CN109374726A - 基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及建筑工程中钢筋锈蚀监测技术，旨在提供一种基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器及系统。该传感器的壳体一端设置用于卡装被测钢筋的卡口槽；壳体中有两个具有山字形凸齿且相对布置的不锈钢框架，除在其中一组相对的齿间设置永磁体外，在其它相对的齿间保留霍尔传感器的安装位；在卡口槽的两侧布置不锈钢框架的端部相对齿，以及一个霍尔传感器的安装位，霍尔传感器均固定在数据采集板上且其主体部分位于所述安装位中。本发明利用磁场原理监测钢筋的锈蚀率，精度与稳定性较高；可以实现混凝土中钢筋的锈蚀率的无损监测和动态监测；可以直接定量化地给出混凝土中钢筋的锈蚀率；仪器装置体积小，便于携带，方便工程现场操作。

Description

基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器及系统

技术领域

本发明涉及建筑工程中钢筋锈蚀监测技术，特别涉及一种基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器及系统。

背景技术

由于混凝土结构在取材、成本、维护方面的优势，一直在土建工程中占有主导地位，在重大土木工程(大型建筑工程、桥梁工程、水工与港工工程)中有着非常广泛的应用。长久以来，钢筋锈蚀一直是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素，尤其是处于海洋环境和除冰盐环境条件下的混凝土结构，钢筋锈蚀往往十分严重，会导致混凝土结构开裂破坏。由混凝土结构耐久性所带来的经济损失，无论对发达国家还是发展中国家，均带来了巨大的经济损失，已引起国内外的广泛关注。针对工程中钢筋锈蚀检测的研究，已经涌现出了大量的成果。试验研究是理论研究深入的辅助手段，而试验技术决定了试验研究的准确性。

目前，钢筋锈蚀的检测方法主要分为破损检测和无损检测。破损检测虽然测量结果精确，但在检测过程中需对保护层进行凿除乃至取出钢筋，对混凝土结构有一定的损害，对处于使用中的混凝土结构或混凝土结构中关键构件并不适用。目前广泛使用的无损检测法有半电池电位法和声发射检测技术。半电池电位法利用混凝土中钢筋锈蚀的电化学反应引起的电位变化，测定钢筋锈蚀状态，依据测量电位值所在范围判断钢筋锈蚀的锈蚀速率。但是半电池电位法给出的是钢筋的锈蚀速率而不是钢筋锈蚀率，同时半电池点位检测精度不高，且对操作者熟练度有较高的要求。声发射钢筋锈蚀检测方法与半电池电位法，声发射技术依据累计撞击数(AEN)等参数，只能定性判断锈蚀发生概率，无法定量测量钢筋锈蚀率。在实际工程中，仍然没有精确判别钢筋锈蚀率的监测系统。

发明内容

为了克服现有工程钢筋锈蚀无损检测技术的不足，本发明要解决的是，提供一种基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器及系统。该监测系统可集成为体积小、操作简单、方法可靠、成本低廉的基于磁场的钢筋无损动态监测仪器。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器，包括中空的盒状壳体；在壳体一端设置用于卡装被测钢筋的卡口槽；壳体中有两个具有山字形凸齿且相对布置的不锈钢框架，除在其中一组相对的齿间设置永磁体外，在其它相对的齿间保留霍尔传感器的安装位；在卡口槽的两侧布置不锈钢框架的端部相对齿，以及一个霍尔传感器的安装位；壳体中还有一个与六芯线缆相连的数据采集板，霍尔传感器均固定在数据采集板上且其主体部分位于所述安装位中。

本发明中，在霍尔传感器的安装位处设置卡槽，霍尔传感器的主体部分位于卡槽中。

本发明中，所述永磁体位于一个与其相匹配的卡槽中。

本发明中，进一步提供了利用前述基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器的监测系统，还包括数据采集器和上位计算机；所述数据采集器包括中空的盒状壳体，内部装有微控制器电路板；在微控制器电路板上安装了USB转串口芯片和ADC模数转换器；所述监测传感器通过六芯线缆与微控制器电路板相连接，USB转串口芯片的接口通过数据线连接至上位计算机。

