CN104406901A - 基于Lamb波原理的混凝土内钢筋锈蚀监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于Lamb波原理的混凝土内钢筋锈蚀监测传感器，包括长条形薄钢片、四个矩形压电陶瓷片和导线，长条形薄钢片的每端的正、反两面分别紧密粘贴有两个矩形压电陶瓷片，其中一端的两个矩形压电陶瓷片作为驱动器，当在矩形压电陶瓷片厚度方向上施加高频窄带脉冲电压时，其产生Lamb波在薄钢片中传播；另外一端的两个矩形压电陶瓷片作为传感器，接收到自长条形薄钢片传来的Lamb波，根据Lamb波信号特征判断钢片锈蚀状况，从而判断周围环境、结构或其他对象的锈蚀情况。本发明解决在不破坏混凝土内钢筋表面微环境下实现混凝土内钢筋初始锈蚀时间和锈蚀程度的监测，传感器接收到的信号简单易处理。

Description

基于Lamb波原理的混凝土内钢筋锈蚀监测传感器

技术领域

本发明属于土木工程结构健康监测、钢筋混凝土结构耐久性领域，具体涉及一种基于Lamb波原理的混凝土内钢筋锈蚀监测传感器。 

背景技术

混凝土结构中钢筋的锈蚀是影响工程结构的正常使用和耐久性，进而引起结构破坏的重要因素之一。因此，人们希望能够了解结构的锈蚀环境情况，或在结构严重破坏之前就监测到混凝土内钢筋的锈蚀状态，并进行预警，使得损失降至最低或在破坏之前进行必要的补救措施。 

监测锈蚀的方法有很多种，比如用于钢筋锈蚀监测的方法可以分成物理方法和化学方法。物理法有电阻探针法和光纤传感方法，前者采用一个与结构配筋材质相同的探针，将探针埋入到混凝土结构中，实时监测探针电阻的变化，来推断钢筋锈蚀的速率和锈蚀的程度。并且此方法可以直接将混凝土中钢筋直接作为探针使用，对钢筋进行实时监测，确定其锈蚀速度。光纤传感方法主要是由于光纤受应力影响产生应变，界面也随之变化，这时光子在光纤中传播的波长、相位、频率、偏振都会发生改变。光纤传感器耐锈蚀和耐久性好、抗干扰能力强，并且光纤传感器能够进行空间连续性监测。但光纤传感技术由于工艺要求很高，造价高昂，其相关的监测理论不成熟等缺点极大的限制了光纤传感技术的应用领域。化学法有电池电位法、线性极化法和交流阻抗方法等。半电池电位法的技术理论最成熟，通过监测钢筋表面的电势的变化，进行比较就可以判定锈蚀的状态，而这一过程就相当于一个化学电池，所以称为半电池电位法，但此方法不能得到钢筋的锈蚀速度，在钢筋保护层较厚的时候电位图不准确。线性极化法能够快速测量金属附近锈蚀速率，利用在金属锈蚀点附近外加电极的极化电流与金属的极化电位之间存在近似线性的关系，测量瞬态锈蚀速率。该方法不易实现长时间嵌入式在线监测，且由于极化电阻与电位易受多种因素扰动，不能判断钢筋确切的锈蚀状态。交流阻抗法是对目标体系发出一段微小的电流，测量目标体系对这段微小电流的反应，通过测量到的交变电流谱，然后对比比较交变电流谱得到混凝土锈蚀参数，此方法虽然是一种动态的测量方法，但是由于其测量仪器非常昂贵，不符合节约经济的条件。并且测量不能在短期内完成，时间跨度久，测量所得数据量大，受外界影响较大，后期数据处理相当困难，不适合野外测量等等缺点。 

Lamb波属于在薄板结构中传播的超声导波，目前国内也有研究基于超声导波理论的钢筋锈蚀监测方法，但该方法是用于全尺寸长度的钢筋上，并不是一种传感器产品，当用于混凝土中时，存在导波信号泄漏，传感器接收到的导波信号微弱和复杂的不足之处，难以应用到实际工程中。另外，钢筋是实心圆柱体，在钢筋中传播的导波在可用的频段模态非常多（多达十余个模态），信号会更加复杂。《预应力技术》（2014，No.2）所发表文章“钢筋混凝土腐蚀损伤超声导波信号小波分析及评价”涉及一种直接在钢筋上激发导波并进行缺陷检测的方法，由于实际工程结构中钢筋的长度很长，且钢筋中导波模态复杂，混凝土的存在也会使得传感器接收到的信号更复杂，因此距离实际工程应用尚有一定差距。 

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于Lamb波原理的混凝土内钢筋锈蚀监测传感器。 

本发明所采用的技术如下：一种基于Lamb波原理的混凝土内钢筋锈蚀监测传感器，包括长条形薄钢片和四个矩形压电陶瓷片，长条形薄钢片的每端的正、反两面分别紧密粘贴有两个矩形压电陶瓷片，每个矩形压电陶瓷片的正负电极用导线接出；其中一端的两个矩形压电陶瓷片作为驱动器，当在矩形压电陶瓷片厚度方向，即矩形压电陶瓷片的上下两个大面积表面上施加高频窄带脉冲电压时，其产生Lamb波在薄钢片中传播；另外一端的两个矩形压电陶瓷片作为传感器，接收到自长条形薄钢片传来的Lamb波，根据Lamb波信号特征判断钢片锈蚀状况，从而判断周围环境、结构或其他对象的锈蚀情况。其中压电片电极面和连接导线等在埋设前需做防腐处理，防止发生锈蚀。 

