光纤传感器在军事装备腐蚀监测中的应用前景

2018-01-03王玺赵建印刘星

科技创新与应用 2018年32期

王玺　赵建印　刘星

摘要：文章详细地介绍了利用光纤传感技术与金属材料腐蚀相结合的检测方法以及三种常见的光纤腐蚀监测传感器（光纤光栅腐蚀传感器、探测透射光强腐蚀传感器、荧光猝灭型腐蚀传感器）的工作原理，系统地分析了光纤腐蚀传感器在国内外民用和军用上的发展状况，指出利用光纤腐蚀传感器的腐蚀监测方法与传统的腐蚀监测方法相比具有其独特的优势和潜在的巨大价值，为后续光纤腐蚀传感器在军事装备腐蚀监测中的应用前景提供了一些理论依据和思路。

关键词：光纤传感器；军事装备；腐蚀监测

中图分类号：TG174 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）32-0172-03

Abstract： This paper introduces in detail the detection method of combining optical fiber sensing technology with corrosion of metal materials and three kinds of common optical fiber corrosion monitoring sensors （fiber grating corrosion sensor， detecting transmission light intensity corrosion sensor， etc.）. （fluorescence quenching type corrosion sensor）， The development of optical fiber corrosion sensor in civil and military fields is analyzed systematically. It is pointed out that the corrosion monitoring method based on optical fiber corrosion sensor has its unique advantages and great potential value compared with the traditional corrosion monitoring method. It provides some theoretical basis and ideas for the future application of optical fiber corrosion sensors in the corrosion monitoring of military equipment.

Keywords： optical fiber sensor； military equipment； corrosion monitoring

引言

近几年，由于海军由近海防御向远海防卫的战略调整，海外岛礁保障基地的建立，新型战舰常态化巡航等一系列的军事行动都在悄然地进行，然而在这些军事行动的背后都面临着一个重要的挑战，就是装备的金属腐蚀化。在海洋环境中，由于高温、高湿、高盐雾等恶劣环境，几乎所有的海军装备设施都面临着非常严重的腐蚀问题。南海岛礁建设中配备的武器装备，上岛安装调试好之后往往少则几周，多则几个月就会出现严重的锈斑，脱皮等等，这些极大地影响了装备的使用性能，严重的腐蚀还会直接导致装备的提前退役，这将会给国家造成高达数千亿美元的经济损失。

金属材料的腐蚀只能在發现之后进行有效地抑制但是无法根本性彻底地进行消除，因此针对复杂海洋环境中腐蚀的防控，以发现、监测腐蚀（尤其是早期腐蚀）为目的腐蚀监检测技术就显得至关重要，特别是对不易察觉的隐蔽地方或者检修人员不容易观察到的地方[1]。早期腐蚀监测的重要性表现在两方面：一方面，装备定期的拆装检查不仅消耗大量的人力、物力，而且可能会影响整体性能，造成不必要的损失。另一方面，当用肉眼可以观察到腐蚀效果时，其腐蚀厚度已经达到金属原始厚度的10%，此时就需要花费大量的人力和财力进行修复[2]。金属材料的腐蚀是一个相当复杂的过程，周围的环境条件，比如pH值、温度、溶液离子浓度、材料所受应力、张力等等，甚至腐蚀之后的初级产物反过来又会左右腐蚀的过程[3]。以前的常规腐蚀监测方法，比如表观检查、挂片法、电阻法等基本都是单一指标的检测，准确度并不高，且费时费力。光纤腐蚀传感器是近年来光纤传感技术与腐蚀监检测相结合的传感器，该传感器充分利用光纤传感器的优势，用来收集、传送腐蚀信息到便携端进行分析[4]。它可以监测氯离子浓度、溶液的pH值、环境湿度和温度等等这些与腐蚀相关的大量参数，便于直接分析，因此与单指标的检测技术相比具有灵敏度好，准确性高等优势。同时由于光纤腐蚀传感器的载体是传输光信号，因此具有稳定、安全可靠、抗电磁干扰的特性，特别适合在恶劣环境下使用，不仅可以放置在不易察觉的关键部位，而且能安全可靠地将腐蚀信息传递到便携端口，达到在线无损、时刻监控的监测效果[1]。综上所述，作为一种新型的早期腐蚀监测技术，光纤腐蚀传感器以其独特的优势推动了腐蚀监检测技术的发展，这对处于恶劣海洋环境中的军事装备金属腐蚀监测具有非常重要的意义和研究前景。

1 工作原理和优越性

1.1 光纤腐蚀传感器的工作原理

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的一种新型传感技术。基于被测量信号载体的光波和传播媒质的光纤，该传感技术具有一系列独特的、其他传感技术难以相比的优点。该传感技术的工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，由于待测参数的影响，使进入调制区的光的光学性质发生变化，成为被调制的信号光，然后再经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数的信息[5]。

光纤腐蚀传感器一般由光源、传输光纤、传感头、光电转换及信号处理四部分组成。如图1所示，光源发射入射光波，由输入光纤将其传送至传感头，传感头感测外界参量的变化，并将携带外界参量信息的光波再经输出光纤送至光电转换电路及信号处理端，对信号进行解调分析，获取外界物理量的信息。