本发明还提供了基于前述监测系统的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测方法，是将待测钢筋沿轴向置于监测传感器的卡口槽中，通过永磁体产生的稳态磁场以及不锈钢框架形成的磁场回路，霍尔传感器根据霍尔效应将监测范围内磁场强度转换为电信号；数据采集板在为霍尔传感器提供电力的同时，将采集自霍尔传感器的电压信号通过六芯线缆传送至信号采集器，由其进行信号模数转换后再送至上位计算机进行数据处理；利用钢筋与钢筋锈蚀产物磁导率的显著差异，通过监测范围内磁场强度的变化反映监测范围内钢筋锈蚀过程中钢筋质量的变化，从而无损地反映监测范围内钢筋的锈蚀率。

本发明中，所述方法包括以下步骤：

(1)连接监测传感器、信号采集器和上位计算机；

(2)取长度为15cm，直径分别为10mm、14mm、18mm的光圆钢筋作为标定钢筋，称量其质量；

(3)将标定钢筋沿其轴向穿过监测传感器的卡口槽，将卡口槽对准钢筋的中心位置，然后置于锈蚀槽中；锈蚀槽中盛有质量浓度为5％的氯化钠溶液，使标定钢筋高出液面1cm；以半浸泡和电流加速锈蚀的方式实现钢筋锈蚀的模拟试验，分别记录3根锈蚀前后标定钢筋的电压值数据；

(4)根据标定钢筋的电压值及锈蚀前后质量数据，绘制出标定曲线；

(5)将标定钢筋替换为待测钢筋，将监测传感器与待测钢筋一并浇筑在混凝土中；

(6)采集钢筋未锈蚀时和锈蚀后的电压，基于标定曲线获得锈蚀钢筋质量变化情况，进一步计算得到待测钢筋的锈蚀率。

发明原理描述：

本发明解决其技术问题所采用的原理是利用钢筋与钢筋锈蚀产物在磁场中的磁导率不同而引起磁场强度发生变化，根据磁场强度的变化率而分析磁场中钢筋体积的变化，推导出钢筋的锈蚀率。

钢筋锈蚀监测传感器内部包含一个永磁体，在传感器卡口区域产生一个稳定磁场。当钢筋位于传感器卡口位置时，由于钢筋的磁导率较高，对传感器卡口位置处的磁场产生干扰，磁场变化被传感器内部的霍尔元件检测并输出为电压信号，经过数据采集器的处理在电脑终端展现为一电压值，随着钢筋的锈蚀，钢筋的质量将发生变化，钢筋对磁场的干扰也将发生变化，从而导致最终输出的电压值发生变化。这样，建立起钢筋锈蚀率与监测电压值的相关关系，达到通过检测电压值定量判断出钢筋锈蚀率的目的。

与现有技术相比，本发明的有益效果主要表现在：

1.利用磁场原理监测钢筋的锈蚀率，精度与稳定性较高；

2.可以实现混凝土中钢筋的锈蚀率的无损监测；

3.可以实现混凝土中钢筋的锈蚀率的动态监测；

4.可以直接定量化地给出混凝土中钢筋的锈蚀率；

5.仪器装置体积小，便于携带，方便工程现场操作。

附图说明

图1为监测传感器的外观示意图，其中上图为底部，下图为侧面；

图2为图1中A-A向的剖面图(即传感器内部构造图，未装电路板)；

图3为图2中装入数据采集板的示意图(数据采集板作半透明处理)；

图4为数据采集器的外观示意图；

图5为数据采集器的内部构造示意图；

图6为半浸泡电流加速锈蚀试验装置的示意图。

图中附图标记：卡口槽1；六芯线缆2，底座3，螺孔4；永磁体5；不锈钢框架6；卡槽7；数据采集板8；霍尔传感器9；螺孔10；USB转串口芯片的接口11；六芯线缆接口12；USB转串口芯片12；ADC模数转换器13；微控制器电路板14；监测传感器15；标定钢筋16；数据采集器17；上位计算机18。

具体实施方式

如图所示，基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器，包括中空的盒状壳体；在壳体一端设置用于卡装被测钢筋的卡口槽1；壳体中有两个具有山字形凸齿且相对布置的不锈钢框架6，除在其中一组相对的齿间设置永磁体5外，在其它相对的齿间保留霍尔传感器9的安装位(卡槽7)，永磁体5也安装在一个与其相匹配的卡槽中。在卡口槽1的两侧布置不锈钢框架6的端部相对齿，以及一个霍尔传感器的安装位；壳体中还有一个与六芯线缆2相连的数据采集板8，霍尔传感器9均固定在数据采集板8上，且其主体部分位于所述安装位(卡槽7)中。盒状壳体由底座3和上盖组成，以螺钉穿过螺孔4实现数据采集板8和壳体之间的固定。

