光纖傳感器在軍事裝備腐蝕監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景

王璽　趙建印　劉星

摘 要：文章詳細(xì)地介紹了利用光纖傳感技術(shù)與金屬材料腐蝕相結(jié)合的檢測(cè)方法以及三種常見(jiàn)的光纖腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器（光纖光柵腐蝕傳感器、探測(cè)透射光強(qiáng)腐蝕傳感器、熒光猝滅型腐蝕傳感器）的工作原理，系統(tǒng)地分析了光纖腐蝕傳感器在國(guó)內(nèi)外民用和軍用上的發(fā)展?fàn)顩r，指出利用光纖腐蝕傳感器的腐蝕監(jiān)測(cè)方法與傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測(cè)方法相比具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和潛在的巨大價(jià)值，為后續(xù)光纖腐蝕傳感器在軍事裝備腐蝕監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景提供了一些理論依據(jù)和思路。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器；軍事裝備；腐蝕監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TG174 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

近幾年，由于海軍由近海防御向遠(yuǎn)海防衛(wèi)的戰(zhàn)略調(diào)整，海外島礁保障基地的建立，新型戰(zhàn)艦常態(tài)化巡航等一系列的軍事行動(dòng)都在悄然地進(jìn)行，然而在這些軍事行動(dòng)的背后都面臨著一個(gè)重要的挑戰(zhàn)，就是裝備的金屬腐蝕化。在海洋環(huán)境中，由于高溫、高濕、高鹽霧等惡劣環(huán)境，幾乎所有的海軍裝備設(shè)施都面臨著非常嚴(yán)重的腐蝕問(wèn)題。南海島礁建設(shè)中配備的武器裝備，上島安裝調(diào)試好之后往往少則幾周，多則幾個(gè)月就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的銹斑，脫皮等等，這些極大地影響了裝備的使用性能，嚴(yán)重的腐蝕還會(huì)直接導(dǎo)致裝備的提前退役，這將會(huì)給國(guó)家造成高達(dá)數(shù)千億美元的經(jīng)濟(jì)損失。

金屬材料的腐蝕只能在發(fā)現(xiàn)之后進(jìn)行有效地抑制但是無(wú)法根本性徹底地進(jìn)行消除，因此針對(duì)復(fù)雜海洋環(huán)境中腐蝕的防控，以發(fā)現(xiàn)、監(jiān)測(cè)腐蝕（尤其是早期腐蝕）為目的腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)就顯得至關(guān)重要，特別是對(duì)不易察覺(jué)的隱蔽地方或者檢修人員不容易觀察到的地方[1]。早期腐蝕監(jiān)測(cè)的重要性表現(xiàn)在兩方面：一方面，裝備定期的拆裝檢查不僅消耗大量的人力、物力，而且可能會(huì)影響整體性能，造成不必要的損失。另一方面，當(dāng)用肉眼可以觀察到腐蝕效果時(shí)，其腐蝕厚度已經(jīng)達(dá)到金屬原始厚度的10%，此時(shí)就需要花費(fèi)大量的人力和財(cái)力進(jìn)行修復(fù)[2]。金屬材料的腐蝕是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程，周圍的環(huán)境條件，比如pH值、溫度、溶液離子濃度、材料所受應(yīng)力、張力等等，甚至腐蝕之后的初級(jí)產(chǎn)物反過(guò)來(lái)又會(huì)左右腐蝕的過(guò)程[3]。以前的常規(guī)腐蝕監(jiān)測(cè)方法，比如表觀檢查、掛片法、電阻法等基本都是單一指標(biāo)的檢測(cè)，準(zhǔn)確度并不高，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。光纖腐蝕傳感器是近年來(lái)光纖傳感技術(shù)與腐蝕監(jiān)檢測(cè)相結(jié)合的傳感器，該傳感器充分利用光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)，用來(lái)收集、傳送腐蝕信息到便攜端進(jìn)行分析[4]。它可以監(jiān)測(cè)氯離子濃度、溶液的pH值、環(huán)境濕度和溫度等等這些與腐蝕相關(guān)的大量參數(shù)，便于直接分析，因此與單指標(biāo)的檢測(cè)技術(shù)相比具有靈敏度好，準(zhǔn)確性高等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)由于光纖腐蝕傳感器的載體是傳輸光信號(hào)，因此具有穩(wěn)定、安全可靠、抗電磁干擾的特性，特別適合在惡劣環(huán)境下使用，不僅可以放置在不易察覺(jué)的關(guān)鍵部位，而且能安全可靠地將腐蝕信息傳遞到便攜端口，達(dá)到在線無(wú)損、時(shí)刻監(jiān)控的監(jiān)測(cè)效果[1]。綜上所述，作為一種新型的早期腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，光纖腐蝕傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)推動(dòng)了腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，這對(duì)處于惡劣海洋環(huán)境中的軍事裝備金屬腐蝕監(jiān)測(cè)具有非常重要的意義和研究前景。

