CN109541016B - 一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置及使用方法，包括：数据采集系统，所述数据采集系统包括电路板，所述电路板电连接单片机，所述单片机将采集到的电磁传感器信号进行转换；所述数据采集系统通过数据接口外接电磁传感器；电容屏幕，所述电容屏幕与所述单片机电连接，并将数字信号显示到电容屏幕；外壳，所述外壳用于对所述数据采集系统和所述电容屏幕进行保护。本发明便携装置的使用方法包括两大步骤：1，电磁传感器的布置2，锈蚀钢筋数据采集和监测，随着建筑物服役寿命延长，定时采集电磁传感器信号，监控混凝土中钢筋的锈蚀程度；本发明的便携装置适宜于工程现场使用，操作方便，便于携带，便于工业化推广使用。

Description

一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置及使用方法

技术领域

本发明属于混凝土耐久性监测技术领域，具体涉及一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置及使用方法。

背景技术

海洋经济作为国家重点发展的战略计划近年来得到了飞速的发展，这种飞速发展大都基于海港码头、海洋平台、跨海通道等基础建设，这些大型海洋基础设施绝大部分是钢筋混凝土结构，其服役寿命大多要求在100年以上。

海洋环境对建筑物来说是极端严酷的服役环境，其原因是海洋环境下腐蚀离子的渗透迁移引发钢筋锈蚀从而导致建筑物提前退出服役。氯离子的侵蚀是引起钢筋腐蚀的首要因素，氯离子进入混凝土中并到达钢筋表面可使该处的pH值迅速降低，破坏钢筋表面钝化膜。这些部位露出了铁基体，与尚完好的钝化膜区域间构成电位差。铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积的钝化膜区作为阴极，导致钢筋表面产生点蚀。氯离子不仅促成了钢筋表面腐蚀电池的产生，由于其极强的极化作用，进一步加速电池作用的过程，并且在这个过程中氯离子并不被“消耗”。也就是说，凡是进入混凝土中的氯离子，会周而复始地起破坏作用。基于上述原因，实时监测和评估大体积混凝土内部钢筋锈蚀情况，成为海洋环境混凝土服役寿命预测的关键步骤。

近年来，基于各种手段的钢筋锈蚀监测装置层出不穷，其中基于电磁感应的钢筋锈蚀装置发展最为迅速。然而，对于数据采集设备的研发要远远落后于传感器的研发，这就造成了向实际工程应用的巨大障碍，仅仅停留在实验室实验阶段。

为了监测混凝土内部钢筋锈蚀情况，现有技术中已有相关设备，但是目前的监测设备都是基于USB2.0或是航空插头采集，这就需要每次采集携带笔记本电脑本或平板电脑采集，这为监测带来了非常大的不便，此外施工现场环境复杂，电脑屏幕容易受到损害，为数据采集带来诸多不便，不适宜大规模推广使用。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，以解决现有传感器数据采集过程中装置携带不便，容易损坏，不适宜大规模工业化推广使用，不能满足实际工程监测要求的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，所述便携装置包括：

数据采集系统，所述数据采集系统用于采集锈蚀钢筋电磁传感器信号，所述数据采集系统包括电路板，所述电路板电连接单片机，所述单片机将采集到的电磁传感器信号进行转换，完成电压信号从模拟信号到数字信号的转换；所述数据采集系统通过数据接口外接电磁传感器，完成电磁传感器信号的采集；

电容屏幕，所述电容屏幕用于完成人机交互操作，所述电容屏幕与所述单片机电连接，并将数字信号显示到电容屏幕；

外壳，所述外壳为可盖合式箱体，所述数据采集系统内置于箱体中，所述电容屏幕覆盖于所述数据采集系统上方，所述外壳用于对所述数据采集系统和所述电容屏幕进行保护；

电池，所述电池设于所述外壳的箱体中，所述电池用于为所述便携装置提供电能。

在如上所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，优选，所述数据采集系统还包括GPS模块，所述GPS模块设置于所述电路板上，用于判断电磁传感器的具体位置，实现精准定位。

在如上所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，优选，所述便携装置中还包括4G数据上传模块，所述4G数据上传模块与所述单片机电连接，通过所述4G数据上传模块将采集到的信号上传至网络云盘，以便查询历史数据，提供可靠数据源。

