程度與光波參數(shù)變化之間準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系,那么就能根據(jù)檢測光波的參數(shù)變化來判斷腐蝕的發(fā)生程度。

根據(jù)之前學(xué)者的研究,對于光波的各種參數(shù),似乎只有檢測光輸出功率的變化有可行的意義,而對其他如偏振態(tài)、頻率、相位等參數(shù)的檢測,則沒有多大意義。因為2個稍微不同的膜層、一個膜層稍微的變化都可能使這幾種參數(shù)發(fā)生某種變化,存在一定的隨機性,因此檢測這些參數(shù)很難對膜層的腐蝕情況做出任何判斷。而膜層變化對輸出光功率的影響是顯而易見的,光功率基本上會隨著腐蝕的進行逐漸增大。文中的腐蝕實驗以檢測輸出光功率的變化為主,通過大量實驗來找出傳感器準(zhǔn)確的傳感特性。

由于腐蝕速度的不同,造成以時間為橫坐標(biāo)來記錄光功率的變化沒有意義。那么可以以金屬膜被腐蝕掉的百分比作為橫坐標(biāo)來記錄光輸出功率的變化,這樣就不會受到腐蝕速度快慢的影響。因為腐蝕得不管是快還是慢,都要經(jīng)歷一個從完全沒發(fā)生腐蝕到全部腐蝕完的過程(假設(shè)除了腐蝕所花費時間這一方面,腐蝕速度的不同在其他方面不會造成太大的腐蝕差異)?？芍?當(dāng)10%的Fe-C合金膜被腐蝕掉后光功率有什么變化,當(dāng)50%Fe-C合金膜被腐蝕掉后光功率又有什么變化等。光功率的變化就和腐蝕的進展程度完全對應(yīng)了起來。因此,文中的實驗都是以Fe-C合金被腐蝕掉的百分比為橫坐標(biāo)記錄光功率的變化。