CN110470706A - 一种监测混凝土构件内部水分传输的ect传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于混凝土构件耐久性监测设备技术领域，涉及一种监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器，采用圆形设计，对电极板、夹具和蓄水槽结构进行优化，摒弃了适用于管道两相流测量的传统传感器结构设计，采用立式放置、不闭合式设计，铜箔电极板粘贴于PVC绝缘管外壁，电极板的尺寸和数量简化了硬件结构，采用金属材质外屏蔽罩进行密封，蓄水管和蓄水池便于研究在不同角度注水时混凝土试件内部水分的传输过程；其灵敏度高、成本低、无辐射、简易便携、能够实现无损监测，成像结果可与拍摄的试件照片作对比，弥补了传统传感器成像结果缺乏验证方法的不足，为掌握水分在混凝土内部的传输规律和混凝土耐久性研究提供科学依据。

Description

一种监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器

技术领域：

本发明属于混凝土构件耐久性监测设备技术领域，涉及一种监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器，能够实现混凝土构件内部水分传输的可视化监测。

背景技术：

混凝土耐久性不足引起的安全和经济问题日益严重，亟待解决。水分是影响混凝土耐久性问题的主要原因，对水分进行可视化监测并对其分布进行量化是研究混凝土耐久性问题的关键。上世纪80年代兴起的ECT技术是一种通过阵列式传感器所测电容参数的变化采用一定的图像重建算法反演得出材料内部介电常数分布的方法，ECT技术能够实现无损可视化材料内部水分分布状态，ECT系统主要由电容式传感器、数据采集及信息处理系统和成像计算机三部分组成，电容式传感器是ECT系统的核心部分，而制作传感器是实现水泥基材料内部二维非饱和水分传输成像的重要前提，传感器为完善混凝土结构耐久性设计和评价机制提供试验和理论支持。目前，对于传感器的研究主要集中在两个方面，一方面通过改进传感器电容极板的长度、放置位置及增加电极对数来提高传感器精度，例如：中国专利201310420106.2公开的一种具有双层旋转电极的电容层析成像传感器包括有主体结构部分及电容测量部分，所述主体结构部分是由两层可自由旋转的圆形管构成，即两层之间存有一定间隙的外层旋转管、内层旋转管，在所述外层旋转管外周设有屏蔽电极，在所述主体的底部设置有一固定台；所述电容测量部分包含有电压激励信号源、电容测量电路形成的电容测量系统及仪器地；所述内层旋转管的内壁上至少粘附一个激励电极，所述外层旋转管的内壁上至少粘附一个测量电极，并粘附保护电极；电容测量系统工作时，激励电极与电压激励信号源相连；测量电极与电容测量电路相连，通过电容测量系统进行测量，若激励电极与电容测量电路相连，而测量电极与电压激励信号源相连时，仍通过电容测量系统进行测量，处于虚地电位状态；保护电极与屏蔽电极与仪器地相连，处于地电位；其针对阵列式电容传感器提供的测量数据有限而导致重建图像分辨率不足的问题，提出了一种具有双层旋转电极的电容层析成像传感器，可从任意角度测量电极之间的电容值，通过增加电极对之间的电容测量值来提高重建图像的分辨率；中国专利201610362533.3公开的一种用于油-气-水三相环流参数测量的电容成像传感器包括测量管和电极组；所述电极组至少为两组，且呈相对的位置关系贴设在所述测量管的外壁，每组电极均包括一内电极和一外电极，所述外电极环设于所述内电极周围，所述内、外电极形成“回”字型结构；当测量三相环状流液中的油-水比参数时，采用内电极作为激励电极，外电极作为测量电极；当测量三相环状流液中的气-液比参数时，采用至少一对相对设置的电极组进行测量，其中，一电极组的内电极作为激励电极，与其相对设置的另一电极组的内电极作为测量电极，两电极组的外电极分别接地；其通过优化设计ECT传感器电极结构，控制测量的敏感场区间，实现仅采用电容值计算出油-气-水三相流的含水率及气-液比。