在如上所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，优选，所述数据接口为四孔航空插头接口。

在如上所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，优选，所述电池为10000mAh大容量高性能锂电池。

在如上所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，优选，所述便携装置设置有针型充电接口，可为所述电池快速充电。

在如上所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，优选，所述便携装置设置有指示灯，用于直观显示所述电池的工作状态。

在如上所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，优选，所述外壳为PVC材质高强防爆外壳，用于对内部精密电路和电容屏幕进行保护。

在如上所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，优选，所述外壳的壳体表面设置有可识别标记，便于对所述装置进行识别。

一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一，电磁传感器的布置：

首先，在钢筋混凝土结构的弯矩受力处，布置锈蚀钢筋电磁传感器；

其次，在浪溅区或者潮汐区的钢筋笼预埋多个电磁传感器，并采集初始信号值；然后对混凝土浇筑，在浇筑之前将电磁传感器的采集端口连接线放置进预留小盒；

步骤二，锈蚀钢筋数据采集和监测：

最后，随着建筑物服役寿命延长，定时采集电磁传感器信号；采集时，对钢筋混凝土进行拆模，通过预留在小盒内的连接线连接至所述便携装置的数据接口，采集电磁传感器产生的电磁信号，根据采集到的历史数据趋势，利用绘图软件将采集的数据做成谱图分析，通过信号走势判断监测处的锈蚀程度，完成对混凝土内部锈蚀钢筋状态的监测。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：

本发明提供的一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，将电磁传感器信号数据采集系统内置于一个抗爆抗震外壳内，方便携带，耐冲击，使用寿命长；数据采集系统包括GPS定位模块，能够快速判断出混凝土中预埋传感器的具体位置，实现精准定位；采用高灵敏度的电容屏幕，方便人工手动操作；配置大容量高续航电池，为现场连续采集提供保障；配置有大容量存储空间，可在服务器查询历史数据，提供可靠数据来源；本便携装置适宜于工程现场使用，操作方便，便于携带，便于工业化推广使用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。其中：

图1为本发明实施例的便携装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的便携装置信号采集过程通讯拓扑图；

图3为本发明实施例的电磁传感器的结构示意图；

图4为利用本发明实施例的便携装置采集监测的混凝土钢筋锈蚀过程状态图。

图中：1、电容屏幕；2、外壳；3、金属面板；4、航空插头接口；5、开关按钮；6、针型充电接口；7、电源指示灯；8、充电指示灯；9、把手；10、电磁传感器；101、硅钢片骨架；102、磁体；103、第一霍尔元件；104、通孔；105、第二霍尔元件；11、钢筋。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

根据本发明的实施例，提供了一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，主要是针对在实际海洋环境服役的大体积混凝土(墩身、箱梁等)进行耐久性评估，本发明中的便携式装置和混凝土中的电磁传感器配合使用，电磁传感器用于监测海洋中受到腐蚀的混凝土，根据腐蚀状况产生不同电磁信号，本发明中的采集装置与电磁传感器连接，采集并转换电磁传感器发出的电磁模拟信号，转换成可以识别的数字信号，并进行储存和显示；利用绘图软件将采集并转换到的数据做成折线图或者柱状图，通过信号走势可以判断出监测处的锈蚀程度。

根据混凝土中锈蚀钢筋中的钢铁和铁锈成分不同，钢筋锈蚀监测方法原理有基于化学的，还有基于物理的声光电磁，本发明中的采集装置是基于物理的电磁原理，利用钢铁和铁锈产生电磁磁场不同，输出不同信号，进而获取钢筋锈蚀程度；操作方法是在钢筋混凝土中预埋电磁传感器，待特定时间后，将电磁传感器的采集头拿出，与本装置的采集装置插接头连接，获取锈蚀钢筋中的电磁信号。

本发明的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，便于携带至施工现场，数据接口连接，直接使用，操作简单，适用于大规模推广使用。