基于监测传感器15，本发明进一步提出了混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测系统，还包括数据采集器17和上位计算机18；数据采集器17包括中空的盒状壳体，内部装有微控制器电路板14；在微控制器电路板14上安装了USB转串口芯片12和ADC模数转换器13；监测传感器15通过六芯线缆2与微控制器电路板14相连接，USB转串口芯片的接口11通过数据线连接至上位计算机18。

基于所述监测系统的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测方法，是将待测钢筋16沿轴向置于监测传感器15的卡口槽1中，通过永磁体5产生的稳态磁场以及不锈钢框架6形成的磁场回路，霍尔传感器9根据霍尔效应将监测范围内磁场强度转换为电信号；数据采集板8在为霍尔传感器9提供电力的同时，将采集自霍尔传感器9的电压信号通过六芯线缆2传送至信号采集器17，由其进行信号模数转换后再送至上位计算机18进行数据处理；利用钢筋与钢筋锈蚀产物磁导率的显著差异，通过监测范围内磁场强度的变化反映监测范围内钢筋锈蚀过程中钢筋质量的变化，从而无损地反映监测范围内钢筋的锈蚀率。

所述方法具体包括以下步骤：

(1)连接监测传感器15、信号采集器17和上位计算机18；

(2)取长度为15cm，直径分别为10mm、14mm、18mm的光圆钢筋作为标定钢筋16，称量其质量；

(3)将标定钢筋16沿其轴向穿过监测传感器15的卡口槽1，将卡口槽1对准钢筋的中心位置，然后置于锈蚀槽中；锈蚀槽中盛有质量浓度为5％的氯化钠溶液，使标定钢筋高出液面1cm；以半浸泡和电流加速锈蚀的方式实现钢筋锈蚀的模拟试验，分别记录3根锈蚀前后标定钢筋的电压值数据；

(4)根据标定钢筋16的电压值及锈蚀前后质量数据，绘制出标定曲线；

(5)将标定钢筋16替换为待测钢筋，将监测传感器15与待测钢筋一并浇筑在混凝土中；

(6)采集钢筋未锈蚀时和锈蚀后的电压，基于标定曲线获得锈蚀钢筋质量变化情况，进一步计算得到待测钢筋的锈蚀率。

本发明中，各设备元器件的选型示例：SS495A型霍尔传感器；ADS1256IDB数据采集板；ADS1256(8路24位)ADC模数转换器；arduino pro mini改进版ATMEGA328P 5V/16M微控制器电路板；CH340 USB转串口芯片。其中，ADS1256(8路24位)ADC模数转换器，经过取样、保持、量化和编码四个过程，将传感器输出电压信号转变为数字信号；arduino pro mini改进版ATMEGA328P 5V/16M微控制器电路板控制信号采集器的内各元器件间的信号传输；CH340USB转串口芯片实现信号采集器内串口接口转为USB结构，从而将信号采集器与计算机USB接口相连，将信号采集器转换得到的数字信号输出给计算机。

本发明中，在上位计算机18中内置并运行程序软件，用于实现自动存储、自动处理、实时记录信号传感器输出的数字信号并进行图形化展示和文件输出。申请人认为，在了解本发明实现原理和基于本发明所述系统的监测实现过程的描述，本领域技术人员能够利用其掌握的技术手段自行实现该软件的编译，以用于所述系统的监测实现。

下面以16mmHPB300光圆钢筋的测试过程为例，具体说明本发明专利的实施方式。

1.将监测传感器与信号采集器连接，将信号采集器与计算机连接，启动软件；

2.取长度为15cm，直径分别为10mm、14mm、18mm的光圆钢筋作为标定钢筋，分别称量标定钢筋质量，记为M_10I，M_14I、M_18I；

3.分别将直径分别为10mm、14mm、18mm的标定钢筋穿过钢筋锈蚀动态监测传感器的卡口，将卡口对准钢筋中心位置，通过计算机上软件分别记录标定钢筋对应的电压V_10I、V_14I、V_18I；

