光纖傳感器在軍事裝備腐蝕監(jiān)測中的應用前景

王璽　趙建印　劉星

摘 要：文章詳細地介紹了利用光纖傳感技術與金屬材料腐蝕相結合的檢測方法以及三種常見的光纖腐蝕監(jiān)測傳感器（光纖光柵腐蝕傳感器、探測透射光強腐蝕傳感器、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內外民用和軍用上的發(fā)展狀況，指出利用光纖腐蝕傳感器的腐蝕監(jiān)測方法與傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測方法相比具有其獨特的優(yōu)勢和潛在的巨大價值，為后續(xù)光纖腐蝕傳感器在軍事裝備腐蝕監(jiān)測中的應用前景提供了一些理論依據(jù)和思路。

關鍵詞：光纖傳感器；軍事裝備；腐蝕監(jiān)測

中圖分類號：TG174 文獻標志碼：A 文章編號：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海防衛(wèi)的戰(zhàn)略調整，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都在悄然地進行，然而在這些軍事行動的背后都面臨著一個重要的挑戰(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施都面臨著非常嚴重的腐蝕問題。南海島礁建設中配備的武器裝備，上島安裝調試好之后往往少則幾周，多則幾個月就會出現(xiàn)嚴重的銹斑，脫皮等等，這些極大地影響了裝備的使用性能，嚴重的腐蝕還會直接導致裝備的提前退役，這將會給國家造成高達數(shù)千億美元的經濟損失。

金屬材料的腐蝕只能在發(fā)現(xiàn)之后進行有效地抑制但是無法根本性徹底地進行消除，因此針對復雜海洋環(huán)境中腐蝕的防控，以發(fā)現(xiàn)、監(jiān)測腐蝕（尤其是早期腐蝕）為目的腐蝕監(jiān)檢測技術就顯得至關重要，特別是對不易察覺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，而且可能會影響整體性能，造成不必要的損失。另一方面，當用肉眼可以觀察到腐蝕效果時，其腐蝕厚度已經達到金屬原始厚度的10%，此時就需要花費大量的人力和財力進行修復[2]。金屬材料的腐蝕是一個相當復雜的過程，周圍的環(huán)境條件，比如pH值、溫度、溶液離子濃度、材料所受應力、張力等等，甚至腐蝕之后的初級產物反過來又會左右腐蝕的過程[3]。以前的常規(guī)腐蝕監(jiān)測方法，比如表觀檢查、掛片法、電阻法等基本都是單一指標的檢測，準確度并不高，且費時費力。光纖腐蝕傳感器是近年來光纖傳感技術與腐蝕監(jiān)檢測相結合的傳感器，該傳感器充分利用光纖傳感器的優(yōu)勢，用來收集、傳送腐蝕信息到便攜端進行分析[4]。它可以監(jiān)測氯離子濃度、溶液的pH值、環(huán)境濕度和溫度等等這些與腐蝕相關的大量參數(shù)，便于直接分析，因此與單指標的檢測技術相比具有靈敏度好，準確性高等優(yōu)勢。同時由于光纖腐蝕傳感器的載體是傳輸光信號，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的關鍵部位，而且能安全可靠地將腐蝕信息傳遞到便攜端口，達到在線無損、時刻監(jiān)控的監(jiān)測效果[1]。綜上所述，作為一種新型的早期腐蝕監(jiān)測技術，光纖腐蝕傳感器以其獨特的優(yōu)勢推動了腐蝕監(jiān)檢測技術的發(fā)展，這對處于惡劣海洋環(huán)境中的軍事裝備金屬腐蝕監(jiān)測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

光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信技術的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的，以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測量信號的一種新型傳感技術?；诒粶y量信號載體的光波和傳播媒質的光纖，該傳感技術具有一系列獨特的、其他傳感技術難以相比的優(yōu)點。該傳感技術的工作原理是將來自光源的光經過光纖送入調制器，由于待測參數(shù)的影響，使進入調制區(qū)的光的光學性質發(fā)生變化，成為被調制的信號光，然后再經過光纖送入光探測器，經解調后，獲得被測參數(shù)的信息[5]。

光纖腐蝕傳感器一般由光源、傳輸光纖、傳感頭、光電轉換及信號處理四部分組成。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，傳感頭感測外界參量的變化，并將攜帶外界參量信息的光波再經輸出光纖送至光電轉換電路及信號處理端，對信號進行解調分析，獲取外界物理量的信息。

