基于雙LPFGs傳感器的混泥土氯離子濃度激光測量*

金露凡，曹哲昊

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，浙江溫州325003）

0 前言

中國有著廣闊的海岸線，沿海城市及建筑較多，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是當(dāng)前被廣泛應(yīng)用的建筑材料。對于這些地區(qū)來說，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限，其主要損傷原因之一就是氯離子滲透腐蝕。監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子濃度的需求與日俱增。因此，為實(shí)時(shí)、無損、準(zhǔn)確掌握健康狀況，保證鋼筋混凝土構(gòu)筑物的耐久性和服役安全性，有必要研制開發(fā)能夠準(zhǔn)確的定量監(jiān)測混凝土中氯離子濃度及其深度分布的監(jiān)測傳感器。[1-2]

近年來，光纖傳感技術(shù)在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)監(jiān)測、評價(jià)等工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。由于光纖傳感能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)長期地在線監(jiān)測，而長周期光纖光柵傳感器是在光纖上制備幾十至幾百微米的光柵，基于不同的氯離子濃度，其透射光譜特性調(diào)制不同來監(jiān)測混凝土中的氯離子濃度，具有現(xiàn)有市售傳感器所不具備的諸多優(yōu)點(diǎn)，主要表現(xiàn)在：1）能夠定量監(jiān)測混凝土中的氯離子濃度及其深度分布，實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕誘導(dǎo)期的精確預(yù)測；2）光纖主要是由SiO2等無機(jī)材料組成，具有長的使用壽命；3）長周期光纖光柵傳感器是基于光的折射原理，具有良好的抗電磁干擾能力且不受混凝土電阻率的影響；4）體積小、安裝靈活方便；5）價(jià)格相對現(xiàn)有市售傳感器更為便宜。[3-4]

本文首先通過激光標(biāo)定長周期光纖光柵（long period fiber gratings,LPFGs）的透視光譜從而確定合適的工作范圍，并以此選擇最佳工作波長。在標(biāo)定溶液折射率與溶液濃度關(guān)系基礎(chǔ)上，建立LPFGs傳輸光功率與氯離子濃度的對應(yīng)關(guān)系，并對測量結(jié)果進(jìn)行精度確定。在此過程中，基于雙LPFGs傳感器創(chuàng)建新的理論計(jì)算模型，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，相比單個(gè)LPFG，其測量精度有所提高，并且克服了一次測量過程中溫度變化的影響。設(shè)計(jì)了一種特殊的微流控通道，將LPFG置于通道中從而克服應(yīng)變和彎曲及水流沖擊的影響。該光纖光柵傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確的定量監(jiān)測混凝土中氯離子濃度及其深度分布，解決耐久性監(jiān)測的技術(shù)瓶頸。

1 模型計(jì)算

1.1 溫度和應(yīng)變效應(yīng)影響

長周期光纖光柵的溫度敏感性和應(yīng)變敏感性是由于纖芯模的能力耦合到包層模，在此過程中由于包層模式有效折射率系數(shù)較為容易受到外界環(huán)境影響，使得特定波長發(fā)生了能量的損耗，其結(jié)果是諧振波長峰值對外界環(huán)境折射率變化非常敏感[5-6]。此外，長周期光學(xué)光柵的光柵周期變化也會(huì)影響其敏感性，這些擾動(dòng)共同導(dǎo)致光柵諧振波長的光譜位置發(fā)生偏移，這些都能通過相應(yīng)設(shè)備測量得到。

由于波長漂移與溫度T和軸向應(yīng)力ε有關(guān)，可以通過式（1）和式（2）來測得漂移[7]

式中δneff為波導(dǎo)模式與包層模式的微分有效系數(shù)。

基于公式（1）和公式（2），通過MATLAB模擬計(jì)算溫度從0℃上升到100℃過程中長周期光學(xué)光柵的諧振波長變化情況，得到如圖1所示結(jié)果。

圖1 諧振波長隨溫度變化的情況

可以明顯看出，在應(yīng)變條件不變的情況下，隨著溫度升高，共振波長發(fā)生紅移。波長穩(wěn)定性對于測量結(jié)果有著至關(guān)重要的意義，溫度升高將會(huì)極大影響測量精度。此外，也對應(yīng)力影響進(jìn)行了模擬分析，得到相似的結(jié)果。為了保證測量精度，在測量過程中應(yīng)保證溫度和應(yīng)力條件恒定不變。

