CN103852488A - 一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点，该节点主要由埋入式传感器和外部电路组成。埋入式传感器基于LC振荡电路，通过不同粗细钢丝的通断情况，使谐振频率发生变化，从而判断钢筋的腐蚀情况，该模块具有电路结构简单、成本低廉、无线、无源，便于工程安装实现等特点。外部电路以MSP430P149为主处理芯片，由DDS、无线数据收发芯片NRP905等电路实现，该电路能够实时采集埋入式传感器的谐振频率变化信息，并具有通讯距离远、数据传输稳定等特点。

Description

一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点

技术领域

木发明公开了一种无线传感器节点，特别是一种应用于混凝土中钢筋腐蚀监测的无线传感器节点。

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。钢混结构钢筋腐蚀监测系统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。

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。

我国的乔国富、孙国栋、欧进萍等发明了重大钢混结构用无线自集能腐蚀监测传感器网络，本发明采用嵌入腐蚀控制电路的无线自集能传感器节点，感知腐蚀电化学信息，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，基于广播的技术建立节点邻居节点关系，然后使用框架设计传感网路由协议来进行数据传输。本发明能够实现重大工程结构多点、分布式监测，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，为腐蚀监测系统的提供关键数据。

发明内容

本发明公开了一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点，该节点主要由埋入式传感器和外部电路组成。埋入式传感器基于LC振荡电路，通过不同粗细钢丝的通断情况，使谐振频率发生变化，从而判断钢筋的腐蚀情况，该模块具有电路结构简单、成本低廉、无线、无源，便于工程安装实现等特点。外部电路以MSP430P149为主处理芯片，由DDS、无线数据收发芯片NRP905等电路实现，该电路能够实时采集埋入式传感器的谐振频率变化信息，并具有通讯距离远、数据传输稳定等特点。

前述的一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点，该设备主要由埋入式传感器和外部电路组成。埋入式传感器基于LC振荡电路，通过不同粗细钢丝的通断情况，使谐振频率发生变化，从而判断钢筋的腐蚀情况；

前述的一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点，其特征在于所说的埋入式传感器基于LC振荡电路，通过不同粗细钢丝的通断情况，使谐振频率发生变化，从而判断钢筋的腐蚀情况；

前述的一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点，其特征在于所说的外部电路以MSP430P149为主处理芯片，由DDS、无线数据收发芯片NRP905等电路实现；

前述的一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点，其特征在于所说的埋入式传感器电路，封装好后埋置于混凝土结构中待监测钢筋附近。除了钢丝(在电路中用开关代替)之外，传感器的其余部分都进行了封装，而钢丝则暴露在待监测钢筋附近的混凝土中。

本发明的有益效果在于，世界上的基础设施仍是以钢筋混凝土结构为主，腐蚀为影响其耐久性的主导因素。1981年调查的华南地区18座海港钢筋混凝土码头中，钢筋腐蚀破坏或不耐久的就占89%，基本完好的只有2座，最短的使用时间仅为7年。据专家估计，由混凝土和钢筋的腐蚀造成的经济损失约占国民收人的1.25%，通过混凝土中钢筋腐蚀在线监测实时掌握结构的腐蚀情况，可以帮助在役混凝土结构进行耐久性评定和剩余寿命预测，不仅可以揭示潜在危险，及时作出维修或拆除决策，避免重大事故的发生，而且研究成果可直接用于结构设计，对于提高下程的设计水平和施下质量也有一定的意义。

附图说明

图1是本发明一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点的总体结构图。

图2是钢筋腐蚀检测原理电路图。

图3是主程序流程图。

具体实施方案

下面根据附图对本发明作进一步说明。

如图2所示右半部分是埋人式传感器电路，封装好后埋置于混凝土结构中待监测钢筋附近。除了钢丝(在电路中用开关代替)之外，传感器的其余部分都进行了封装，而钢丝则暴露在待监测钢筋附近的混凝土中。左半部分是外部检测电路，固定在混凝土结构表面，用于测量传感器的谐振频率。当混凝土中钢筋腐蚀时，埋人式传感器中钢丝依次断开，在电路中表现即为开关依次断开，外部检测电路的谐振频率相应发生变化，从而实现钢筋腐蚀信号在混凝土结构内外的无线传输。另外，在混凝土结构内部的传感器无需电源，可以实现长期监测，该传感器具有无线、无源、廉价的优点。

电路中的电感或电容的变化会引起电路的谐振频率的变化，这个变化可以通过图2虚线框中的开关来实现，其中开关K1 , K2 , K3为不同粗细的钢丝，K1最粗，K3最细，它们的腐蚀断开次序为K3 , K2 , K1。当开关K1,K2,K3都闭合时，即腐蚀情况尚未呈现，谐振频率取决于四个电容之和，即总电容C=C0+C1+C2+C3;当开关K3打开时，电容C3就从电路中去除了，此时腐蚀程度较轻微，即总电容C=C0+C1+C2，造成了谐振频率的升高;依次类推，当钢筋腐蚀情况逐渐加深时，K2 , K1依次断开，总电容逐渐减小，从而谐振频率逐渐升高。这样，电路的谐振频率就取决于开关的状态，通过谐振频率的测量，可以确定各开关的状态，从而确定混凝土中钢筋的腐蚀情况。

如图3，(a)为传感器节点的主程序，(b)为中断服务子程序。主程序主要对系统进行初始化，其中包括对主控制芯片MSP430F149, DDS交流扫频激励源(主要是AD9850 )以及无线收发电路(主要是nRF905 )的初始化。为了降低节点功耗，当节点空闲时将其置于低功耗模式，其中MSP430的低功耗模式为LPM工作模式，对应nRF905的为掉电模式。当定时时间到，转到中断服务子程序中开始运行。

中断服务子程序首先设定DDS扫频激励源的频率，通过对AD9850的4个端口进行写人操作控制使其初始频率为1 MHz，然后控制MSP430F149的内部12位A/D转换器对前端采集到的电压信号进行转换。为了提高准确性，采用将32次A/D采样结果进行平均求和的力一式进行数字滤波，并将结果保存，接着以100Hz为步进逐渐增加AD9850的输出频率，不断采集各个频率点的电压信息直到输出频率大于5 MHz，对比采集到400个的电压值，取出其电压极小值时的频率，也即谐振频率，然后通过SPI口控制nRF905的下作模式，使其进人ShockBurst TX模式并开始向汇聚节点发送数据。当数据发送完成处于空闲状态时，为了实现低功耗，重新使系统各模块进人低功耗模式，开中断开中断然后跳出中断服务子程序进入定时等待状态。

然后跳出中断服务子程序进人定时等待状态。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质和方法对以上实施例所做的任何修改，等同变化与修饰，仍属于本发明的技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点，其特征在于，该设备主要由埋入式传感器和外部电路组成；埋入式传感器基于LC振荡电路，通过不同粗细钢丝的通断情况，使谐振频率发生变化，从而判断钢筋的腐蚀情况。

2.根据权利要求1所述的一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点，其特征在于，所述的埋入式传感器基于LC振荡电路，通过不同粗细钢丝的通断情况，使谐振频率发生变化，从而判断钢筋的腐蚀情况。

3.根据权利要求 1 所述的一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点，其特征在于，所述的外部电路以MSP430P149为主处理芯片，由DDS、无线数据收发芯片NRP905等电路实现。

4.根据权利要求 1 所述的一种混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点，其特征在于，所述的埋入式传感器电路，封装好后埋置于混凝土结构中待监测钢筋附近；除了钢丝之外，传感器的其余部分都进行了封装，而钢丝则暴露在待监测钢筋附近的混凝土中。

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