如图1和2所示，本发明的便携装置包括：

数据采集系统，数据采集系统用于采集锈蚀钢筋电磁传感器信号，电磁传感器预埋多个于钢筋笼内，然后钢筋笼浇筑混凝土，放置于海水中，需要监测混凝土内部钢筋锈蚀状况时，将混凝土拆模并进行电磁传感器信号采集；数据采集系统包括电路板，电路板电连接单片机，单片机将采集到的传感器信号进行转换，完成电压信号从模拟信号到数字信号的转换，电路板上设有能够自行采集电磁传感器霍尔信号的程序语言；数据采集系统通过数据接口外接锈蚀钢筋电磁传感器，完成传感器信号的采集。

在本发明的具体实施例中，数据接口为四孔航空插头接口4，用于外接锈蚀钢筋电磁传感器。

在本发明的具体实施例中，数据采集系统还包括GPS模块，GPS模块设置于电路板上，用于判断出混凝土中预埋的电磁传感器的具体位置，实现电磁传感器的精准定位。

在本发明的具体实施例中，便携装置中还包括4G数据上传模块，4G数据上传模块与单片机电连接，通过4G数据上传模块将采集到的信号上传至网络云盘，以便解决数据存储空间不足等问题，并可以在服务器查询历史数据，提供可靠数据源。

电容屏幕1，电容屏幕1用于完成人机交互操作，电容屏幕1与单片机电连接，并将数字信号显示到电容屏幕1；本发明中的便携装置选用电容屏幕1作为人机交互操作的面板，主要是电容屏幕1对人体皮肤相对灵敏，便于操作，采用高灵敏度电容屏幕1，方便现场人工手动操作设备。

电容屏幕1界面上设有多个操作图标，包括测量图标、历史数据图标、故障列表图标、上传图标、GPS图标、探头配置图标、4G网络图标、设置图标，均可以进行手动操作，打开图标按钮，进入相应的程序，完成各项操作过程。

电池，电池设于外壳2的箱体中，电池用于为便携装置提供电能。

在本发明的具体实施例中，电池为10000mAh大容量高性能锂电池，便携装置上表面侧边设置有针型充电接口6，配额定8.5V锂电池专用两孔充电插头，电池充满需要约30分钟，充电速度块。同时配置的10000mAh大容量高续航锂电池，为现场连续采集提供保障。

在本发明的具体实施例中，便携装置中电容屏幕1一侧的金属面板3上设置有指示灯，指示灯有两个，一个为充电指示灯8，用于直观显示电池的充电状态，便于确认是否正常充电，另一个为电源指示灯7，显示本装置通电状态。

电容屏幕1一侧的金属面板3中还设有开关按钮5，用于控制数据采集系统和电容屏幕1的启闭。

外壳2，外壳2为可盖合式箱体，箱体外侧设有把手9，便于携带提拉，数据采集系统内置于箱体中，电容屏幕1覆盖于数据采集系统上方，电容屏幕1和金属面板3处于同一平面，固定在外壳2箱体中，外壳2用于对数据采集系统和电容屏幕1和金属面板3进行保护，采集装置使用完毕时，盖合箱体后即可收藏放置。

在本发明的具体实施例中，外壳2为高性能抗爆抗震外壳2，用于对内部精密电路和电容屏幕1进行有效保护，外壳2为PVC材质的高强防爆塑料，强度韧性高，抗磨损，抗挤压，材质轻，耐用度高，适宜于施工现场使用。

在本发明的具体实施例中，外壳2的壳体表面设置有可识别标记，比如校训、图标或者其他图文等标志，便于对本发明的采集装置进行识别。

如图3所示，本发明中使用的电磁传感器10包括硅钢片骨架101、磁体102和霍尔元件；硅钢片骨架101为C型，硅钢片骨架101作为导磁介质供磁体102形成完整闭合的磁场，硅钢片骨架101的开口处用于放置钢筋；磁体102设置在硅钢片骨架101上，用于为钢筋锈蚀电磁场变响应监测装置提供磁场源，优选地，磁体102为永磁体，可长期维持稳定的磁场；第一霍尔元件103设置在硅钢片骨架101开口处的一端，第一霍尔元件103作为磁场传感器接收磁信号，并将磁信号转换为电信号。

硅钢片骨架101的侧壁上设有通孔104，所述通孔104用于判断监测磁体102磁场的消退，具体地，用于进一步判断霍尔电压的变化是由于磁场消退还是由于钢筋11的锈蚀引起；优选地，通孔104有两个，两个通孔104与硅钢片骨架101的开口位置平行设置。