另一方面通过改进传感器构造来提高传感器耐高温、高压及腐蚀等复杂条件的性能，例如：中国专利201010261469.2公开的一种高精度ECT智能传感器设置于被测流体管道的内管壁上，包括有多个结构相同的敏感电容极板和多个结构相同的信号处理电路板，所述多个敏感电容极板以圆周均布方式分布于被测流体管道同一截面的内侧，每个敏感电容极板的一侧与螺柱的一端固定电连接，螺柱径向向外穿过被测流体管道的管壁，螺柱在被测流体管道外侧的一端与信号处理电路板固定电连接，敏感电容极板的另一侧涂有涂层；信号处理电路板通过单片机自带的闪存存储器独立编址，每个信号处理电路板通过CAN总线连接，同时该CAN总线通过CAN-USB转换器连接到成像计算机的USB接口上，每个信号处理电路板通过CAN总线接收并执行来自成像计算机的命令，采集到的模拟信号通过信号处理电路板转换为成像所需的数字信号，经CAN总线发送给远端的成像计算机；所述智能传感器外部有屏蔽层包围，从屏蔽层内部引出CAN总线用于与成像计算机通讯；经特氟龙处理的防腐蚀电极可直接接触被测流体，减少了管壁电容对成像效果的影响，使测量结果更加稳定；中国专利201210089479.1公开的一种基于电容层析成像的聚合物熔体温度场测量方法及系统，通过测量已标定的电容式聚合物熔体温度场传感器电容极板间电容值；根据电容层析图像重建算法；将所测量电容值重构出聚合物熔体介电常数分布；建立聚合物熔体介电常数与温度的关系模型；根据关系模型将聚合物熔体介电常数分布转换为相对应的聚合物熔体温度场；中国专利201510623768.9公开的一种应用于300℃高温环境下的电容层析成像传感器，所述传感器包括耐300℃高温的阵列分布测量电极、轴端屏蔽电极、绝缘隔离层、外屏蔽罩和信号传输线，其中所述阵列分布测量电极包括N个测量电极，其中N的取值为8～16的整数；所述信号传输线由缆芯、绝缘层和屏蔽丝网组成并包括常温段部分和耐300℃的高温段部分；并且其中所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩相连，并经所述信号传输线的屏蔽丝网引出，再通过电容层析成像系统的信号采集设备的连接地线接地；所述绝缘隔离层将所述阵列分布测量电极及所述轴端屏蔽电极与所述外屏蔽罩隔离开，并固定整个传感器；所述信号传输线的高温段部分的缆芯的一端与所述阵列分布测量电极相连，并且另一端通过所述信号传输线的常温段部分连接所述电容层析成像系统的信号采集设备，所述信号采集设备将采集的数据传送至计算机进行图像重建，所述阵列分布测量电极采用腐蚀和镂空的方式由厚度为0.01mm～0.1mm的黄铜片制成，并且所述阵列分布测量电极采用定位镂空整体套粘方式固定在流化床绝缘管道的外壁上；其改进了传统电容层析成像传感器不耐高温的缺陷。经过30多年的发展ECT技术日渐成熟，并取得了一定的研究成果。但是现有技术中的ECT传感器主要用于固体相浓度测量、流型识别测量及相关速度测量，在水泥基材料领域ECT传感器的相关专利报道少之又少，存在一定的技术与理论空白，亟待进一步完善。

