混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器的設(shè)計
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如何高效可靠地監(jiān)測到混凝土中鋼筋腐蝕程度，進而對混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性做出合理評估，發(fā)現(xiàn)潛在危險，避免安全事故發(fā)生，越來越受到人們的關(guān)注，國內(nèi)外很多學者進行了大量的行之有效的研究，比如半電池電位法、電化學噪聲法、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(jié)合單片機技術(shù)，可以高效地監(jiān)測出混凝土中鋼筋腐蝕信息。該方法無源無引線、成本低廉、安裝方便并且不會破壞混凝土結(jié)構(gòu)。其中，腐蝕監(jiān)測傳感器是監(jiān)測信息來源的最前端，在整個監(jiān)測系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位，需要進行詳細全面的分析設(shè)計。
1 腐蝕監(jiān)測傳感器
美國Texas大學提出的將鋼筋等效物監(jiān)測與電磁耦合技術(shù)相結(jié)合的方案構(gòu)建腐蝕監(jiān)測傳感器，為鋼筋腐蝕監(jiān)測指出了一個發(fā)展的方向，但由于該方法根據(jù)電壓相頻特性進行監(jiān)測，采用昂貴的相位檢測儀，同時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，有利于實際工程監(jiān)測的實現(xiàn)。另外采用高磁導率的磁棒為磁芯來提高傳感器的耦合效率，可以更準確地監(jiān)測鋼筋腐蝕。
腐蝕監(jiān)測傳感器的原理如圖1所示，其中電感L1與L2構(gòu)成耦合線圈，M為互感，右側(cè)為需埋入混凝土結(jié)構(gòu)中的腐蝕監(jiān)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(jiān)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(jiān)測傳感器進行了相關(guān)方面的研究，本文僅對其參數(shù)進行優(yōu)化仿真設(shè)計。通過計算讀取電感L1兩端電壓的頻率特性，可以定性地畫出其幅頻特性，如圖2所示。
以步進固定的正弦掃頻波為信號源，通過單片機對讀取電感兩端的電壓進行A／D轉(zhuǎn)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。當鋼絲導通與斷開時，LC諧振頻率發(fā)生變化，據(jù)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(shù)：
1)鋼絲導通與斷開時LC回路的諧振頻率f2以及兩者之差△f2：通過檢測電壓幅度的極小值Umin來判斷諧振頻率點f2，進而確定鋼筋腐蝕的信息；同時諧振頻率差△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(jiān)測靈敏度要求越低；△f越大，掃頻源的掃頻步進越大，監(jiān)測速度越快。如果參數(shù)設(shè)置不好，有可能會漏掉諧振點上的電壓極小值，造成監(jiān)測失敗。
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