1.2 光纤腐蚀传感器的优越性

由最开始常规的腐蚀检测方法到后来的电化学腐蚀检测方法再到光纤腐蚀传感器或探针的研究，腐蚀监检测技术的发展十分迅速，相关的研究和应用方面的报道也日益增加。传统的腐蚀检测方法和电化学腐蚀检测方法或多或少都存在一定的局限性，比如像电阻率、杂散电流这些测量方法可能会由于仪器和操作者的不稳定性而很难实现重复实验，出现测量误差；另外由于军事装备一般都是大型的金属设备，对于位置或结构上的腐蚀损伤，不可能也不适合将整个样品带到实验室进行分析检测[1]。

光纤腐蚀传感器是光纤传感技术和腐蚀监检测技术相结合的一种产物。基于光纤具有一系列独特的优点，又可埋置于任何部位，进行内部结构的多点监控，因此可实现时时监控、快速高效、方式灵活。这些优势可以弥补其他腐蚀监检测方法的缺陷，从而满足人们对一些恶劣环境中的设备腐蚀监检测的需要，如大气中、海水中等一些特殊的环境。光纤腐蚀传感器解决了许多传统传感器无法解决的问题，以其独特的优势被人们广泛应用于各行各业，如建筑、航空航天、能源、船舶、飞机、军事装备等众多领域[6]。

2 光纤腐蚀传感器的分类

随着光纤技术的不断发展，科学家也不断深入研究监测金属腐蚀状况的光纤传感器，出现很多种类的光纤金属腐蚀传感器。现如今比较常用的三种光纤金属腐蚀传感器类型如下：基于光纤光栅的金属腐蚀传感器、基于探测透射光强的金属包层光纤腐蚀传感器、基于荧光光谱的金属腐蚀传感器[7]。

2.1 光纤光栅腐蚀传感器

光纤光栅传感器（Fiber Bragg Grating Sensor）属于光纤传感器的一种，基于光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。其工作原理是以测量反射光的中心波长作为表征，温度或者应变等外界物理量的变化与所导致的栅距变化呈线性，那么光栅反射波长也随栅距变化而线性变化，由于不受光源功率波动、光纤微弯效应及耦合损耗等因素的影响，因此其灵敏度较高[8]。

光纤光栅传感器具有不受电磁干扰、信号带宽大、灵敏度高，适于在高温、腐蚀性的危险环境中使用等优点。它能测量很多物理量如：加速度、位移、温度、弯曲、压力、电磁场及某些化学量。为使光纤光栅的应变状态能够完全代表被测金属的腐蚀状态，需要在光纤表面涂覆理想的金属膜层。光栅的应变发生变化，引起其栅距发生改变，从而导致其反射光谱中心波长向长波或短波方向偏移，因而可以用来指示腐蚀发生的程度。

2.2 探测透射光强型的腐蚀传感器

探测透射光强度的腐蚀传感器的主要原理是将金属薄膜沉积在光纤纤芯上，一旦金属薄膜被腐蚀则会变薄并渐渐消失，此时光纤纤芯就会暴露在空气、水或腐蚀产物的环境中，而这些介质的折射率低于纤芯，此时光由光密介质进入光疏介质就会发生光的全反射，透射光减弱，输出光的强度将会增加，因此通过比较输出光的光强与腐蚀程度的关系即可判断腐蚀的发生[9]。

通常使用比较频繁的是监测铝合金和Fe-C合金。与其他金属材料相比，铝合金具有密度小、强度高、易加工等优点，因此在航空航天领域大量使用铝合金材料作为主承力构件，尤其是各种飞行器。相对A1膜，Fe-C合金膜光纤腐蚀传感器有着更广泛的应用前景。如今大量装备的连接件和构件的原始材料都是Fe-C合金。同理，利用Fe-C合金敏感膜层受到腐蚀时能对光纤纤芯内传导的光信号产生全反射的特性，实时监测输出光信号的改变即可获取钢铁材料的腐蚀信息[10]。

2.3 荧光猝灭型的腐蚀传感器

荧光猝灭型腐蚀传感器的原理是将金属离子和荧光物质相结合，观察熒光物质前后的荧光强度、荧光寿命等基本光物理性质的变化来实现对金属腐蚀检测的技术。荧光猝灭原理的金属腐蚀传感装置具有检测速度快、灵敏度高等诸多优点。

2013年，PG Venancio等人设计了新型的荧光光纤传感器用来监测航空领域中铝合金的腐蚀[11]。其过程如下：首先，制备出对铝离子具有独一识别能力的MIP-8-羟基喹啉，然后将MIP涂覆到光纤纤芯上，当铝金属腐蚀进行时， MIP就会和金属腐蚀产生的铝离子聚合形成具有荧光特性的荧光团，该荧光团在氙灯作用下会发出荧光，其光强度会受到铝离子浓度的影响，因此可通过对荧光强度的测量检测铝合金腐蚀的程度。随着铝离子浓度的增加，荧光强度不断增大，因此该传感器能够有效用于铝合金腐蚀监测[12]。当然也可对其他金属制作具有专一识别的目标物，用来对该金属腐蚀进行针对性的监测。