由于水泥基材料在干燥与湿润状态下的介电常数对比度很高，使得电容测量对混凝土中的水分传输很敏感，因此，通过学科交叉引入先进的ECT技术，并研发基于电容测量监测水泥基材料内部水分传输的阵列式电极传感器，对混凝土试件进行无损监测并实现水分迁移的二维定量表征，应用于水泥基材料领域，实现结构耐久性的准确预测，产生极大的社会与经济效益。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的构造复杂、无法定量监测混凝土内部水分含量和无法可视化监测混凝土内部水分传输缺点，寻求设计一种监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器，实现开裂混凝土的二维非饱和水分传输成像，实时追踪混凝土中水分传输过程。

为了实现上述目的，本发明涉及的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的主体结构包括蓄水槽、绝缘管、电极板、径向屏蔽电极、绝缘层、夹具、螺纹杆、螺母、连接件、通孔、铁片、顶板、底板、垫块、引线孔、电极引线、固定孔和支墩；圆柱形结构的混凝土试件的侧表面粘贴有蓄水槽，混凝土试件未粘贴蓄水槽的侧表面上敷设有绝缘管，绝缘管的外侧面等间距式粘贴有电极板，电极板之间设置有径向屏蔽电极，电极板与径向屏蔽电极的外围覆盖有绝缘层，绝缘层的外围套设有夹具，夹具设置有开口，开口向外延伸，开口处通过螺纹杆和螺母连接和固定，开口处设置有连接件，夹具的左侧、右侧和下方焊接有开设通孔的铁片，混凝土试件的顶面设置有顶板，混凝土试件的底面设置有底板，混凝土试件与底板之间设置有垫块，底板的中心开设有引线孔，与电极板连接的电极引线通过引线孔引出，底板上开设有固定孔，底板的角部与支墩连接_；混凝土试件与蓄水槽之间通过硅酮胶粘贴式连接，混凝土试件是直径为15cm，高度为5cm的圆柱体，蓄水槽是长度、宽度和高度分别为25cm、7cm和5cm的塑料槽，采用硅酮胶填缝，蓄水槽上印制有刻度线；绝缘管是直径为15.5cm，高度为5cm，厚度为0.5cm的PVC绝缘管；电极板为铜铂电极板，能够防止混凝土试件与电极引线直接接触对混凝土试件造成污染或对电路造成短路，电极板的数量为10，长度、宽度和高度分别为5cm、4cm和0.1cm时，能够简化结构，提高数据采集速度并降低电极板之间的边缘效应；绝缘层的材质为塑料泡沫，能够防止夹具干扰电容值的测量；夹具的材质为能够降低电磁干扰的不锈钢，直径为16cm，高度为8cm，厚度为0.1cm，开口长度为8cm，向外延伸的长度为6cm；螺纹杆、螺母为六角螺母；连接件为马镫式结构，连接件将夹具与底板连接；顶板是直径为15cm，厚度为0.5cm的圆柱形塑料板，能够防止测量过程中的水分蒸发和噪声干扰，并便于观察；底板是长度为50cm，宽度为30cm，厚度为0.5cm的塑料板；引线孔的数量为10，直径为1cm；电极引线的数量为10；固定孔的数量为5，直径为1cm，分别与连接件和铁片的通孔对应，用于固定混凝土试件和夹具；支墩是长度为30cm，宽度为7cm，高度为5cm的塑料块，以便于在测量时翻转混凝土试件，观察在不同角度注水时混凝土试件内部水分的传输过程。

本发明涉及的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器进行开裂混凝土内部二维非饱和水分传输成像的工艺过程包括：

一、将电极引线与PTL300E数据采集箱的端口连接，数据采集箱通过RS232端口连接到成像计算机，使监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器、PTL300E数据采集箱和成像计算机组成ECT系统，采用激励、接地和测量三种测量模式和线性反投影算法：进行图像重建，其中，C为归一化电容矢量，S为归一化敏感场矩阵，为归一化介电常数矢量；

二、测定未安装混凝土试件的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的电容值，定为最小电容值，同时，测量监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的静态电容和耦合电容并存储到数据采集箱中；

三、取直径为15cm，高度为5cm的经干燥处理过的混凝土试件固定于步骤二的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的内部，将蓄水槽与蓄水池连接，每次向蓄水槽加入25ml水，依次测得试验最小电容值与最大电容值并标定；

四、取出步骤三标定后的混凝土试件，依次放入不同水灰比的混凝土试件进行测量，测量时数据采集箱自动消除标定所测误差电容并将最终成像结果呈现于成像计算机；

五、将步骤四的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器翻转180度，并使蓄水槽、蓄水池的水面高度与混凝土试件的顶面保持一致，保证测量过程中水与混凝土试件接触，观察在不同角度注水时混凝土试件内部水分的传输过程；

六、测量完成后导出数据并进行数据处理，绘制不同水灰比混凝土试件的水分传输变化曲线，绘制水分随时间进入混凝土试件的介电常数变化曲线，根据相介电常数与吸水体积的函数关系得到水分进入的定量信息，将混凝土试件的二维水分传输成像图像与从混凝土试件的正面拍摄的照片比较，验证成像的准确性。

本发明与现有技术相比，采用圆形设计，对电极板、夹具和蓄水槽结构进行优化，实现无损监测开裂混凝土二维非饱和水分传输成像，实时追踪混凝土中水分传输过程；摒弃了适用于管道两相流测量的传统传感器结构设计，采用立式放置、不闭合式设计，有利于实时监测开裂混凝土试件内部电容信号的变化；铜箔电极板粘贴于PVC绝缘管外壁，能够防止电极板与混凝土试件直接接触，避免对混凝土试件造成污染或电路短路；电极板的尺寸和数量简化了硬件结构，提高了数据采集速度并降低了电极板之间的边缘效应；采用金属材质外屏蔽罩进行密封，有效抑制了测量过程中的电磁和噪声干扰；蓄水管和蓄水池便于研究在不同角度注水时混凝土试件内部水分的传输过程，更加真实的模拟现实环境中混凝土内部的水分传输；其灵敏度高、成本低、无辐射、简易便携、能够实现无损监测，成像结果可与拍摄的试件照片作对比，弥补了传统传感器成像结果缺乏验证方法的不足，为掌握水分在混凝土内部的传输规律和混凝土耐久性研究提供科学依据。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明的主体结构剖面示意图。