1.2 濃度計(jì)算原理

傳統(tǒng)的基于長周期光纖光柵濃度測量通常只使用單個(gè)長周期光纖光柵，無法去除溫度和應(yīng)力的干擾。故采用雙LPFG來克服單個(gè)測量中溫度和應(yīng)力變化的影響。通過模擬計(jì)算來分析使用對于測量精度的影響。圖2給出了計(jì)算原理。

圖2 計(jì)算原理

保持溫度不變的情況下，對于一種確定濃度的溶液，其折射率是一個(gè)固定的值。而當(dāng)溶液濃度發(fā)生變化時(shí)，溶液折射率也會(huì)發(fā)生變化。研究發(fā)現(xiàn)[8]，很多溶液的溶液濃度與折射率之間的對應(yīng)關(guān)系可以用經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行描述。一般而言折射率與氯離子濃度基本呈線性關(guān)系。Y1和Y2分別表示所使用的兩個(gè)LPFG傳感器1和2的測量結(jié)果，X表示氯離子濃度。圖中兩個(gè)表達(dá)式分別為

式中，a1和a2表示斜率，b1和b2表示截距。通過上式我們可以得到兩個(gè)氯離子濃度

其中，Y10和Y20分別為兩次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。通過計(jì)算兩次計(jì)算結(jié)果求平均值可以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

上述計(jì)算結(jié)果為一般精度，而更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，我們將公式3和公式4聯(lián)立，得到其精確解：

與公式（5）和公式（6）相比，公式（7）所得結(jié)果更為準(zhǔn)確，誤差更小。此外，通過該公式，利用雙LPFGs可以克服一次測量過程中溫度變化的影響。圖3給出了改變濃度溫度后的計(jì)算原理。

圖3 改變溫度后的計(jì)算原理圖

由于溫度影響，無法在改變溫度的同時(shí)用一個(gè)LPFG來測量濃度。利用雙LPFGs傳感器可以有效地解決了這一問題。在圖3中，定義為

式中a1和a2，c1和c2分別表示溫度波動(dòng)引起的斜率和截距。其聯(lián)立解為

從圖3中，可以總結(jié)得到

代入到公式（10）中，可以得到

通過比較公式（12）和公式（7），我們可以明顯得到，利用兩個(gè)LPFGs可以有效克服一次測量過程中溫度波動(dòng)的影響，從而提高計(jì)算測量精度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 折射率和濃度關(guān)系標(biāo)定

一般而言，含在混凝土的水分中化學(xué)物質(zhì)的含量通常用鹽度來表示，鹽度是指溶解在1L水中的固體物質(zhì)的數(shù)量。水分的鹽度和折射率之間存在一定的關(guān)系，所以鹽度可以通過測量折射率來測量。而水分中包含更多的是NaCl，因此絕大多數(shù)情況下采用測量NaCl中氯離子濃度來標(biāo)定鹽度。因此，我們主要測量NaCl溶液的濃度。本實(shí)驗(yàn)中使用的溶液是蒸餾水和NaCl配置的，一共配置了9種不同濃度的NaCl溶液，濃度分別為1、2、5、10、15、20、25、30、35g/L。分別測量這些NaCl溶液的折射率，折射率與NaCl溶液濃度的關(guān)系如圖4所示。圖中，黑色點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，紅線為擬合曲線。

圖4 實(shí)驗(yàn)用NaCl溶液折射率與濃度的關(guān)系

測量折射率范圍從1.334 5到1.341 0，所對應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)定測量范圍為0‰～35‰，其原因是考慮到海水中的濃度范圍是0‰～36‰。則折射率Y和溶液濃度之間的關(guān)系如下：

擬合確定性系數(shù)R2為0.999 1，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果非常接近。

2.2 LPFG傳感器制備

為了避免或者減輕應(yīng)變和彎曲對測量結(jié)果的影響，特別設(shè)計(jì)了一種特殊的微流控通道，將兩個(gè)LPFG筆直放置到微流控通道中，并用氰基丙烯酸酯膠粘劑粘結(jié)，使光柵截面固定在通道中心。