3 光纤腐蚀传感器的应用状况

国内外对光纤传感技术的应用研究已取得一些成果，有些光纤传感器系统已经成功地替代传统传感器达到实用化的功效。国际上第一次应用光纤传感系统进行腐蚀检测是日本于1993年在桥梁建筑上使用。国内，在长江三峡等大型的水利工程中，工程师为了可以及时发现、预报、监测大坝的异常状态，防止发生溃坝、坍塌等重大灾难性事故的发生，已经将光纤传感技术应用于其中进行“健康状况”的时时在线安全监测，这为光纤传感器的实用化作出了巨大的贡献，也说明大家已经逐渐地认可光纤腐蚀传感技术[1]。

在航空领域方面，澳大利亚在F-111C飞机上安装了光纤传感腐蚀监测系统，它不仅可以时时监测搭接处的腐蚀状态，还能同时检查应力的变化、温度和湿度的改变、缝隙的成长状况等参数，为对飞机的健康评估做出及时的反馈；美国采用光线光栅传感技术分别在F-18、Boeing-777 和X-33等型号进行了结构健康监测应用研究，并取得了较好的效果；法国、加拿大等国家主要将该技术用于飞机复合材料结构健康监测；国内，袁慎芳采用光纤光栅传感技术成功地研制了飞机智能结构。

在军事上，光纤腐蚀传感器也受到人们越来越多的青睐。美国海军表面武器中心1995年就已经指出，利用特种材料制成的光纤传感器对装备的腐蚀状况进行监测是武器装备、船舶（包括潜艇、潜艇）、飞机、导弹等行业保护金属材质“健康”，延长其使用寿命的基本诊断方式，而且已将集成光纤腐蚀监控系统用于船舶行业，舰载飞机的金属腐蚀监控中。他们指出海洋环境中的军用设施，特别是一些超期服役的武备系统，使用特种材料光纤传感早期发现腐蚀问题不仅可以节约经费，而且能够避免灾难性事故的发生。鉴于光纤腐蚀传感器的优越性和重要性，美国空军和海军智能金属结构中心已将这种可以评估装备“健康”状况的传感器系统的设计、研究、开发和生产列为21世纪的重点发展项目[13]。

4 结束语

实验证明，光纤腐蚀传感器对于快速、高效、时时在线的监控是必要的和可行的，因此可以借鉴到海军的军事装备金属腐蚀监测中，但是目前的研究还不够深入，还有很对技术问题急需解决，如传感器光信号输出量与金属腐蚀程度之间的定量关系可以用什么模型进行分析，金属腐蚀产物对光强型传感器灵敏度的干扰如何减弱或者消除，金属腐蚀的机理究竟哪种更能解释这些现象等等，这些未解决的技术问题导致暂时还无法对金属腐蚀程度做准确的判断和分析，因此突破光纤传感技术的瓶颈，努力提高腐蚀检测的准确性和稳定性，实现精准的定性分析和定量监测是我们接下来要面临的重大挑战和努力方向。

参考文献：

[1]雒娅楠.碳钢光纤腐蚀传感器的敏感膜制备及传感特性研究[D].天津：天津大学，2003.

[2]闫磊朋，洪晓华，李威，等.基于金属腐蚀敏感膜的光纤腐蚀传感器现状[J].腐蚀与防护，2008，29（4）：199-215.

[3]董飒英，廖延彪，田芊，等.光纤传感技术在腐蚀监测中的应用[J].分析科学学报，2004，20（5）：546-550.

[4]BENNETT K D， etal. Monitoring of corrosion in steel structures using optical fiber sensors [J]. SPIE， 1995，2446：48-59.

[5]李娜.光纖光栅传感技术及其在油气管道腐蚀监测的应用研究[D].株洲：湖南工业大学，2012.

[6]赵二刚，高侃，张俊，等.光纤金属腐蚀传感器的应用及研究现状[J].光纤与电缆及其应用技术，2011，6：1-3.

[7]王印旭，初凤红.光纤金属腐蚀传感器研究及应用进展[J].全面腐蚀控制，2016，24（9）.

[8]谭晓明，卞贵学，陈跃良，等.基于光纤Bragg光栅的飞机异种金属连接件腐蚀监测技术研究[J].强度和环境，2017，44（2）：53-58.

[9]Paul Rutherford， Roy Ikegami， John Shrader. Aluminum alloy clad fiber optic corrosion sensor[J]. Sensors and Actuators B， 2008，131：602-608.

[10]蔡李花，李威，谭磊，等.Fe-C合金膜光纤腐蚀传感器的腐蚀实验及传感特性研究[J].仪器技术与传感器，2009（10）：4-6.

[11]VENANCI P G， etal. Optical sensors for corrosion detection in airframes[J]. Sensors and Actuators B： Chemical， 2013，182：774-781.