CN102564937B - 钢混结构用无线自集能腐蚀传感器的能量供给单元 - Google Patents
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Abstract
一种钢混结构用无线自集能腐蚀传感器的能量供给单元，包括石墨板和镁板，石墨板和镁板为带有多个正方形凸起的结构，石墨板和镁板的正方形凸起采用国际象棋棋盘式相互间隔设置，石墨板和镁板之间采用PVC板绝缘，分别在石墨板和镁板上焊接铜导线；石墨板上的铜导线连接到传感器电源插槽的负极，镁板上的铜导线连接到传感器的电源插槽的正极。本发明结构简单，能够通过调整能量供给单元的材料属性，设计其几何构形，可利用腐蚀所释放的电能供给无线传感器工作，从而满足重大工程结构的实际需求。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种能量供给单元，具体涉及用在土木工程结构健康监测中，能够为恶劣服役环境下腐蚀监测传感器系统提供能源的单元及其制备方法。
背景技术
过去的研究表明钢筋腐蚀是造成钢混结构损伤以及失效的原因之一，全世界对腐蚀结构的维护维修以及更换构件投入了大量的费用，在土木工程中钢筋腐蚀的监测是结构健康监测以及全寿命设计的重要组成部分。随着钢混结构钢筋腐蚀问题引起全世界的广泛关注，国内外针对耦合腐蚀作用下的材料、构件到结的性能进行了大量、系统的研究，这些研究建立了腐蚀状态与材料、构件及结构性能之间宝贵的数据库。钢筋腐蚀监测系统一旦成功构建，将在结构腐蚀状态与结构服役性能之间架设“桥梁”，实时掌握结构的耐久性状态，并最终为结构服役安全性的评定、合理化腐蚀控制措施与维修加固方案的提出及全寿命设计等提供科学依据。
国内外针对耦合腐蚀作用下的材料、构件到结构的性能进行了大量地研究，建立了腐蚀状态与材料、构件及结构性能之间宝贵的数据库。一旦成功构建钢筋腐蚀监测系统，将在结构腐蚀状态与结构服役性能之间架设“桥梁”，能够实时掌握结构的耐久性状态，并最终为结构服役安全性的评定、合理化腐蚀控制措施与维修加固方案的提出及全寿命设计等提供科学依据。因此，钢筋腐蚀监测研究工作的开展势在必行，这一工作具有显著的经济效益和潜在的、重要的社会效益。
土木工程中绝大多数(除了部分高温氧化反应外)钢材的腐蚀过程都是电化学过程，所以电化学方法成为监测结构中钢材腐蚀的最本质的方法。近些年来国内外的科研工作者采用电化学方法对腐蚀科学问题进行了大量的研究，通过稳态及暂态电化学方法的研究，不但能够获得诸如腐蚀电流密度、腐蚀速率这样的基本参数，还能够得知揭示腐蚀电化学过程的更详细的信息，如极化电阻、双电层电容、扩散过程、点蚀的发生过程等等。这些参数的测量能够为腐蚀监测提供更加可靠的依据。
过去数十年来，国内外基于电化学原理对金属的腐蚀问题进行了大量、深入地研究。不难发现，这些研究主要集中在实验室状态下，钢混体系腐蚀电化学反应与钢混结构的特殊性决定了以往的研究对实现大规模钢混结构钢筋腐蚀监测还存在较大距离。需要创新发展能够满足重大钢混基础结构腐蚀监测传感器网络，实现重大工程结构多点、分布式监测，为腐蚀监测系统的最终工程应用提供关键技术。显然，重大钢混结构的设计服役年限达几十年甚至上百年，因此腐蚀监测系统的服役年限至少不能低于结构的设计年限，这就要求持续为腐蚀监测传感网络提供能量供给以维持结构健康监测系统的运转。过去的几十年里，风能、太阳能等已经能够为传感器系统提供能量供给，但其需要大量的导线接入到传感器上，这大大提高了系统成本以及施工的难度，实践表明大量导线的接入进一步严重降低了传感器的成活率。此外，受日光强度、风场分布的影响，所提供的能源还存在稳定性的问题。因此，需要针对钢混结构腐蚀监测的特殊性，提供更加稳定、简便的能量供给途经。本专利应用对侵蚀环境敏感的材料，构建能量供给单元，在钢混结构处于钝化状态下，能量供给单元没有能量输出，传感器网络处于静默状态；一旦钢混结构受到环境的侵蚀，能量供给单元开始输出能量，为传感器网络提供稳定的能源供给，从而通过腐蚀传感器网络实现重大钢混结构腐蚀状态信号的采集、传输与识别。
发明内容
本发明的目的在于提供用于重大钢混结构无线自集能腐蚀监测传感器系统的能量供给单元。常规能量存储设备难以满足结构健康监测的要求，如电池、电容器等都存在服役寿命短，使用过程中需要进行多次充电。采用本发明的无线传感器能量供给单元，能够在结构未发生广义损伤时为睡眠状态，传感器不被激活。一旦结构出现了广义损伤，能量供给单元被侵蚀性介质触发，利用敏感材料的电化学反应所产生的能量供给无线传感器平台。