图3为本发明竖向安装示意图。

图4为本发明横向安装示意图。

图5为本发明涉及的底板的结构示意图。

图6为本发明实施例1步骤一涉及的ECT系统结构图。

图7为本发明实施例1步骤五涉及的倒放置测量状态示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的主体结构包括混凝土试件1、蓄水槽2、绝缘管3、电极板4、径向屏蔽电极5、绝缘层6、夹具7、螺纹杆8、螺母9、连接件10、通孔11、铁片12、顶板13、底板14、垫块15、引线孔16、电极引线17、固定孔18和支墩19；圆柱形结构的混凝土试件1的侧表面粘贴有蓄水槽2，混凝土试件1未粘贴蓄水槽2的侧表面上敷设有绝缘管3，绝缘管3的外侧面等间距式粘贴有电极板4，电极板4之间设置有径向屏蔽电极5，电极板4与径向屏蔽电极5的外围覆盖有绝缘层6，绝缘层6的外围套设有夹具7，夹具7设置有开口，开口向外延伸，开口处通过螺纹杆8和螺母9连接和固定，开口处设置有连接件10，夹具7的左侧、右侧和下方焊接有开设通孔11的铁片12，混凝土试件1的顶面设置有顶板13，混凝土试件1的底面设置有底板14，混凝土试件1与底板14之间设置有垫块15，底板14的中心开设有引线孔16，与电极板4连接的电极引线17通过引线孔16引出，底板14上开设有固定孔18，底板14的角部与支墩19连接。

本实施例涉及的混凝土试件1与蓄水槽2之间通过硅酮胶粘贴式连接，混凝土试件1是直径为15cm，高度为5cm的圆柱体，蓄水槽2是长度、宽度和高度分别为25cm、7cm和5cm的塑料槽，采用硅酮胶填缝，蓄水槽2上印制有刻度线；绝缘管3是直径为15.5cm，高度为5cm，厚度为0.5cm的PVC绝缘管；电极板4为铜铂电极板，能够防止混凝土试件1与电极引线17直接接触对混凝土试件1造成污染或对电路造成短路，电极板4的数量为10，长度、宽度和高度分别为5cm、4cm和0.1cm时，能够简化结构，提高数据采集速度并降低电极板4之间的边缘效应；绝缘层6的材质为塑料泡沫，能够防止夹具7干扰电容值的测量；夹具7的材质为能够降低电磁干扰的不锈钢，直径为16cm，高度为8cm，厚度为0.1cm，开口长度为8cm，向外延伸的长度为6cm；螺纹杆8、螺母9为六角螺母；连接件10为马镫式结构，连接件10将夹具7与底板14连接；顶板13是直径为15cm，厚度为0.5cm的圆柱形塑料板，能够防止测量过程中的水分蒸发和噪声干扰，并便于观察；底板14是长度为50cm，宽度为30cm，厚度为0.5cm的塑料板；引线孔16的数量为10，直径为1cm；电极引线17的数量为10；固定孔18的数量为5，直径为1cm，分别与连接件10和铁片12的通孔11对应，用于固定混凝土试件1和夹具7；支墩19是长度为30cm，宽度为7cm，高度为5cm的塑料块，以便于在测量时翻转混凝土试件1，观察在不同角度注水时混凝土试件1内部水分的传输过程。

实施例2：

本实施例涉及的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器进行开裂混凝土内部二维非饱和水分传输成像的工艺过程包括：

一、将电极引线17与PTL300E数据采集箱的端口连接，数据采集箱通过RS232端口连接到成像计算机，使监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器、PTL300E数据采集箱和成像计算机组成ECT系统，采用激励、接地和测量三种测量模式和线性反投影算法：进行图像重建，其中，C为归一化电容矢量，S为归一化敏感场矩阵，为归一化介电常数矢量；

二、测定未安装混凝土试件1的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的电容值，定为最小电容值，同时，测量监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的静态电容和耦合电容并存储到数据采集箱中；

三、取直径为15cm，高度为5cm的经干燥处理过的混凝土试件1固定于步骤二的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的内部，将蓄水槽2与蓄水池20连接，每次向蓄水槽2加入25ml水，依次测得试验最小电容值与最大电容值并标定；

四、取出步骤三标定后的混凝土试件1，依次放入不同水灰比的混凝土试件1进行测量，测量时数据采集箱自动消除标定所测误差电容并将最终成像结果呈现于成像计算机；

五、将步骤四的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器翻转180度，并使蓄水槽2、蓄水池20的水面高度与混凝土试件1的顶面保持一致，保证测量过程中水与混凝土试件1接触，观察在不同角度注水时混凝土试件1内部水分的传输过程；