本发明还具有如下技术特征：所述的长条形薄钢片的同一端两个压电驱动器在进行高频窄带脉冲激励时，所施加的电压为反对称，即分别将这两个压电片的粘贴于钢片的一面作为负极，同时在另一面施加正电压。 

本发明所采用的薄钢片对锈蚀更敏感，锈蚀更容易使薄钢片产生孔洞等缺陷，从而使另外一端的压电陶瓷片接收到的导波信号变化更为明显。本发明中作为驱动器的两个压电陶瓷片宽度与薄钢片相同，分别粘贴于长条形薄钢片同一端的正反两面。激励时，对两个压电片所施加的电压为反对称，这样两个压电片对薄钢片会同时产生反对称的作用力。反对称作用力下，Lamb波的对称模态（S模态）不被激励，只有反对称模态（A模态）被激励。这样作为传感器的压电陶瓷片只接收到一个反对称模态的导波信号，简单易分析。本发明根据压电陶瓷片接收到的Lamb波信号可判断长条形薄钢片的锈蚀情况，进一步分析判断其所处环境能够引起结构锈蚀的状况。如将其置于混凝土中，可判断混凝土中钢筋的锈蚀情况；将其用与金属构件相同材质制作，并与金属构件放置在一起，可判断金属构件的锈蚀情况。 

本发明主要解决在不破坏混凝土内钢筋表面微环境下实现混凝土内钢筋初始锈蚀时间和锈蚀程度的监测。所用的薄钢片的Lamb波信号在可用频段内只有一个反对称模态，传感器接收到的信号简单易处理。 

附图说明

图1为基于Lamb波原理的锈蚀传感器结构示意图的俯视图； 

图2为基于Lamb波原理的锈蚀传感器结构示意图的侧面图；其中，1、薄钢片，2、压电陶瓷片正电极，3、压电陶瓷片的负电极，4、压电陶瓷片。 

图3为在锈蚀传感器所用金属薄钢片中传播的Lamb波反对称模态（A模态）的频散曲线； 

图4为使用该锈蚀传感器测得的有无锈蚀的信号对比，锈蚀为模拟的0.6mm×0.6mm的正方形缺陷，激励采用五波峰的窄带信号，中心频率为800kHz，最大电压为200V。 

具体实施方式

下面举例对本发明做进一步说明： 

实施例1

一种基于Lamb波原理的锈蚀传感器，包括长条形薄钢片（长度100mm，厚度1mm，宽度16mm）、两个矩形压电陶瓷片（长度6mm，宽度16mm，厚度0.5mm）和电极导线，两个矩形压电陶瓷片分别粘贴于薄钢片两端，用环氧树脂胶或502胶等与薄钢片坚固连接。压电陶瓷片的负电极翻至正电极同表面，用铜导线将正负电极接出，用于连接驱动电压或接收电压信号；其中一端的两个压电陶瓷片作为驱动器，当同时在两个压电陶瓷片的厚度方向上施加反对称的高频窄带脉冲电压时，其产生零阶反对称模态（A ₀）的Lamb波在薄钢片中传播，遇到锈蚀产生的缺陷时，导波的幅值会减小。另外一端的压电陶瓷片可接收到自薄钢片传来的导波，导波通过压电片转换为电压信号，用电极接出，可使用示波器或数据采集系统采集到。分析锈蚀前后测得的导波信号的幅值差的发生时间，可判断出混凝土内钢筋或其他待测结构初始锈蚀时间，分析不同时刻导波信号幅值差的变化速率，可判断出钢筋或其他待测结构的锈蚀速率，分析导波信号幅值差并与试验结果相对比，可以判断钢筋或其他待测结构的锈蚀程度。 

Claims (2)

1.一种基于Lamb波原理的混凝土内钢筋锈蚀监测传感器，包括长条形薄钢片、四个矩形压电陶瓷片和导线，其特征在于：长条形薄钢片的每端的正、反两面分别紧密粘贴有两个矩形压电陶瓷片，每个矩形压电陶瓷片的正负电极用导线接出；其中一端的两个矩形压电陶瓷片作为驱动器，当在矩形压电陶瓷片厚度方向上施加高频窄带脉冲电压时，其产生Lamb波在薄钢片中传播；另外一端的两个矩形压电陶瓷片作为传感器，接收到自长条形薄钢片传来的Lamb波，根据Lamb波信号特征判断钢片锈蚀状况，从而判断周围环境、结构或其他对象的锈蚀情况。

2.根据权利要求1所述的一种基于Lamb波原理的混凝土内钢筋锈蚀监测传感器，其特征在于：所述的长条形薄钢片同一端两个压电驱动器在进行高频窄带脉冲激励时，所施加的电压为反对称，即分别将这两个压电片的粘贴于钢片的一面作为负极，同时在另一面施加正电压。