本发明的目的是这样实现的：一种钢混结构用无线自集能腐蚀传感器的能量供给单元，包括石墨板和镁板，石墨板和镁板为带有多个正方形凸起的结构，石墨板和镁板的正方形凸起采用国际象棋棋盘式相互间隔设置，石墨板和镁板之间采用PVC板绝缘，分别在石墨板和镁板上焊接铜导线；石墨板上的铜导线连接到传感器电源插槽的负极，镁板上的铜导线连接到传感器的电源插槽的正极。
本发明还有如下技术特征：
1、一种钢混结构用无线自集能腐蚀传感器的能量供给单元的制备方法，采用高为22mm，边长为120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50个高17mm，边长10mm的正方形石墨凸起，并且每个临边的石墨凸起与石墨板的外边距离为1mm，每个石墨凸起与其相邻的石墨凸起的间距为14mm；采用厚度为2mm的PVC材料，加工成两个长120mm、宽120mm的并具有100个镂空的PVC垫，每个镂空为边长为10mm的正方形，使石墨凸起能够套在镂空的网格内，每个镂空的PVC网格的宽度为2mm，将第一PVC垫套在加工后的石墨板上；将高为15mm，长120mm，宽120mm的镁板加工出50个高10mm，边长10mm的正方形镁板凸起，并且每个临边的镁板凸起与镁板的外边距离为1mm，每个镁板凸起与其相邻的镁板凸起的间距为14mm，将加工后的镁板套在上述套有第一PVC垫的石墨板上，并使每个镁板凸起与石墨凸起如国际象棋棋盘式相互间隔设置，然后将第二PVC垫套在镁板上，使石墨凸起与镁板凸起相对固定，最后，分别在石墨板和镁板上焊接铜导线；石墨板上的铜导线连接到传感器电源插槽的负极，镁板上的铜导线连接到传感器的电源插槽的正极。
2、所述的镁板替换为锌板。
本发明的基本原理是根据金属腐蚀过程是电化学过程，可利用腐蚀所释放的电能供给无线传感器工作。进而在腐蚀监测传感网中，采用MicaZ节点或其它无线传感器节点连接布置于钢混结构内部，多个MicaZ节点或其它无线传感器节点通过无线链路构成自组织的无线通信网络，从而实现腐蚀特征信号的采集与传输。本发明结构简单，能够通过调整能量供给单元的材料属性，设计其几何构形，满足重大工程结构的实际需求。
附图说明
图1为本发明能量供给单元的实施例1主视图；
图2为本发明能量供给单元的实施例1侧视图；
图3为Zn板发生电化学反应过程中的电极电位；
图4为Zn板发生电化学反应过程中产生的电流密度。
其中1、石墨板，2、镁板，3、第二PVC垫，4、第一PVC垫。
具体实施方案
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述：
采用诸如Mg、Zn等对侵蚀环境敏感的材料，或者钢混结构本身所具备的钢筋网作为能量供给材料，对无线自集能腐蚀传感器网络提供能源供给，采用MicaZ节点或其它无线传感器节点连接布置于钢混结构的内部，多个MicaZ节点或其它无线传感器节点通过无线链路构成自组织的无线通信网络，在没有腐蚀发生的情况下，能量供给单元没有能量输入到无线自集能传感网内，从而传感网处于静默状态，一旦侵蚀环境导致能量供给单元发生腐蚀，能量将传输到无线自集能腐蚀传感器，进而传感器实现腐蚀特征信号的采集与传输。
实施例1：
如图1-2所示，采用高为22mm，边长为120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50个高17mm，边长10mm的正方形石墨凸起，并且每个临边的石墨凸起与石墨板的外边距离为1mm，每个石墨凸起与其相邻的石墨凸起的间距为14mm；采用厚度为2mm的PVC材料，加工成两个长120mm、宽120mm的并具有100个镂空的PVC垫，每个镂空为边长为10mm的正方形，使石墨凸起能够套在镂空的网格内，每个镂空的PVC网格的宽度为2mm，将第一PVC垫套在加工后的石墨板上；将高为15mm，长120mm，宽120mm的镁板加工出50个高10mm，边长10mm的正方形镁板凸起，并且每个临边的镁板凸起与镁板的外边距离为1mm，每个镁板凸起与其相邻的镁板凸起的间距为14mm，将加工后的镁板套在上述套有第一PVC垫的石墨板上，并使每个镁板凸起与石墨凸起如国际象棋棋盘式相互间隔设置，然后将第二PVC垫套在镁板上，使石墨凸起与镁板凸起相对固定，最后，分别在石墨板和镁板上焊接铜导线；石墨板上的铜导线连接到传感器电源插槽的负极，镁板上的铜导线连接到传感器的电源插槽的正极。