1 工作原理和優(yōu)越性

1.1 光纖腐蝕傳感器的工作原理

光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的，以光波為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界被測(cè)量信號(hào)的一種新型傳感技術(shù)。基于被測(cè)量信號(hào)載體的光波和傳播媒質(zhì)的光纖，該傳感技術(shù)具有一系列獨(dú)特的、其他傳感技術(shù)難以相比的優(yōu)點(diǎn)。該傳感技術(shù)的工作原理是將來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光纖送入調(diào)制器，由于待測(cè)參數(shù)的影響，使進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，然后再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)的信息[5]。

光纖腐蝕傳感器一般由光源、傳輸光纖、傳感頭、光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理四部分組成。如圖1所示，光源發(fā)射入射光波，由輸入光纖將其傳送至傳感頭，傳感頭感測(cè)外界參量的變化，并將攜帶外界參量信息的光波再經(jīng)輸出光纖送至光電轉(zhuǎn)換電路及信號(hào)處理端，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)分析，獲取外界物理量的信息。

1.2 光纖腐蝕傳感器的優(yōu)越性

由最開(kāi)始常規(guī)的腐蝕檢測(cè)方法到后來(lái)的電化學(xué)腐蝕檢測(cè)方法再到光纖腐蝕傳感器或探針的研究，腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展十分迅速，相關(guān)的研究和應(yīng)用方面的報(bào)道也日益增加。傳統(tǒng)的腐蝕檢測(cè)方法和電化學(xué)腐蝕檢測(cè)方法或多或少都存在一定的局限性，比如像電阻率、雜散電流這些測(cè)量方法可能會(huì)由于儀器和操作者的不穩(wěn)定性而很難實(shí)現(xiàn)重復(fù)實(shí)驗(yàn)，出現(xiàn)測(cè)量誤差；另外由于軍事裝備一般都是大型的金屬設(shè)備，對(duì)于位置或結(jié)構(gòu)上的腐蝕損傷，不可能也不適合將整個(gè)樣品帶到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析檢測(cè)[1]。

光纖腐蝕傳感器是光纖傳感技術(shù)和腐蝕監(jiān)檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的一種產(chǎn)物。基于光纖具有一系列獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，又可埋置于任何部位，進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)的多點(diǎn)監(jiān)控，因此可實(shí)現(xiàn)時(shí)時(shí)監(jiān)控、快速高效、方式靈活。這些優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)其他腐蝕監(jiān)檢測(cè)方法的缺陷，從而滿足人們對(duì)一些惡劣環(huán)境中的設(shè)備腐蝕監(jiān)檢測(cè)的需要，如大氣中、海水中等一些特殊的環(huán)境。光纖腐蝕傳感器解決了許多傳統(tǒng)傳感器無(wú)法解決的問(wèn)題，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)被人們廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如建筑、航空航天、能源、船舶、飛機(jī)、軍事裝備等眾多領(lǐng)域[6]。

2 光纖腐蝕傳感器的分類

隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，科學(xué)家也不斷深入研究監(jiān)測(cè)金屬腐蝕狀況的光纖傳感器，出現(xiàn)很多種類的光纖金屬腐蝕傳感器。現(xiàn)如今比較常用的三種光纖金屬腐蝕傳感器類型如下：基于光纖光柵的金屬腐蝕傳感器、基于探測(cè)透射光強(qiáng)的金屬包層光纖腐蝕傳感器、基于熒光光譜的金屬腐蝕傳感器[7]。