微流控通道是由聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）制成，長寬高尺寸分別為120mm、寬22mm、高20mm。在每個(gè)微通道中心開有一定數(shù)量的反應(yīng)微通道，尺寸為3*4*12mm，其目的是讓溶液通過微通道與光纖光柵接觸，從而能夠避免水流對長周期光纖光柵的沖擊。

圖5 微流控通道結(jié)構(gòu)

2.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)部分。第一部分通過測量長周期光纖光柵透射光譜圖來監(jiān)測NaCl溶液濃度變化。使用到的儀器包括超連續(xù)發(fā)光二極管(SLED)，光譜分析儀(OSA)。第二部分通過實(shí)驗(yàn)來測量單一波長透射光功率，從而實(shí)現(xiàn)NaCl溶液濃度監(jiān)測。使用的實(shí)驗(yàn)器材包括可調(diào)諧激光器光源和兩個(gè)功率計(jì)分別代替超連續(xù)發(fā)光二極管和光譜分析儀。使用VB語言編寫了一個(gè)電腦程序控制光源輸出，記錄并處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1）實(shí)驗(yàn)一

實(shí)驗(yàn)裝置包括超連續(xù)發(fā)光二極管光源和光柵周期為550μm的長周期光纖光柵，光譜分析儀（AQ6375A）。將SLED光源發(fā)出的光接入長周期光纖光柵，并將長周期光纖光柵放置到溶液中，長周期光纖光柵輸出端接入到光譜分析儀中，得到室溫23℃下的長周期光纖光柵傳輸透視譜，范圍從1 350nm到1 650nm，如下圖6所示。

圖6 長周期光纖光柵傳輸譜

從圖6看出，長周期光纖光柵的透視光譜圖中存在4個(gè)諧振損耗峰，分別位于1 435 nm、1 520 nm、1 560 nm附近。查閱文獻(xiàn)可知，當(dāng)外界折射率的變化量相同時(shí)，高階次的中心波長變化量比低階次的中心波長變化量要大的多。低階次的包層模諧振損耗峰變化較為緩慢，變化范圍小。高階次的包層模的諧振損耗峰對環(huán)境折射率變化的響應(yīng)更靈敏，變化更快，變化范圍更大。對于應(yīng)用于傳感領(lǐng)域的長周期光纖光柵來說，靈敏度是非常重要的參數(shù)。因此，在使用長周期光纖光柵進(jìn)行折射率傳感時(shí)，應(yīng)選用較高的諧振階次，來提高傳感靈敏度。綜上，我們選用1 561nm作為測量峰，其信噪比大于20dB。

2）實(shí)驗(yàn)二

實(shí)驗(yàn)二中，我們采用可調(diào)諧激光光源來代替SLED，選用的是安捷倫可調(diào)諧激光光源（8 164A），并用兩個(gè)光功率計(jì)代替光譜儀，這個(gè)系統(tǒng)更容易操作且價(jià)格低廉。實(shí)驗(yàn)裝置如下圖7所示。將可調(diào)諧激光光源的光利用光纖耦合器（OFC-1*2）分成兩束，分別入射到兩個(gè)不同的折射傳感器中，利用兩個(gè)光功率計(jì)（OPM1和OPM2）來監(jiān)測通過傳感器的傳輸光功率的變化情況。使用VB語言編寫程序來控制光源輸出，采集并處理從兩個(gè)功率計(jì)所測量的數(shù)據(jù)。為了保障精確測量，將實(shí)驗(yàn)裝置和樣品溶液的溫度維持在（23.0±1.0）℃。

圖7 實(shí)驗(yàn)裝置圖

實(shí)驗(yàn)所用NaCl溶液濃度以每次5g/L的變化量從5g/L增加到35g/L。實(shí)驗(yàn)過程中，保持溫度不變，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受到除濃度變化外的其他因素影響?？紤]可調(diào)諧激光源的工作波長范圍，得到的1 500～1 600 nm的透射光譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 長周期光纖光柵透射光譜圖及部分放大圖

