一种智能涂层监测系统及其应用的制作方法

1.本发明属于防腐涂层领域，更具体地，涉及一种智能涂层监测系统及其应用。


背景技术：

2.金属材料在生活中应用广泛，是人类生活中不可或缺的一种重要材料。但由于其不耐腐蚀的特性，大量的金属材料由于腐蚀失效使相应的交通设备、机械设备损坏，从而造成了巨大的经济损失。因此，减缓金属的腐蚀过程能带来很大的经济效益。防止金属腐蚀的方法种类繁多，其中在金属表面喷涂防腐蚀涂层是一种操作简便、应用广泛的方法。由于涂层涂覆在材料表面且结构单薄，往往会因为外部不利条件产生裂纹或破损，从而失去对金属材料的保护效果。由于涂层是属于保护性的消耗品，并且覆盖面积大，往往很难发现细小的破损位置。因此，开发一种智能涂层使人们能及时发现涂层可能产生缺陷的位置并修复，尽可能减少基材暴露风险，从而能够大大减少因腐蚀带来的基材损坏。
3.现有技术中，cn112852262a公开了含有木质纤维素的防腐蚀自修复涂层及其制备方法，其中自修复涂层由底层、中间层、顶层组成三明治形式的复合层结构，中间层由自修复体系材料与环氧树脂基料组成。cn112552778a公开了一种含微胶囊的自检测自修复智能涂层，其包括装载自检测自修复功能分子的微胶囊、显色引发剂、成膜基质和添加剂，微胶囊由外壳材料包覆修复剂和显色剂分子构成。但这两者都是在基础涂层上再覆盖一层具有上述功能的有机涂层，受限于这种有机涂层的材料种类，该涂层并不适用于一些在恶劣环境下(高温高压)的工作材料。因此，设计一种不改变原有涂层材料种类的监测结构，能够及时发现涂层破损是未来发展的一个重要方向。
4.cn103163142a公开了光纤测量装置，其中光纤线一端接于光纤通信测量仪器上，光纤线中心为高折射率的玻璃芯，玻璃芯外层为低折射率的硅玻璃包层，最外层为树脂涂层。其监测原理主要通过光纤的变形或者断裂来感受裂缝、裂纹之内的缺陷，检测精度相对较差，不适用于涂层监护。cn212432979u公开了一种用于钢结构涂层老化脱落监测的光纤传感器，其中单模光纤在柔性薄片的凹槽位置处的一侧被打磨掉部分包层，该区域为抛光区域并被铁薄膜覆盖，非抛光区域被柔性薄片包裹，其基于侧面抛光光纤对外界环境折射率的高度敏感性，通过监测侧面抛光光纤布里渊频移的改变量，实现对涂层脱落状态的定量监测。但是该方法的监测范围受限于铁薄膜的位置，当铁薄膜以外的局部位置出现脱落时该装置无法有效地监测到，因此监测范围有限。