1.2 光纖腐蝕傳感器的優(yōu)越性

由最開始常規(guī)的腐蝕檢測方法到后來的電化學腐蝕檢測方法再到光纖腐蝕傳感器或探針的研究，腐蝕監(jiān)檢測技術的發(fā)展十分迅速，相關的研究和應用方面的報道也日益增加。傳統(tǒng)的腐蝕檢測方法和電化學腐蝕檢測方法或多或少都存在一定的局限性，比如像電阻率、雜散電流這些測量方法可能會由于儀器和操作者的不穩(wěn)定性而很難實現(xiàn)重復實驗，出現(xiàn)測量誤差；另外由于軍事裝備一般都是大型的金屬設備，對于位置或結構上的腐蝕損傷，不可能也不適合將整個樣品帶到實驗室進行分析檢測[1]。

光纖腐蝕傳感器是光纖傳感技術和腐蝕監(jiān)檢測技術相結合的一種產物?；诠饫w具有一系列獨特的優(yōu)點，又可埋置于任何部位，進行內部結構的多點監(jiān)控，因此可實現(xiàn)時時監(jiān)控、快速高效、方式靈活。這些優(yōu)勢可以彌補其他腐蝕監(jiān)檢測方法的缺陷，從而滿足人們對一些惡劣環(huán)境中的設備腐蝕監(jiān)檢測的需要，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)傳感器無法解決的問題，以其獨特的優(yōu)勢被人們廣泛應用于各行各業(yè)，如建筑、航空航天、能源、船舶、飛機、軍事裝備等眾多領域[6]。

2 光纖腐蝕傳感器的分類

隨著光纖技術的不斷發(fā)展，科學家也不斷深入研究監(jiān)測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、基于探測透射光強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程是通過外界物理參量對光纖布拉格（Bragg）波長的調制來獲取傳感信息，是一種波長調制型光纖傳感器。其工作原理是以測量反射光的中心波長作為表征，溫度或者應變等外界物理量的變化與所導致的柵距變化呈線性，那么光柵反射波長也隨柵距變化而線性變化，由于不受光源功率波動、光纖微彎效應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、信號帶寬大、靈敏度高，適于在高溫、腐蝕性的危險環(huán)境中使用等優(yōu)點。它能測量很多物理量如：加速度、位移、溫度、彎曲、壓力、電磁場及某些化學量。為使光纖光柵的應變狀態(tài)能夠完全代表被測金屬的腐蝕狀態(tài)，需要在光纖表面涂覆理想的金屬膜層。光柵的應變發(fā)生變化，引起其柵距發(fā)生改變，從而導致其反射光譜中心波長向長波或短波方向偏移，因而可以用來指示腐蝕發(fā)生的程度。

2.2 探測透射光強型的腐蝕傳感器

探測透射光強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變薄并漸漸消失，此時光纖纖芯就會暴露在空氣、水或腐蝕產物的環(huán)境中，而這些介質的折射率低于纖芯，此時光由光密介質進入光疏介質就會發(fā)生光的全反射，透射光減弱，輸出光的強度將會增加，因此通過比較輸出光的光強與腐蝕程度的關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、強度高、易加工等優(yōu)點，因此在航空航天領域大量使用鋁合金材料作為主承力構件，尤其是各種飛行器。相對A1膜，F(xiàn)e-C合金膜光纖腐蝕傳感器有著更廣泛的應用前景。如今大量裝備的連接件和構件的原始材料都是Fe-C合金。同理，利用Fe-C合金敏感膜層受到腐蝕時能對光纖纖芯內傳導的光信號產生全反射的特性，實時監(jiān)測輸出光信號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相結合，觀察熒光物質前后的熒光強度、熒光壽命等基本光物理性質的變化來實現(xiàn)對金屬腐蝕檢測的技術。熒光猝滅原理的金屬腐蝕傳感裝置具有檢測速度快、靈敏度高等諸多優(yōu)點。

2013年，PG Venancio等人設計了新型的熒光光纖傳感器用來監(jiān)測航空領域中鋁合金的腐蝕[11]。其過程如下：首先，制備出對鋁離子具有獨一識別能力的MIP-8-羥基喹啉，然后將MIP涂覆到光纖纖芯上，當鋁金屬腐蝕進行時， MIP就會和金屬腐蝕產生的鋁離子聚合形成具有熒光特性的熒光團，該熒光團在氙燈作用下會發(fā)出熒光，其光強度會受到鋁離子濃度的影響，因此可通過對熒光強度的測量檢測鋁合金腐蝕的程度。隨著鋁離子濃度的增加，熒光強度不斷增大，因此該傳感器能夠有效用于鋁合金腐蝕監(jiān)測[12]。當然也可對其他金屬制作具有專一識別的目標物，用來對該金屬腐蝕進行針對性的監(jiān)測。