2.1 光纖光柵腐蝕傳感器

光纖光柵傳感器（Fiber Bragg Grating Sensor）屬于光纖傳感器的一種，基于光纖光柵的傳感過(guò)程是通過(guò)外界物理參量對(duì)光纖布拉格（Bragg）波長(zhǎng)的調(diào)制來(lái)獲取傳感信息，是一種波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器。其工作原理是以測(cè)量反射光的中心波長(zhǎng)作為表征，溫度或者應(yīng)變等外界物理量的變化與所導(dǎo)致的柵距變化呈線性，那么光柵反射波長(zhǎng)也隨柵距變化而線性變化，由于不受光源功率波動(dòng)、光纖微彎效應(yīng)及耦合損耗等因素的影響，因此其靈敏度較高[8]。

光纖光柵傳感器具有不受電磁干擾、信號(hào)帶寬大、靈敏度高，適于在高溫、腐蝕性的危險(xiǎn)環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)。它能測(cè)量很多物理量如：加速度、位移、溫度、彎曲、壓力、電磁場(chǎng)及某些化學(xué)量。為使光纖光柵的應(yīng)變狀態(tài)能夠完全代表被測(cè)金屬的腐蝕狀態(tài)，需要在光纖表面涂覆理想的金屬膜層。光柵的應(yīng)變發(fā)生變化，引起其柵距發(fā)生改變，從而導(dǎo)致其反射光譜中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波或短波方向偏移，因而可以用來(lái)指示腐蝕發(fā)生的程度。

2.2 探測(cè)透射光強(qiáng)型的腐蝕傳感器

探測(cè)透射光強(qiáng)度的腐蝕傳感器的主要原理是將金屬薄膜沉積在光纖纖芯上，一旦金屬薄膜被腐蝕則會(huì)變薄并漸漸消失，此時(shí)光纖纖芯就會(huì)暴露在空氣、水或腐蝕產(chǎn)物的環(huán)境中，而這些介質(zhì)的折射率低于纖芯，此時(shí)光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)就會(huì)發(fā)生光的全反射，透射光減弱，輸出光的強(qiáng)度將會(huì)增加，因此通過(guò)比較輸出光的光強(qiáng)與腐蝕程度的關(guān)系即可判斷腐蝕的發(fā)生[9]。

通常使用比較頻繁的是監(jiān)測(cè)鋁合金和Fe-C合金。與其他金屬材料相比，鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、易加工等優(yōu)點(diǎn)，因此在航空航天領(lǐng)域大量使用鋁合金材料作為主承力構(gòu)件，尤其是各種飛行器。相對(duì)A1膜，F(xiàn)e-C合金膜光纖腐蝕傳感器有著更廣泛的應(yīng)用前景。如今大量裝備的連接件和構(gòu)件的原始材料都是Fe-C合金。同理，利用Fe-C合金敏感膜層受到腐蝕時(shí)能對(duì)光纖纖芯內(nèi)傳導(dǎo)的光信號(hào)產(chǎn)生全反射的特性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸出光信號(hào)的改變即可獲取鋼鐵材料的腐蝕信息[10]。

2.3 熒光猝滅型的腐蝕傳感器

熒光猝滅型腐蝕傳感器的原理是將金屬離子和熒光物質(zhì)相結(jié)合，觀察熒光物質(zhì)前后的熒光強(qiáng)度、熒光壽命等基本光物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬腐蝕檢測(cè)的技術(shù)。熒光猝滅原理的金屬腐蝕傳感裝置具有檢測(cè)速度快、靈敏度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。

2013年，PG Venancio等人設(shè)計(jì)了新型的熒光光纖傳感器用來(lái)監(jiān)測(cè)航空領(lǐng)域中鋁合金的腐蝕[11]。其過(guò)程如下：首先，制備出對(duì)鋁離子具有獨(dú)一識(shí)別能力的MIP-8-羥基喹啉，然后將MIP涂覆到光纖纖芯上，當(dāng)鋁金屬腐蝕進(jìn)行時(shí)， MIP就會(huì)和金屬腐蝕產(chǎn)生的鋁離子聚合形成具有熒光特性的熒光團(tuán)，該熒光團(tuán)在氙燈作用下會(huì)發(fā)出熒光，其光強(qiáng)度會(huì)受到鋁離子濃度的影響，因此可通過(guò)對(duì)熒光強(qiáng)度的測(cè)量檢測(cè)鋁合金腐蝕的程度。隨著鋁離子濃度的增加，熒光強(qiáng)度不斷增大，因此該傳感器能夠有效用于鋁合金腐蝕監(jiān)測(cè)[12]。當(dāng)然也可對(duì)其他金屬制作具有專一識(shí)別的目標(biāo)物，用來(lái)對(duì)該金屬腐蝕進(jìn)行針對(duì)性的監(jiān)測(cè)。

