混凝土中鋼筋腐蝕監測傳感器的設計
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如何高效可靠地監測到混凝土中鋼筋腐蝕程度，進(jìn)而對混凝土結構的耐久性做出合理評估，發(fā)現潛在危險，避免安全事故發(fā)生，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，國內外很多學(xué)者進(jìn)行了大量的行之有效的研究，比如半電池電位法、電化學(xué)噪聲法、交流阻抗法、光纖傳感技術(shù)等。但由于技術(shù)本身的局限性，這些方法均有自己無(wú)法克服的缺陷，比如測試儀器昂貴、工作量大、誤差高等。本課題組采用電磁耦合的方法，并結合單片機技術(shù)，可以高效地監測出混凝土中鋼筋腐蝕信息。該方法無(wú)源無(wú)引線(xiàn)、成本低廉、安裝方便并且不會(huì )破壞混凝土結構。其中，腐蝕監測傳感器是監測信息來(lái)源的最前端，在整個(gè)監測系統中占據重要的地位，需要進(jìn)行詳細全面的分析設計。
1 腐蝕監測傳感器
美國Texas大學(xué)提出的將鋼筋等效物監測與電磁耦合技術(shù)相結合的方案構建腐蝕監測傳感器，為鋼筋腐蝕監測指出了一個(gè)發(fā)展的方向，但由于該方法根據電壓相頻特性進(jìn)行監測，采用昂貴的相位檢測儀，同時(shí)該傳感器的耦合效率較低，基于此，本課題組采用電壓的幅頻特性來(lái)判斷鋼筋的腐蝕信息，由于幅頻特性檢測容易，不需要復雜的電路，有利于實(shí)際工程監測的實(shí)現。另外采用高磁導率的磁棒為磁芯來(lái)提高傳感器的耦合效率，可以更準確地監測鋼筋腐蝕。
腐蝕監測傳感器的原理如圖1所示，其中電感L1與L2構成耦合線(xiàn)圈，M為互感，右側為需埋入混凝土結構中的腐蝕監測傳感器，主要由電感、電容、鋼絲等組成LC電磁振蕩回路。將封裝好的腐蝕監測傳感器中的鋼絲暴露在混凝土中的鋼筋附近，利用鋼絲的通斷即可判斷鋼筋的腐蝕信息。前期，本課題組已經(jīng)對鋼筋腐蝕監測傳感器進(jìn)行了相關(guān)方面的研究，本文僅對其參數進(jìn)行優(yōu)化仿真設計。通過(guò)計算讀取電感L1兩端電壓的頻率特性，可以定性地畫(huà)出其幅頻特性，如圖2所示。
以步進(jìn)固定的正弦掃頻波為信號源，通過(guò)單片機對讀取電感兩端的電壓進(jìn)行A／D轉換并計算出電壓值極小值Umin，然后對照掃頻源的頻率即可得出諧振頻率。當鋼絲導通與斷開(kāi)時(shí)，LC諧振頻率發(fā)生變化，據此可判斷出混凝土中鋼筋的腐蝕信息。
為了使讀取電路準確地測量出鋼筋的腐蝕狀態(tài)信息，需主要關(guān)注以下性能參數：
1)鋼絲導通與斷開(kāi)時(shí)LC回路的諧振頻率f2以及兩者之差△f2：通過(guò)檢測電壓幅度的極小值Umin來(lái)判斷諧振頻率點(diǎn)f2，進(jìn)而確定鋼筋腐蝕的信息；同時(shí)諧振頻率差△f2的值決定了判斷鋼筋腐蝕的難易程度，△f2越大，越容易判斷。
2)Dip的大小以及f2與f1之間的差值△f：Dip越大，對讀取電路監測靈敏度要求越低；△f越大，掃頻源的掃頻步進(jìn)越大，監測速度越快。如果參數設置不好，有可能會(huì )漏掉諧振點(diǎn)上的電壓極小值，造成監測失敗。
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