CN108132194A - 一种远程无线混凝土内钢筋锈蚀风险监测传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及混凝土内钢筋锈蚀领域，具体涉及一种远程无线混凝土内钢筋锈蚀风险监测传感装置。所述装置包括锈蚀监测传感单元、应变测试分析系统、嵌入式采集控制系统、无线数据传输模块；所述锈蚀监测传感单元包括处于平面应力状态的样片和布置于样片上的多个应变计，所述应变计实时测量样片的应变得到应变数据；所述嵌入式采集控制系统控制所述应变测试分析系统周期性采集所述应变数据；所述应变测试分析系统将采集到的应变数据通过无线数据传输模块传输至其他设备；所述样片的材质与钢筋的材质相同。本发明实现混凝土内氯离子临界浓度锋面、钢筋初始锈蚀时间、锈蚀状态的连续远程无线实时监测和定期检测评估的工程实际需求。

Description

一种远程无线混凝土内钢筋锈蚀风险监测传感装置

技术领域

本发明涉及混凝土内钢筋锈蚀领域，具体涉及一种远程无线混凝土内钢筋锈蚀风险监测传感装置。

背景技术

钢筋初始锈蚀时间的监测与预测是混凝土耐久性评估的难点问题，海蚀环境下氯离子侵蚀是导致混凝土内钢筋发生锈蚀的主要诱因，目前钢筋锈蚀监测主要分为物理和电化学两种手段，目的是表征钢筋或混凝土的电化学状态、物理状态及周围环境中的各类腐蚀诱导因素等。其中主要使用的方法有：

（1）电化学监测方法：由于混凝土中钢筋腐蚀是一个电化学过程，电化学测量是反映其本质过程的重要手段，目前已有的电化学监测手段可简单分为测量电流、电压及电阻三大类。目前以电流为研究对象的电化学监测方法难以避免混凝土中随机性的杂散电流的干扰。以电压为研究对象的监测方法较难实现在线原位检测，其通常需对钢筋施加扰动，导致其所测数据与真实情况存在偏差。电阻测量的手段往往容易受到混凝土中湿度、离子浓度等因素的影响，波动较大。综合各项电化学指标的综合分析系统虽已提出，但对大量关联性较差数据的分析尚处于初期阶段。

（2）物理监测方法，主要通过测定钢筋引起电阻、电磁、热传导、声波传播等物理特性的变化来反映钢筋腐蚀情况，主要方法有电阻探针法，X光照相法、涡流探测法、射线法、红外线热像法、声发射探测法等。物理方法的优点是操作方便，易于现场的原位测试，受环境的影响较小。它的缺点是物理方法测定钢筋锈蚀状况时容易受到混凝土中其他损伤因素的干扰，如微裂缝等，且建立物理测定指标和钢筋锈蚀量之间的对应关系比较困难，所以物理检测的方法对钢筋的锈蚀程度一般只能提供定性的结论，而难以提供定量的分析。

（3）锈蚀影响因素监测方法，现有方法主要集中在氯离子浓度、pH值监测等方向，当其用于嵌入式在线监测时往往难以避免自身长期耐久性问题，当化学物质反映殆尽或被混凝土剥落会导致传感器失效；现场布设数据采集与数据传输设备不便，另外，影响参数与电阻率测试等电化学方法存在同样的问题在于其测量数据只能评估钢筋锈蚀的可能性，而不能定量判断钢筋的具体腐蚀情况，测试方法的可靠性偏低。

（4）基于平面应力状态应力集中的锈蚀监测是最新出现的一种钢筋锈蚀监测方法，该方法基于构造监测敏感元件处于平面应力状态，锈蚀导致平面应力状态局部应力集中从而监测锈蚀，目前的钢筋锈蚀监测的灵敏性还有待提高，监测装置设计还未达到小型化、无线化实现远程在线监测。