实施例2：
采用高为22mm，边长为120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50个高17mm，边长10mm的正方形石墨凸起，并且每个临边的石墨凸起与石墨板的外边距离为1mm，每个石墨凸起与其相邻的石墨凸起的间距为14mm；采用厚度为2mm的PVC材料，加工成两个长120mm、宽120mm的并具有100个镂空的PVC垫，每个镂空为边长为10mm的正方形，使石墨凸起能够套在镂空的网格内，每个镂空的PVC网格的宽度为2mm，将第一PVC垫套在加工后的石墨板上；将高为15mm，长120mm，宽120mm的锌板加工出50个高10mm，边长10mm的正方形锌板凸起，并且每个临边的锌板凸起与锌板的外边距离为1mm，每个锌板凸起与其相邻的锌板凸起的间距为14mm，将加工后的锌板套在上述套有第一PVC垫的石墨板上，并使每个锌板凸起与石墨凸起如国际象棋棋盘式相互间隔设置，然后将第二PVC垫套在锌板上，使石墨凸起与锌板凸起相对固定，最后，分别在石墨板和锌板上焊接铜导线；石墨板上的铜导线连接到传感器电源插槽的负极，锌板上的铜导线连接到传感器的电源插槽的正极。
Zn板材在模拟混凝土孔溶液(25°0.6mol/L KOH+0.2mol/L NaOH+饱和Ca(OH)2+1mol/L NaCl)中，产生的能量如图3-4所示。由图可知，采用Zn板时，每平方厘米的面积上能够产生10-3A的电流，从而满足无线传感器节点工作的需求。
实际工程中，无线自集能腐蚀传感器需要采用植入混凝土结构内部的方式进行布设，从而实现能量供给与信号传输的真正意义上的无线化。混凝土材料具有强烈的多相、非均质特性，此外，实际钢混工程结构的服役情况复杂，混凝土保护层易存在缺陷，如裂纹、较大的孔隙等。因此，为了确保侵蚀粒子作用下，能量供给单元向无线传感器节点提供稳定的能量，能量供给单元采用了电极阵列相间的构造形式，此种构造形式一方面确保了复杂服役条件下能量供给的稳定性，如50个Mg或Zn阳极单元中的个别单元能够在侵蚀粒子作用下产生的能量，就足以供给无线传感器节点工作；此外，电极阵列相间的构造形式，提高了能量供给单元的发电效率，由于阴、阳极直接相间，电流可以直接通过混凝土孔隙液导通，从而减小了电流在传输过程中的损耗；第三，电极阵列相间的构造形式，也为无线传感器节点的布设提供了方便，如果采用大面积的两块阴、阳极，势必增加了无线传感器节点的体积，此外在施工过程中两块大面积电极之间很难填入密实的混凝土介质，从而影响能量供给单元的发电效率。
Claims (3)
1.一种钢混结构用无线自集能腐蚀传感器的能量供给单元的制备方法，其特征在于：采用高为22mm，边长为120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50个高17mm，边长10mm的正方形石墨凸起，并且每个临边的石墨凸起与石墨板的外边距离为1mm，每个石墨凸起与其相邻的石墨凸起的间距为14mm；采用厚度为2mm的PVC材料，加工成两个长120mm、宽120mm的并具有100个镂空的PVC垫，每个镂空为边长为10mm的正方形，使石墨凸起能够套在镂空的网格内，每个镂空的PVC网格的宽度为2mm，将第一PVC垫套在加工后的石墨板上；将高为15mm，长120mm，宽120mm的镁板加工出50个高10mm，边长10mm的正方形镁板凸起，并且每个临边的镁板凸起与镁板的外边距离为1mm，每个镁板凸起与其相邻的镁板凸起的间距为14mm，将加工后的镁板套在上述套有第一PVC垫的石墨板上，并使每个镁板凸起与石墨凸起如国际象棋棋盘式相互间隔设置，然后将第二PVC垫套在镁板上，使石墨凸起与镁板凸起相对固定，最后，分别在石墨板和镁板上焊接铜导线；石墨板上的铜导线连接到传感器电源插槽的负极，镁板上的铜导线连接到传感器的电源插槽的正极。
2.根据权利要求1所述的一种钢混结构用无线自集能腐蚀传感器的能量供给单元的制备方法，其特征在于：所述的镁板替换为锌板。
3.根据权利要求1或2所述的一种钢混结构用无线自集能腐蚀传感器的能量供给单元的制备方法制备的一种钢混结构用无线自集能腐蚀传感器的能量供给单元。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20140129 |