3 光纖腐蝕傳感器的應(yīng)用狀況

國(guó)內(nèi)外對(duì)光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已取得一些成果，有些光纖傳感器系統(tǒng)已經(jīng)成功地替代傳統(tǒng)傳感器達(dá)到實(shí)用化的功效。國(guó)際上第一次應(yīng)用光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行腐蝕檢測(cè)是日本于1993年在橋梁建筑上使用。國(guó)內(nèi)，在長(zhǎng)江三峽等大型的水利工程中，工程師為了可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)、預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)大壩的異常狀態(tài)，防止發(fā)生潰壩、坍塌等重大災(zāi)難性事故的發(fā)生，已經(jīng)將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于其中進(jìn)行“健康狀況”的時(shí)時(shí)在線安全監(jiān)測(cè)，這為光纖傳感器的實(shí)用化作出了巨大的貢獻(xiàn)，也說(shuō)明大家已經(jīng)逐漸地認(rèn)可光纖腐蝕傳感技術(shù)[1]。

在航空領(lǐng)域方面，澳大利亞在F-111C飛機(jī)上安裝了光纖傳感腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它不僅可以時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)搭接處的腐蝕狀態(tài)，還能同時(shí)檢查應(yīng)力的變化、溫度和濕度的改變、縫隙的成長(zhǎng)狀況等參數(shù)，為對(duì)飛機(jī)的健康評(píng)估做出及時(shí)的反饋；美國(guó)采用光線光柵傳感技術(shù)分別在F-18、Boeing-777 和X-33等型號(hào)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用研究，并取得了較好的效果；法國(guó)、加拿大等國(guó)家主要將該技術(shù)用于飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)；國(guó)內(nèi)，袁慎芳采用光纖光柵傳感技術(shù)成功地研制了飛機(jī)智能結(jié)構(gòu)。

在軍事上，光纖腐蝕傳感器也受到人們?cè)絹?lái)越多的青睞。美國(guó)海軍表面武器中心1995年就已經(jīng)指出，利用特種材料制成的光纖傳感器對(duì)裝備的腐蝕狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)是武器裝備、船舶（包括潛艇、潛艇）、飛機(jī)、導(dǎo)彈等行業(yè)保護(hù)金屬材質(zhì)“健康”，延長(zhǎng)其使用壽命的基本診斷方式，而且已將集成光纖腐蝕監(jiān)控系統(tǒng)用于船舶行業(yè)，艦載飛機(jī)的金屬腐蝕監(jiān)控中。他們指出海洋環(huán)境中的軍用設(shè)施，特別是一些超期服役的武備系統(tǒng)，使用特種材料光纖傳感早期發(fā)現(xiàn)腐蝕問(wèn)題不僅可以節(jié)約經(jīng)費(fèi)，而且能夠避免災(zāi)難性事故的發(fā)生。鑒于光纖腐蝕傳感器的優(yōu)越性和重要性，美國(guó)空軍和海軍智能金屬結(jié)構(gòu)中心已將這種可以評(píng)估裝備“健康”狀況的傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研究、開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)列為21世紀(jì)的重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目[13]。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明，光纖腐蝕傳感器對(duì)于快速、高效、時(shí)時(shí)在線的監(jiān)控是必要的和可行的，因此可以借鑒到海軍的軍事裝備金屬腐蝕監(jiān)測(cè)中，但是目前的研究還不夠深入，還有很對(duì)技術(shù)問(wèn)題急需解決，如傳感器光信號(hào)輸出量與金屬腐蝕程度之間的定量關(guān)系可以用什么模型進(jìn)行分析，金屬腐蝕產(chǎn)物對(duì)光強(qiáng)型傳感器靈敏度的干擾如何減弱或者消除，金屬腐蝕的機(jī)理究竟哪種更能解釋這些現(xiàn)象等等，這些未解決的技術(shù)問(wèn)題導(dǎo)致暫時(shí)還無(wú)法對(duì)金屬腐蝕程度做準(zhǔn)確的判斷和分析，因此突破光纖傳感技術(shù)的瓶頸，努力提高腐蝕檢測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定性分析和定量監(jiān)測(cè)是我們接下來(lái)要面臨的重大挑戰(zhàn)和努力方向。

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