存在的问题：目前钢筋混凝土耐久性监测主要任务之一是解决钢筋初始锈蚀时间、锈蚀程度的预测问题。现有方法难以在对真实桥梁结构不同空间位置（上部结构、下部结构；浸没区、潮差区、浪溅区、大气区）、不同埋置深度的钢筋实现从时间序列上的定量分析与预测，采用单一指标或单一深度的数据进行分析会导致监测结果可靠性不足；同时，氯离子临界浓度锋面的移动与钢筋发生初始锈蚀直接相关，但现有的氯离子传感器由于制备工艺与使用材料限制，难以在混凝土环境中实现长时间原位监测，临界浓度锋面位置难以通过数值直接表征，钢筋发生锈蚀后锈蚀速率、锈蚀程度难以预测及定量分析。此外现有耐久性监测方法灵敏度低，影响因素众多且传感装置体积大，不便于现场布设，难以实现无线传输，数据质量较差，数据分析需要较多专业知识及相关经验，不便于桥梁工程实际应用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种远程无线混凝土内钢筋锈蚀风险监测传感装置。所述装置可实时或间隔检测混凝土内钢筋锈蚀风险并将数据远程无线传输至服务器，使用者通过调用处理服务器内数据可实现对钢筋锈蚀风险的实时监测及相关分析。

本发明是通过一下技术方案实现的：

一种远程无线混凝土内钢筋锈蚀风险监测传感装置，所述装置包括锈蚀监测传感单元、应变测试分析系统、嵌入式采集控制系统、无线数据传输模块；

所述锈蚀监测传感单元包括具有初始预应力处于平面应力状态的样片和置于样片上的多个应变计，所述应变计实时测量样片的应变得到应变数据；

所述嵌入式采集控制系统控制所述应变测试分析系统周期性采集设定时长的所述应变数据；

所述应变测试分析系统将采集到的应变数据通过无线数据传输模块传输至其他设备；

所述样片的材质与钢筋的材质相同。

进一步地，所述样片的一面为锈蚀监测面，锈蚀监测面上暴露多个测点，所述锈蚀监测面朝向混凝土保护层氯离子进入方向；

所述应变计设置于与所述锈蚀监测面相邻的一个或两个侧面上。

进一步地，所述装置还包括温度补偿模块，通过测量测试样由于温度变化产生的应变，通过所述应变测试分析系统对置于样片上的多个应变计分别进行温度补偿，消除所述样片上温度变化产生的应变变化；所述测试样无约束，且所述测试样的材质与所述样片的材质相同。

进一步地，所述应变测试分析系统包括多通道应变采集模块、应变调理模块和数模转换模块；

所述多通道应变采集模块通过桥路连接所述应变计，根据所述嵌入式采集控制系统控制周期性采集设定时长的所述应变数据，将所述应变计产生的电压信号输入所述应变调理模块；

所述应变调理模块将所述电压信号输入到信号调理电路，调节放大微小电压信号增益，并通过滤波电路减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得平滑；

所述数模转换模块将调理后模拟电压信号进行数模转换，使所述应变数据转变为可被数据存储模块或所述无线数据传输模块接收的模式。

进一步地，所述锈蚀监测传感单元上除所述锈蚀监测面上的测点暴露在混凝土内，所述锈蚀监测传感单元的其他部位全部采用防腐处理。

进一步地，所述无线数据传输模块包括外置天线，所述外置天线伸出混凝土保护层外；

所述无线数据传输模块通过GPRS、3G或4G网络将所述应变数据传至服务器。

进一步地，所述周期性采集为间隔1—3个月，采集时长10-40min。进一步地，采用链式应变计组代替多个应变计，所述链式应变计组敏感栅长amm，链式应变计两应变片间距bmm；

a取值范围为0.5-1 ，b取值范围为1-2。

进一步地，所述装置还包括数据存储模块，所述应变测试分析系统将采集到的应变数据传输给所述数据存储模块，所述数据存储模块存储所述应变数据；

进一步地，所述装置还包括蓄电模块，所述蓄电模块为所述装置提供电能。

进一步地，锈蚀监测面上暴露的测点长c mm，间距d mm；

c取值范围为0.1-0.5 ，d取值范围为1-2。

本发明的有益技术效果：

（1）本发明中锈蚀监测敏感单元初始处于平面应力状态，腐蚀导致其应力集中，基于弹性力学原理实现腐蚀监测，不易受外部环境的影响，且通过不同区域、不同埋置深度的结果相互验证与更新，提高预测和监测结果的可靠性。