4.分别计算标定钢筋质量变化率m₁与m₂，计算公式分别为式(1)与式(2)：

5.分别计算标定钢筋电压变化率v₁与v₂，计算公式分别为式(3)与式(4)：

6.计算钢筋质量变化率与钢筋电压变化率之间的关系系数k，计算公式为式(5)：

7.称量待测钢筋的质量，记为M₀；

8.将待测钢筋穿过钢筋锈蚀动态监测传感器的卡口槽，并将卡口槽对准待测钢筋的待测位置，在监测过程中保持钢筋锈蚀动态监测传感器与待测钢筋的相对位置不发生改变；

9.将钢筋锈蚀动态监测传感器与待测钢筋都浇筑于混凝土中；

10.通过计算机的软件采集钢筋未锈蚀时的电压值，记为V₀；

11.将浇筑完成的钢筋混凝土构件置于自然环境或容易导致钢筋发生锈蚀的环境中，促使混凝土中钢筋发生锈蚀；

12.经过锈蚀时间t_i后，通过计算机上软件采集钢筋锈蚀后的电压值，第i次采集时的电压值记为V_i；

13.计算t_i时钢筋的锈蚀率ρ_i，计算公式为式(6)：

ρ_i＝k(V_i-V₀) (6)。

Claims (6)

1.一种基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器，包括中空的盒状壳体；其特征在于，在壳体一端设置用于卡装被测钢筋的卡口槽；壳体中有两个具有山字形凸齿且相对布置的不锈钢框架，除在其中一组相对的齿间设置永磁体外，在其它相对的齿间保留霍尔传感器的安装位；在卡口槽的两侧布置不锈钢框架的端部相对齿，以及一个霍尔传感器的安装位；壳体中还有一个与六芯线缆相连的数据采集板，霍尔传感器均固定在数据采集板上且其主体部分位于所述安装位中。

2.根据权利要求1所述的监测传感器，其特征在于，在霍尔传感器的安装位处设置卡槽，霍尔传感器的主体部分位于卡槽中。

3.根据权利要求1所述的监测传感器，其特征在于，所述永磁体位于一个与其相匹配的卡槽中。

4.利用权利要求1所述基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器的监测系统，其特征在于，还包括数据采集器和上位计算机；所述数据采集器包括中空的盒状壳体，内部装有微控制器电路板；在微控制器电路板上安装了USB转串口芯片和ADC模数转换器；所述监测传感器通过六芯线缆与微控制器电路板相连接，USB转串口芯片的接口通过数据线连接至上位计算机。

5.基于权利要求4所述监测系统的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测方法，其特征在于，是将待测钢筋沿轴向置于监测传感器的卡口槽中，通过永磁体产生的稳态磁场以及不锈钢框架形成的磁场回路，霍尔传感器根据霍尔效应将监测范围内磁场强度转换为电信号；数据采集板在为霍尔传感器提供电力的同时，将采集自霍尔传感器的电压信号通过六芯线缆传送至信号采集器，由其进行信号模数转换后再送至上位计算机进行数据处理；利用钢筋与钢筋锈蚀产物磁导率的显著差异，通过监测范围内磁场强度的变化反映监测范围内钢筋锈蚀过程中钢筋质量的变化，从而无损地反映监测范围内钢筋的锈蚀率。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

(1)连接监测传感器、信号采集器和上位计算机；

(2)取长度为15cm，直径分别为10mm、14mm、18mm的光圆钢筋作为标定钢筋，称量其质量；

(3)将标定钢筋沿其轴向穿过监测传感器的卡口槽，将卡口槽对准钢筋的中心位置，然后置于锈蚀槽中；锈蚀槽中盛有质量浓度为5％的氯化钠溶液，使标定钢筋高出液面1cm；以半浸泡和电流加速锈蚀的方式实现钢筋锈蚀的模拟试验，分别记录3根锈蚀前后标定钢筋的电压值数据；

(4)根据标定钢筋的电压值及锈蚀前后质量数据，绘制出标定曲线；

(5)将标定钢筋替换为待测钢筋，将监测传感器与待测钢筋一并浇筑在混凝土中；

(6)采集钢筋未锈蚀时和锈蚀后的电压，基于标定曲线获得锈蚀钢筋质量变化情况，进一步计算得到待测钢筋的锈蚀率。