技术实现要素：

5.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种智能涂层监测系统及其应用，能够在不改变现有涂层材料种类的前提下，实时检测涂层缺陷，旨在解决现有的的问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种智能涂层监测系统，该智能涂层监测系统包括激光发射装置、光纤光栅传感器和智能监测平台，其中所述激光发射装置与光纤光栅传感器连接，用于向所述光纤光栅传感器输入脉冲信号；所述光纤光栅传感器
使用时固定在涂层内部，并产生反射光信号；所述智能监测平台用于收集所述反射光信号，以实时监测涂层是否损坏。
7.作为进一步优选的，所述智能涂层监测系统还包括环形器，所述环形器的第一端口与激光发射装置连接，该环形器的第二端口与光纤光栅传感器连接，同时该环形器的第三端口与智能监测平台连接，以保证信号单向传输。
8.作为进一步优选的，所述激光发射装置用于输入触发脉冲信号。
9.作为进一步优选的，所述智能监测平台根据所述反射光信号的中心波长漂移量判断涂层是否损坏。
10.作为进一步优选的，所述智能监测平台包括滤波器、信号检测与处理模块和预警模块，其中所述滤波器与环形器的第三端口连接，用于收集反射光信号；所述信号检测与处理模块根据所述反射光信号获得应变信息；所述预警模块根据应变信息进行破损预警。
11.作为进一步优选的，所述智能监测平台的工作流程为：
12.s1利用滤波器分离出反射光信号中的有效光信号并传递给信号检测与处理模块；
13.s2信号检测与处理模块将有效光信号转化为电信号，根据电信号和激光发射装置的脉冲信号解调出中心波长漂移量，然后根据所述中心波长漂移量获得对应的应变并传递给预警模块；
14.s3所述预警模块在应变超出正常范围时进行预警，并标记出发生异常的位置。
15.作为进一步优选的，步骤s2中，利用下式计算应变：
[0016][0017]
式中，ε为应变，δλb为中心波长漂移量，为纤芯有效折射率，p
12
和p
11
光纤应变张量的分量，v为纤芯材料的泊松比常数，λ为光栅栅格周期。
[0018]
作为进一步优选的，所述光纤光栅传感器以阵列排布方式嵌在涂层内部。
[0019]
按照本发明的另一方面，提供了一种智能涂层，其包括复合涂层结构、激光发射装置和智能监测平台，其中所述复合涂层结构包括涂层和嵌在所述涂层内部的光纤光栅传感器，所述激光发射装置与光纤光栅传感器连接，用于向所述光纤光栅传感器输入脉冲信号；所述智能监测平台用于收集所述光纤光栅传感器产生的反射光信号，以实时监测涂层是否损坏。
[0020]
作为进一步优选的，利用磁控溅射、化学气相沉积、热喷涂的方式在基材上喷涂预设厚度的涂层作为光纤支撑层；然后在所述光纤支撑层上以阵列方式铺设光纤光栅传感器作为光纤传感层；最后在所述光纤传感层上利用冷喷涂技术制作预设厚度的涂层使光纤光栅传感器完全嵌入涂层内部。
[0021]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0022]
1.本发明提供了一种智能涂层监测系统，该系统在涂层内部嵌入光纤光栅传感器，并将光纤光栅传感器与激光发射装置和智能监测平台连接，当涂层应变状态发生改变时，光纤和光纤内部的光栅受到应力作用使得光栅处的激光信号有所改变，通过智能监测
平台可以实时监测整个涂层的应变状态变化，从而实时监测整个涂层上裂纹或者缺陷的出现，能够在不改变原有涂层材料种类的前提下，实现涂层自检测缺陷的功能，便于及时进行破损修复；
[0023]
2.同时，本发明通过设置环形器，能够使激光信号沿单向高效传播，从而避免反射信号对激光发射装置或者智能监测平台产生干扰；
[0024]
3.尤其是，本发明对智能监测平台的组成以及工作模式进行优化，能够实时高效地监测涂层的应变状态，发现涂层早期出现的破损并及时修复，减小基材长时间暴露风险，延缓基材的损耗，能带来非常大的经济效益。
附图说明
[0025]
图1是本发明实施例提供的智能涂层监测系统的工作原理图；
[0026]
图2是本发明实施例提供的智能涂层的结构示意图；
[0027]
图3是本发明实施例提供的智能涂层中光纤光栅传感器的安装示意图。
[0028]
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
[0029]
1-激光发射装置，2-环形器，3-复合涂层结构，4-智能监测平台，5-光纤光栅传感器，6-涂层，7-基材，8-滤波器，9-信号检测与处理模块，10-预警模块。
具体实施方式
[0030]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0031]
如图1所示，本发明提供了一种智能涂层监测系统，该智能涂层监测系统包括激光发射装置1、光纤光栅传感器5和智能监测平台4，其中激光发射装置1与光纤光栅传感器5连接，用于向光纤光栅传感器5输入脉冲信号，并优选输入触发脉冲信号；光纤光栅传感器5使用时以阵列排布方式嵌在涂层内部，并产生反射光信号；智能监测平台4用于收集反射光信号，并根据反射光信号的中心波长漂移量判断涂层是否损坏。