（2）控制锈蚀监测敏感单元上锈蚀监测面暴露测点的长度，提高锈蚀监测的敏感性。

（3）本发明装置体积小，可按监测要求灵活的布置在不同区域（大气区、浪溅区、潮差区及浸没区）的钢筋混凝土结构内，特别是桥梁的不同部位，以及同一部位处的不同深度。

（4）本发明锈蚀监测敏感单元薄片受力与钢筋受力相同，与钢筋腐蚀环境相同，且不破坏局部微环境，保证钢筋锈蚀监测的真实性与可靠性。

（5）可本发明可通过设定采样频率、采样时长，同时满足连续监测和定期检测的需求。

（6）本发明实现混凝土内氯离子临界浓度锋面、钢筋初始锈蚀时间、锈蚀状态的连续远程无线实时监测和定期检测评估的工程实际需求。

附图说明

图1 钢筋锈蚀监测传感装置布设示意图；

图2 钢筋锈蚀监测传感装置结构图；

图3 钢筋锈蚀监测传感装置平面图；

图4 钢筋锈蚀监测传感装置外观图；

图5a 锈蚀监测传感单元等轴测图；

图5b 锈蚀监测传感单元侧视图；

图5c 锈蚀监测传感单元俯视图；

图5d 锈蚀监测传感单元剖面图；

1-钢筋锈蚀监测传感装置，2-锈蚀监测传感单元， 3-应变测试分析系统，4-嵌入式采集控制系统，5-无线数据传输单元6-数据存储模块 7-小型蓄电模块，8-温度补偿模块，9-应变采集接线柱，10-锈蚀监测面上暴露的测点，11-链式应变计组，12-服务器，13-个人便携设备。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

实施例1

如图2-图4所示，钢筋锈蚀监测传感装置1内分别嵌入锈蚀监测传感单元2、应变测试分析系统3、嵌入式采集控制系统4、数据存储模块6、无线数据传输模块5、温度补偿模块8及小型蓄电模块7。

其中，如图5a-图5d所示，选与混凝土内同牌号的钢筋，切割薄片形成锈蚀监测传感单元2，在靠近锈蚀监测面10的薄片两个侧面布置链式应变计组，敏感栅长1mm，测点间距1mm，对锈蚀监测传感单元2施加初始预应力并固定于钢筋锈蚀监测传感装置1上，保证锈蚀监测传感单元2处于平面应力状态，锈蚀监测面上暴露的测点10朝向混凝土保护层氯离子进入方向。

其中，如图1所示，应变测试分析系统3包括多通道应变采集、应变调理模块（集成滤波模块、数模转换模块），一旦锈蚀监测传感单元2上锈蚀监测面上暴露的测点10发生锈蚀，形成微小蚀坑，锈蚀监测传感单元2上锈蚀监测面上暴露的测点10两侧的链式应变计组11测的应变发生突变，相关应变数据通过应变测试分析系统3和嵌入式采集控制系统4在设定的频率条件下进行采集，应变测试分析系统3内集成有多通道应变采集、应变调理模块、滤波模块、数模转换模块，通过温度补偿模块8进行温度补偿（下文监测应变均为补偿后应变），得到的链式应变计组11上各测点应变数据存储于数据存储模块6，并可实时由无线数据传输模块5通过GPRS、3G或4G网络回传至指定服务器12，通过相关数据处理程序可得到应变时程曲线、测点不同时刻应变变化、各测点应变突变情况，进一步判断埋设该锈蚀监测传感装置1位置处是否氯离子浓度达到临界浓度、该位置处的初始锈蚀时间或该位置处锈蚀程度等，个人便携设备13通过网络访问服务器即可实时掌握锈蚀监测传感装置布设区域当前钢筋锈蚀的各种信息与参数。

温度补偿模块，通过测量测试样由于温度变化产生的应变，通过所述应变测试分析系统对置于样片上的多个应变计分别进行温度补偿，消除所述样片上温度变化产生的应变变化；所述测试样无约束，且所述测试样的材质与所述样片的材质相同，测试样与样片的区别在于测试样无施加预应力，不暴漏在氯离子中。