3 光纖腐蝕傳感器的應用狀況

國內外對光纖傳感技術的應用研究已取得一些成果，有些光纖傳感器系統(tǒng)已經成功地替代傳統(tǒng)傳感器達到實用化的功效。國際上第一次應用光纖傳感系統(tǒng)進行腐蝕檢測是日本于1993年在橋梁建筑上使用。國內，在長江三峽等大型的水利工程中，工程師為了可以及時發(fā)現(xiàn)、預報、監(jiān)測大壩的異常狀態(tài)，防止發(fā)生潰壩、坍塌等重大災難性事故的發(fā)生，已經將光纖傳感技術應用于其中進行“健康狀況”的時時在線安全監(jiān)測，這為光纖傳感器的實用化作出了巨大的貢獻，也說明大家已經逐漸地認可光纖腐蝕傳感技術[1]。

在航空領域方面，澳大利亞在F-111C飛機上安裝了光纖傳感腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，它不僅可以時時監(jiān)測搭接處的腐蝕狀態(tài)，還能同時檢查應力的變化、溫度和濕度的改變、縫隙的成長狀況等參數(shù)，為對飛機的健康評估做出及時的反饋；美國采用光線光柵傳感技術分別在F-18、Boeing-777 和X-33等型號進行了結構健康監(jiān)測應用研究，并取得了較好的效果；法國、加拿大等國家主要將該技術用于飛機復合材料結構健康監(jiān)測；國內，袁慎芳采用光纖光柵傳感技術成功地研制了飛機智能結構。

在軍事上，光纖腐蝕傳感器也受到人們越來越多的青睞。美國海軍表面武器中心1995年就已經指出，利用特種材料制成的光纖傳感器對裝備的腐蝕狀況進行監(jiān)測是武器裝備、船舶（包括潛艇、潛艇）、飛機、導彈等行業(yè)保護金屬材質“健康”，延長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)，艦載飛機的金屬腐蝕監(jiān)控中。他們指出海洋環(huán)境中的軍用設施，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)腐蝕問題不僅可以節(jié)約經費，而且能夠避免災難性事故的發(fā)生。鑒于光纖腐蝕傳感器的優(yōu)越性和重要性，美國空軍和海軍智能金屬結構中心已將這種可以評估裝備“健康”狀況的傳感器系統(tǒng)的設計、研究、開發(fā)和生產列為21世紀的重點發(fā)展項目[13]。

4 結束語

實驗證明，光纖腐蝕傳感器對于快速、高效、時時在線的監(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)測中，但是目前的研究還不夠深入，還有很對技術問題急需解決，如傳感器光信號輸出量與金屬腐蝕程度之間的定量關系可以用什么模型進行分析，金屬腐蝕產物對光強型傳感器靈敏度的干擾如何減弱或者消除，金屬腐蝕的機理究竟哪種更能解釋這些現(xiàn)象等等，這些未解決的技術問題導致暫時還無法對金屬腐蝕程度做準確的判斷和分析，因此突破光纖傳感技術的瓶頸，努力提高腐蝕檢測的準確性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)精準的定性分析和定量監(jiān)測是我們接下來要面臨的重大挑戰(zhàn)和努力方向。

參考文獻：

[1]雒婭楠.碳鋼光纖腐蝕傳感器的敏感膜制備及傳感特性研究[D].天津：天津大學，2003.

[2]閆磊朋，洪曉華，李威，等.基于金屬腐蝕敏感膜的光纖腐蝕傳感器現(xiàn)狀[J].腐蝕與防護，2008，29（4）：199-215.

[3]董颯英，廖延彪，田芊，等.光纖傳感技術在腐蝕監(jiān)測中的應用[J].分析科學學報，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.光纖光柵傳感技術及其在油氣管道腐蝕監(jiān)測的應用研究[D].株洲：湖南工業(yè)大學，2012.

[6]趙二剛，高侃，張俊，等.光纖金屬腐蝕傳感器的應用及研究現(xiàn)狀[J].光纖與電纜及其應用技術，2011，6：1-3.

[7]王印旭，初鳳紅.光纖金屬腐蝕傳感器研究及應用進展[J].全面腐蝕控制，2016，24（9）.

[8]譚曉明，卞貴學，陳躍良，等.基于光纖Bragg光柵的飛機異種金屬連接件腐蝕監(jiān)測技術研究[J].強度和環(huán)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，譚磊，等.Fe-C合金膜光纖腐蝕傳感器的腐蝕實驗及傳感特性研究[J].儀器技術與傳感器，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.

[12]凌強，顧錚先.光纖腐蝕傳感器研究進展[J].光學技術，2016，42（1）：50-55.

[13]鐘勇，楊華明.國外光纖腐蝕傳感器技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].強度和環(huán)境，2015，36（2）：55-61.