[0032]
进一步，智能涂层监测系统还包括环形器2，环形器2的第一端口与激光发射装置1连接，该环形器2的第二端口与光纤光栅传感器5连接，同时该环形器2的第三端口与智能监测平台4连接。环形器2可以使激光信号沿单向高效传播，从第一端口输入的信号能在第二端口以极低损耗输出，从第二端口输入的信号能在第三端口以极低损耗输出，反之，信号几乎无法通过，从而避免反射信号对激光发射装置1或者智能监测平台4造成干扰。
[0033]
进一步，智能监测平台4包括滤波器8、信号检测与处理模块9和预警模块10，其中滤波器8与环形器2的第三端口连接，用于收集反射光信号；信号检测与处理模块9根据反射光信号获得应变信息；预警模块10根据应变信息进行破损预警。
[0034]
进一步，智能监测平台4的工作流程为：
[0035]
s1利用滤波器8分离出反射光信号中的有效光信号并传递给信号检测与处理模块9；
[0036]
s2信号检测与处理模块9将有效光信号转化为电信号，根据电信号和激光发射装置的脉冲信号解调出中心波长漂移量，然后根据中心波长漂移量获得对应的应变并传递给
预警模块10；
[0037]
s3预警模块10在应变超出正常范围时进行预警，由于不同的光栅得到的反射光信号波峰在出现时间上有先后顺序，预警模块10可根据发生漂移的波峰在时间谱上出现的位置找到对应的光栅异常位置从而标记出涂层状态异常的位置。
[0038]
进一步，步骤s2中，根据braag光栅的中心波长公式(1)可知，
[0039]
λb＝2n
eff
λ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0040]
光栅中心波长λb随纤芯有效折射率和光纤光栅栅格周期λ变化，当光纤光栅栅格周期和纤芯有效折射率因应变产生光纤光栅栅格周期变化量δλ和纤芯有效折射率变化量δn
eff
时，反射中心波长会产生中心波长漂移量δλb，且有：
[0041][0042]
式中，当需要应变信息时，根据光纤有效折射率随应变变化关系：
[0043][0044]
式中，p
12
和p
11
光纤应变张量的分量，v为纤芯材料的泊松比常数，ε为应变，光纤光栅栅格周期变化量δλ与应变变化量λε的关系：
[0045]
δλ＝λε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0046]
将式(3)、(4)代入式(2)可得：
[0047][0048]
其中，pe为光纤的有效弹光系数，
[0049][0050]kε
为应变灵敏度系数，
[0051]kε
＝(1-pe)λbꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0052]
中心波长漂移量δλb与应变ε的关系为，
[0053]
δλb＝k
ε
ε
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0054]
因此，监测平台能根据式(8)将反射中心波长变化转化成应变变化并实时反馈，最终得到：
[0055][0056]
上述公式中p
11
、p
22
、v、n
eff
均与所用光纤材料有关，当所用材料确定时，该参数值确定。
[0057]
本发明提供的智能涂层监测系统的工作原理为：激光发射装置1输入触发脉冲信号，通过环形器2注入被紧固在涂层6内部用于感受应变变化的光纤光栅传感器5，触发脉冲信号在光纤光栅传感器5内会产生一个反射光信号，该反射光信号通过环形器2被智能监测平台4获取，当涂层6某处产生裂纹时，位于该裂纹附近的光纤光栅传感器由于受到裂纹应力的影响发生微变形，这种微变形会改变该处所产生的反射光信号，使智能监测平台4能实
时获取涂层各处的裂纹信息。预警模块10可设置一个正常的应变范围值，当信号检测与处理模块9收到的应变信息超出正常范围后，预警模块10会发出预警，标记出发生异常的位置，从而能够及时注意到涂层发生缺陷的位置并修复，减少基材7长时间裸露的风险。
[0058]
本发明提供的智能涂层监测系统不受限于涂层的材料种类和应用场景，并且不影响涂层所具备的各项性能，可以适配大多数涂层应用环境。同时该智能涂层监测系统不引入其他的破损显色材料或者修复材料，环保无污染。
[0059]
按照本发明的另一方面，提供了一种智能涂层，其包括复合涂层结构3、激光发射装置1和智能监测平台4，其中复合涂层结构3包括涂层6和嵌在涂层6内部的光纤光栅传感器5，激光发射装置1与光纤光栅传感器5连接，用于向光纤光栅传感器5输入脉冲信号；智能监测平台4用于收集光纤光栅传感器5产生的反射光信号，以实时监测涂层是否损坏。
[0060]