钢筋锈蚀监测传感装置1内还可集成温度传感器和湿度传感器，可进一步分析处理不同区域不同温湿度条件下的监测结果，提高钢筋锈蚀监测的准确性和可靠性。

锈蚀监测传感装置1上除锈蚀监测面上暴露的测点10暴露在混凝土内，其他部位全部采用防腐处理。

小型蓄电模块7为锈蚀监测传感装置1供电，并采用外部太阳能电池充电。

无线数据传输模块5的外置天线放置于混凝土外，保证无线数据传输模块5与服务器12之间的通讯正常。

无线数据传输模块上传至服务器的数据可包括应变数据、位置数据、温湿度数据，调用服务器内数据可对不同区域温湿度条件下的监测结果。

可根据检测需求，设定采样频率、采样时常，同时满足连续监测和定期检测的需求。

锈蚀监测传感装置1可以布置在桥梁不同区域如浸没区、潮差区、浪溅区及大气区的，也可以布置在桥梁同一位置的不同深度，可以得到桥梁结构不同部位、不同深度处氯离子达到临界浓度的时间，从而进一步得到桥梁结构内不同部位处钢筋的初始锈蚀时间，并实现对桥梁不同位置处钢筋的锈蚀风险进行评估，根据后续应变突变情况推断该位置处钢筋锈蚀程度。管理人员可以通过公网登录数据服务器，实时查看数据并调用数据处理结果，包括当前各个锈蚀监测传感单元工作状态，该部位钢筋是否发生锈蚀、初始锈蚀时间、锈蚀状态等。且同一深度可布置多个锈蚀监测传感装置1，同一深度处多个锈蚀监测传感装置1监测数据可确定具有概率保证率的氯离子临界浓度锋面及该深度处初锈时间，不同深度布置的锈蚀监测传感装置1可连续得到，氯离子临界浓度锋面随时间的演化关系，进而不断更新预测钢筋位置处初始锈蚀时间，对不同区域的钢筋初始锈蚀时间进行预测，对钢筋锈蚀程度进行预警。

Claims (10)

1.一种远程无线混凝土内钢筋锈蚀风险监测传感装置，其特征在于，所述装置包括锈蚀监测传感单元、应变测试分析系统、嵌入式采集控制系统、无线数据传输模块；

所述锈蚀监测传感单元包括具有初始预应力处于平面应力状态的样片和置于样片上的多个应变计，所述应变计实时测量样片的应变得到应变数据；

所述嵌入式采集控制系统控制所述应变测试分析系统周期性采集设定时长的所述应变数据；

所述应变测试分析系统将采集到的应变数据通过无线数据传输模块传输至其他设备；

所述样片的材质与钢筋的材质相同。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述样片的一面为锈蚀监测面，锈蚀监测面上暴露多个测点，所述锈蚀监测面朝向混凝土保护层氯离子进入方向；

所述应变计设置于与所述锈蚀监测面相邻的一个或两个侧面上。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置还包括温度补偿模块，通过测量测试样由于温度变化产生的应变，通过所述应变测试分析系统对置于样片上的多个应变计分别进行温度补偿，消除所述样片上温度变化产生的应变变化；所述测试样无约束，且所述测试样的材质与所述样片的材质相同。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述应变测试分析系统包括多通道应变采集模块、应变调理模块和数模转换模块；

所述多通道应变采集模块通过桥路连接所述应变计，根据所述嵌入式采集控制系统控制周期性采集设定时长的所述应变数据，将所述应变计产生的电压信号输入所述应变调理模块；

所述应变调理模块将所述电压信号输入到信号调理电路，调节放大微小电压信号增益，并通过滤波电路减小脉动的直流电压中的交流成分，保留其直流成分，使输出电压纹波系数降低，波形变得平滑；

所述数模转换模块将调理后模拟电压信号进行数模转换，使所述应变数据转变为可被数据存储模块或所述无线数据传输模块接收的模式。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述锈蚀监测传感单元上除所述锈蚀监测面上的测点暴露在混凝土内，所述锈蚀监测传感单元的其他部位全部采用防腐处理。

6.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述无线数据传输模块包括外置天线，所述外置天线伸出混凝土保护层外；

所述无线数据传输模块通过GPRS、3G或4G网络将所述应变数据传至服务器。

7.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述周期性采集为间隔1—3个月，采集时长10-40min。

8.如权利要求1所述装置，其特征在于，采用链式应变计组代替多个应变计，所述链式应变计组敏感栅长amm，链式应变计两应变片间距bmm；

a取值范围为0.5-1 ，b取值范围为1-2。

9.如权利要求1所述装置，其特征在于，所述装置还包括数据存储模块，所述应变测试分析系统将采集到的应变数据传输给所述数据存储模块，所述数据存储模块存储所述应变数据；

进一步地，

所述装置还包括蓄电模块，所述蓄电模块为所述装置提供电能。

10.所权利要求2所述装置，其特征在于，锈蚀监测面上暴露的测点长c mm，间距d mm；

c取值范围为0.1-0.5 ，d取值范围为1-2。