两个通孔104的一侧均设有第二霍尔元件105，第二霍尔元件105设置在硅钢片骨架101上，用于对第一霍尔元件103接收信号进行修正。

永磁体作为磁场源，硅钢片骨架101作为导磁介质，形成稳定闭合的磁场，单片机通入直流电源，钢筋11锈蚀形成氧化物的不同阶段，通过钢筋11截面的磁通量会变化，随着锈蚀的程度加剧，磁通量不断减少，这个磁通量变化会通过霍尔元件感应到，并通过单片机将信号收集，并将模拟信号转变为电信号，通过四孔航空插头接口4传输到本发明的便携装置上，并以数据的形式输出，通过定时监测就可以掌握钢筋11的损伤情况。

海洋环境作为极为严酷的混凝土服役环境，其破坏机制主要为有害介质侵蚀，其次为冻融循环、碳化作用以及干湿循环等。对于浸泡在海水中的结构，不同的暴露区域(水下区、潮汐区、浪贱区和大气区)由于其干湿循环规律不同，造成混凝土内氯离子分布及传输机制差异。这一现象直接导致了其混凝土内部钢筋锈蚀程度的差异。根据在海洋中钢筋混凝土受到的侵蚀情况，浪溅区或者潮汐区极易发生钢筋锈蚀导致结构承载力退化。因此，在浪溅区或者潮汐区进行试验研究，监测海水中不同时间阶段的建筑物受到海水氯离子侵蚀，钢筋的锈蚀状况。

为了进一步理解本发明的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，本发明还提供了一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号便携装置的使用方法，现场施工过程通常是按照如下进行操作：

首先，通常在钢筋混凝土结构的弯矩受力处，布置锈蚀钢筋电磁传感器10，当钢筋11发生锈蚀时，不利于结构塑性铰的产生。当地震或海啸来临时，钢筋11锈蚀导致的塑性铰数量不足容易造成应力集中造成混凝土开裂，容易导致危险情况发生，故在钢筋11混凝土结构的弯矩处布置传感器。

其次，在浪溅区或者潮汐区的钢筋笼预埋多个电磁传感器10，并采集初始信号值；然后对混凝土浇筑，在浇筑之前将电磁传感器10的采集端口连接线放置进预留小盒；

最后，随着建筑物服役寿命延长，定时采集电磁传感器信号，采集时，对钢筋混凝土进行拆模，通过预留在小盒内的连接线连接至本发明便携装置的航空插头接口4，采集电磁传感器10产生的霍尔电压数据，根据采集到的历史数据趋势，利用绘图软件将采集的数据做成折线图或者柱状图，通过信号走势判断监测处的锈蚀程度，即对混凝土内部钢筋的锈蚀状态完成检测。

如图4所示，为利用本发明的采集锈蚀钢筋电磁传感器10信号的便携装置采集到的霍尔信号绘制的图片，由图4中可知，图中钢筋锈蚀过程主要分为两个阶段，第一阶段为钢筋起锈阶段，表示为信号的起伏。第二阶段为信号稳定上升，表示锈蚀层已经生成，锈蚀产物均匀覆盖钢筋表面。

综上所述，混凝土结构暴露在不同海洋腐蚀区域下，其钢筋锈蚀程度不同造成结构劣化程度差异，本发明介绍的便携式采集装置配合其配套使用电磁传感器的灵活布置可以监测不同腐蚀区域钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀速率，为海洋环境混凝土耐久性能评估及各腐蚀区域混凝土构件剩余使用寿命预测提供理论依据及预警机制。例如，在干湿循环较为剧烈的浪贱区，应尽可能多布置相关钢筋锈蚀电磁传感器，而水下区和大气区由于分别缺少氧气和氯离子，其腐蚀速率基本较小，可少布置电磁传感器。随着混凝土服役时间增加和监测数据的增加，利用“大数据”使分析混凝土结构劣化程度成为可能。