进一步，利用磁控溅射、化学气相沉积、热喷涂的方式在基材7上喷涂合适厚度的涂层6作为光纤支撑层；然后在光纤支撑层上以阵列方式铺设光纤光栅传感器5作为光纤传感层；最后在光纤传感层上利用冷喷涂技术制作预设厚度的涂层6使光纤光栅传感器5完全嵌入涂层6内部。光纤光栅传感器5内部布置光栅，光纤光栅传感器5裸露地嵌在涂层6内，当涂层6某个部位发生变形或开裂时，近邻区域的光纤光栅传感器5及光栅受到应力作用也会随之发生微小变形，进而产生应变，使得经过该段光纤光栅传感器5的光信号发生变化。
[0061]
光纤光栅传感器5在涂层6内以如图3所示的排布方式分布，这种阵列是一种效果良好的应力分布式传感方案。当涂层某个区域出现微裂纹时，位于该区域附近的光纤光栅传感器5所受的应力为σb，其他的部分应力为正常的σa，从而导致应力为σb部分的光纤发生异常形变，并影响光纤内部的光栅，从而使这一部分产生的反射光信号的中心波长漂移量发生变化，而智能监测平台4能通过监测这种变化判断涂层是否损坏。
[0062]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种智能涂层监测系统，其特征在于，该智能涂层监测系统包括激光发射装置(1)、光纤光栅传感器(5)和智能监测平台(4)，其中所述激光发射装置(1)与光纤光栅传感器(5)连接，用于向所述光纤光栅传感器(5)输入脉冲信号；所述光纤光栅传感器(5)使用时固定在涂层内部，并产生反射光信号；所述智能监测平台(4)用于收集所述反射光信号，以实时监测涂层是否损坏。2.如权利要求1所述的智能涂层监测系统，其特征在于，所述智能涂层监测系统还包括环形器(2)，所述环形器(2)的第一端口与激光发射装置(1)连接，该环形器(2)的第二端口与光纤光栅传感器(5)连接，同时该环形器(2)的第三端口与智能监测平台(4)连接，以保证信号单向传输。3.如权利要求1所述的智能涂层监测系统，其特征在于，所述激光发射装置(1)用于输入触发脉冲信号。4.如权利要求1所述的智能涂层监测系统，其特征在于，所述智能监测平台(4)根据所述反射光信号的中心波长漂移量判断涂层是否损坏。5.如权利要求1所述的智能涂层监测系统，其特征在于，所述智能监测平台(4)包括滤波器(8)、信号检测与处理模块(9)和预警模块(10)，其中所述滤波器(8)与环形器(2)的第三端口连接，用于收集反射光信号；所述信号检测与处理模块(9)根据所述反射光信号获得应变信息；所述预警模块(10)根据应变信息进行破损预警。6.如权利要求1所述的智能涂层监测系统，其特征在于，所述智能监测平台(4)的工作流程为：s1利用滤波器(8)分离出反射光信号中的有效光信号并传递给信号检测与处理模块(9)；s2信号检测与处理模块(9)将有效光信号转化为电信号，根据电信号和激光发射装置(1)的脉冲信号解调出中心波长漂移量，然后根据所述中心波长漂移量获得对应的应变并传递给预警模块(10)；s3所述预警模块(10)在所述应变超出正常范围时进行预警，并标记出发生异常的位置。7.如权利要求6所述的智能涂层监测系统，其特征在于，步骤s2中，利用下式计算应变：式中，ε为应变，δλ
b
为中心波长漂移量，n
eff
为纤芯有效折射率，p
12
和p
11
为光纤应变张量的分量，ν为纤芯材料的泊松比常数，λ为光栅栅格周期。8.如权利要求1～7任一项所述的智能涂层监测系统，其特征在于，所述光纤光栅传感器(5)以阵列排布方式嵌在涂层内部。9.一种智能涂层，其特征在于，该智能涂层包括复合涂层结构(3)、激光发射装置(1)和智能监测平台(4)，其中所述复合涂层结构(3)包括涂层(6)和嵌在所述涂层(6)内部的光纤光栅传感器(5)，所述激光发射装置(1)与光纤光栅传感器(5)连接，用于向所述光纤光栅传感器(5)输入脉冲信号；所述智能监测平台(4)用于收集所述光纤光栅传感器(5)产生的反
射光信号，以实时监测涂层是否损坏。10.如权利要求9所述的智能涂层，其特征在于，利用磁控溅射、化学气相沉积、热喷涂的方式在基材(7)上喷涂预设厚度的涂层(6)作为光纤支撑层；然后在所述光纤支撑层上以阵列方式铺设光纤光栅传感器(5)作为光纤传感层；最后在所述光纤传感层上利用冷喷涂技术制作预设厚度的涂层(6)使光纤光栅传感器(5)完全嵌入涂层(6)内部。

技术总结
本发明提供了一种智能涂层监测系统及其应用，属于防腐涂层领域。该智能涂层监测系统包括激光发射装置、光纤光栅传感器和智能监测平台，其中激光发射装置与光纤光栅传感器连接，用于向光纤光栅传感器输入脉冲信号；光纤光栅传感器使用时固定在涂层内部，并产生反射光信号；智能监测平台用于收集反射光信号，以实时监测涂层是否损坏。该智能涂层监测系统在涂层内部嵌入光纤光栅传感器，并将光纤光栅传感器与激光发射装置和智能监测平台连接，当涂层应力状态发生改变时，光纤和光纤内部的光栅受到应力作用产生应变使得光栅处的激光信号有所改变，通过智能监测平台可以实时监测整个涂层的应变状态变化，从而实时监测整个涂层上裂纹或者缺陷的出现。裂纹或者缺陷的出现。裂纹或者缺陷的出现。


技术研发人员：张茂 蔡洪钧 刘建春 赵志勇 王新云 金俊松 邓磊 龚攀 唐学峰
受保护的技术使用者：中国舰船研究设计中心
技术研发日：2021.11.25
技术公布日：2022/3/8