吸收峰的形狀變化主要受應(yīng)力的影響。當(dāng)應(yīng)力較大時(shí)，吸收峰明顯而深。隨著應(yīng)力的減小，吸收峰的形狀變得又圓又淺。當(dāng)?shù)玫阶罴训耐干涔庾V時(shí)，用氰基丙烯酸酯膠粘劑固定LPFG，此時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明，1 575 nm附近的曲線峰值較高，帶寬較小，但是吸收峰非常尖銳，使得傳輸?shù)墓夤β首兊貌环€(wěn)定，容易受到其他因素的影響。另一方面，在1 530 nm附近有一個(gè)寬峰，功率較小，但很穩(wěn)定。在傳感器的應(yīng)用中，穩(wěn)定性因素更為重要，所以我們選擇了1 530 nm附近的吸收峰。

當(dāng)NaCl溶液濃度從5g/L變化到35g/L時(shí)，利用光功率計(jì)測量每個(gè)濃度下經(jīng)過兩個(gè)LPFG的透射光功率?？烧{(diào)諧激光器光源輸出波長為1 530 nm，功率為100μw的激光器。計(jì)算機(jī)控制整個(gè)過程，包括數(shù)據(jù)的收集、處理和輸出。傳輸光功率與兩種LPFGs測得溶液濃度的關(guān)系如圖9（a）所示。

圖9 傳輸光功率與兩種LPFGs測得溶液濃度的關(guān)系

對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行線性擬合，得到

其中C是NaCl溶液濃度，單位為g/L，P是透射峰值，單位為mw。線性系數(shù)R2分別為0.976 21和0.988 18。在測量NaCl溶液濃度從5g/L變化到35g/L的過程中達(dá)到了很高的準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，利用公式（7）去計(jì)算NaCl溶液濃度的，其結(jié)果如圖9（b）所示。線性系數(shù)R2等于0.994 43，相較與公式（14）和公式（15）計(jì)算結(jié)果，其準(zhǔn)確度有了進(jìn)一步的提升。為了分析雙LFPGs傳感器的測量結(jié)果，我們計(jì)算了在給定NaCl溶液濃度下的誤差百分比。圖10左圖為給定NaCl溶液的誤差百分比曲線。

圖10中，紅色和藍(lán)色分別為LPFG1和LPFG2的誤差分析結(jié)果，黑色為雙LFPGs的誤差分析結(jié)果，可以明顯看出，利用雙LFPGs傳感器整體誤差范圍小于單個(gè)LPFG，說明其測量精度優(yōu)于使用單個(gè)LPFG。

在測量過程中，為了分析溫度對實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的影響，通過改變?nèi)芤簻囟葋頊y量兩個(gè)透射光功率值變化的影響，以此來說明其克服溫度變化的影響。我們重新進(jìn)行一組新的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程不變，通過給溶液升溫，使其保持在30℃。然后用同樣的過程重新測量溶液的濃度。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，誤差分析圖如圖11所示。比較圖10和圖11可以看出，對于給定濃度的NaCl溶液，在利用雙LPFGs傳感器測量不同溫度下的溶液濃度時(shí)，測量精度基本沒有發(fā)生變化，處于誤差范圍之內(nèi)，也即溫度變化對測量結(jié)果沒有影響。

圖10 對于給定NaCl溶液其濃度與誤差百分比曲線溶液

圖11 溫度為30℃時(shí)的測量結(jié)果

3 總結(jié)

本文采用雙長周期光學(xué)光柵來測量溶液中NaCl濃度，從而來監(jiān)測氯離子腐蝕情況。從理論及實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了，相比傳統(tǒng)單LPFG，基于雙LPFGs的傳感器測量精度有所提升，此外還能避免溫度波動(dòng)的干擾。項(xiàng)目組還設(shè)計(jì)一種特殊的微流控通道，避免水流沖擊，且能夠減弱甚至去除應(yīng)力及彎曲對測試結(jié)果的影響。編寫計(jì)算機(jī)程序控制激光輸出及數(shù)據(jù)采集處理，基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。該傳感器系統(tǒng)在混凝土建筑養(yǎng)護(hù)中具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。