本发明的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，将电磁传感器信号数据采集系统内置于一个抗爆抗震外壳内，方便携带，耐磨损，耐冲击，强度高，使用寿命长；数据采集系统包括GPS定位模块，能够快速判断出混凝土中预埋传感器的具体位置，实现精准定位；采用高灵敏度的电容屏幕，方便人工手动操作；配置大容量高续航电池，为现场连续采集提供保障；配置有大容量存储空间，将数据上传至网络云盘，可在服务器查询历史数据，提供可靠数据源；适宜于工程现场使用，操作方便，便于携带，便于工业化推广使用。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，其特征在于，所述便携装置包括：

数据采集系统，所述数据采集系统用于采集锈蚀钢筋电磁传感器信号，所述数据采集系统包括电路板，所述电路板电连接单片机，所述单片机将采集到的电磁传感器信号进行转换，完成电压信号从模拟信号到数字信号的转换；所述数据采集系统通过数据接口外接电磁传感器，完成电磁传感器信号的采集；

电容屏幕，所述电容屏幕用于完成人机交互操作，所述电容屏幕与所述单片机电连接，并将数字信号显示到电容屏幕；

外壳，所述外壳为可盖合式箱体，所述数据采集系统内置于箱体中，所述电容屏幕覆盖于所述数据采集系统上方，所述外壳用于对所述数据采集系统和所述电容屏幕进行保护；

电池，所述电池设于所述外壳的箱体中，所述电池用于为所述便携装置提供电能；

所述便携装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤一，电磁传感器的布置：

首先，在钢筋混凝土结构的弯矩受力处，布置锈蚀钢筋电磁传感器；

其次，在浪溅区或者潮汐区的钢筋笼预埋多个电磁传感器，并采集初始信号值；然后对混凝土浇筑，在浇筑之前将电磁传感器的采集端口连接线放置进预留小盒；

步骤二，锈蚀钢筋数据采集和监测：

最后，随着建筑物服役寿命延长，定时采集电磁传感器信号；采集时，对钢筋混凝土进行拆模，通过预留在小盒内的连接线连接至所述便携装置的数据接口，采集电磁传感器产生的电磁信号，根据采集到的历史数据趋势，利用绘图软件将采集的数据做成谱图分析，通过信号走势判断监测处的锈蚀程度，完成对混凝土内部锈蚀钢筋状态的监测；

所述电磁传感器包括硅钢片骨架、磁体和霍尔元件；硅钢片骨架为C型，硅钢片骨架作为导磁介质供磁体形成完整闭合的磁场，硅钢片骨架的开口处用于放置钢筋；磁体设置在硅钢片骨架上，用于为钢筋锈蚀电磁场变响应监测装置提供磁场源，第一霍尔元件设置在硅钢片骨架开口处的一端，第一霍尔元件作为磁场传感器接收磁信号，并将磁信号转换为电信号；

所述硅钢片骨架的侧壁上设有通孔，所述通孔用于判断监测磁体磁场的消退，进一步判断霍尔电压的变化是由于磁场消退还是由于钢筋的锈蚀引起；

所述通孔有两个，两个通孔与硅钢片骨架的开口位置平行设置；两个通孔的一侧均设有第二霍尔元件，第二霍尔元件设置在硅钢片骨架上，用于对第一霍尔元件接收信号进行修正。

2.如权利要求1所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，其特征在于，所述数据采集系统还包括GPS模块，所述GPS模块设置于所述电路板上，用于判断电磁传感器的具体位置，实现精准定位。

3.如权利要求1所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，其特征在于，所述便携装置中还包括4G数据上传模块，所述4G数据上传模块与所述单片机电连接，通过所述4G数据上传模块将采集到的信号上传至网络云盘，以便查询历史数据，提供可靠数据源。

4.如权利要求1所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，其特征在于，所述数据接口为四孔航空插头接口。

5.如权利要求1所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，其特征在于，所述电池为10000mAh大容量高性能锂电池。

6.如权利要求5所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，其特征在于，所述便携装置设置有针型充电接口，可为所述电池快速充电。

7.如权利要求1所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，其特征在于，所述便携装置设置有指示灯，用于直观显示所述电池的工作状态。

8.如权利要求1所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，其特征在于，所述外壳为PVC材质高强防爆外壳，用于对内部精密电路和电容屏幕进行保护。

9.如权利要求1所述的采集锈蚀钢筋电磁传感器信号的便携装置，其特征在于，所述外壳的壳体表面设置有可识别标记，便于对所述装置进行识别。