六、测量完成后导出数据并进行数据处理，绘制不同水灰比混凝土试件1的水分传输变化曲线，绘制水分随时间进入混凝土试件1的介电常数变化曲线，根据相介电常数与吸水体积的函数关系得到水分进入的定量信息，将混凝土试件1的二维水分传输成像图像与从混凝土试件1的正面拍摄的照片比较，验证成像的准确性。

实施例3：

本实施例涉及的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器进行水分传输成像原理为：不同物质具有不同的介电常数，水的相对介电常数约为80，远大于干混凝土的相对介电常数(约为6-8)，因此，水进入干混凝土后，其相对介电常数发生明显变化，进而引起电容值的变化，测量电容值的变化反映了水分在干混凝土内部的分布情况，采用多电极阵列传感器测得水分在不同位置处的电容信号作为投影数据，通过图像重建算法能够重建出反应干混凝土内部水分分布的图像。

Claims (3)

1.一种监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器，其特征在于主体结构包括蓄水槽、绝缘管、电极板、径向屏蔽电极、绝缘层、夹具、螺纹杆、螺母、连接件、通孔、铁片、顶板、底板、垫块、引线孔、电极引线、固定孔和支墩；圆柱形结构的混凝土试件的侧表面粘贴有蓄水槽，混凝土试件未粘贴蓄水槽的侧表面上敷设有绝缘管，绝缘管的外侧面等间距式粘贴有电极板，电极板之间设置有径向屏蔽电极，电极板与径向屏蔽电极的外围覆盖有绝缘层，绝缘层的外围套设有夹具，夹具设置有开口，开口向外延伸，开口处通过螺纹杆和螺母连接和固定，开口处设置有连接件，夹具的左侧、右侧和下方焊接有开设通孔的铁片，混凝土试件的顶面设置有顶板，混凝土试件的底面设置有底板，混凝土试件与底板之间设置有垫块，底板的中心开设有引线孔，与电极板连接的电极引线通过引线孔引出，底板上开设有固定孔，底板的角部与支墩连接。

2.根据权利要求1所述的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器，其特征在于混凝土试件与蓄水槽之间通过硅酮胶粘贴式连接，混凝土试件是直径为15cm，高度为5cm的圆柱体，蓄水槽是长度、宽度和高度分别为25cm、7cm和5cm的塑料槽，采用硅酮胶填缝，蓄水槽上印制有刻度线；绝缘管是直径为15.5cm，高度为5cm，厚度为0.5cm的PVC绝缘管；电极板为铜铂电极板，能够防止混凝土试件与电极引线直接接触对混凝土试件造成污染或对电路造成短路，电极板的数量为10，长度、宽度和高度分别为5cm、4cm和0.1cm时，能够简化结构，提高数据采集速度并降低电极板之间的边缘效应；绝缘层的材质为塑料泡沫，能够防止夹具干扰电容值的测量；夹具的材质为能够降低电磁干扰的不锈钢，直径为16cm，高度为8cm，厚度为0.1cm，开口长度为8cm，向外延伸的长度为6cm；螺纹杆、螺母为六角螺母；连接件为马镫式结构，连接件将夹具与底板连接；顶板是直径为15cm，厚度为0.5cm的圆柱形塑料板，能够防止测量过程中的水分蒸发和噪声干扰，并便于观察；底板是长度为50cm，宽度为30cm，厚度为0.5cm的塑料板；引线孔的数量为10，直径为1cm；电极引线的数量为10；固定孔的数量为5，直径为1cm，分别与连接件和铁片的通孔对应，用于固定混凝土试件和夹具；支墩是长度为30cm，宽度为7cm，高度为5cm的塑料块，以便于在测量时翻转混凝土试件，观察在不同角度注水时混凝土试件内部水分的传输过程。

3.根据权利要求1所述的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器，其特征在于进行开裂混凝土内部二维非饱和水分传输成像的工艺过程包括：

一、将电极引线与PTL300E数据采集箱的端口连接，数据采集箱通过RS232端口连接到成像计算机，使监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器、PTL300E数据采集箱和成像计算机组成ECT系统，采用激励、接地和测量三种测量模式和线性反投影算法：进行图像重建，其中，C为归一化电容矢量，S为归一化敏感场矩阵，为归一化介电常数矢量；

二、测定未安装混凝土试件的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的电容值，定为最小电容值，同时，测量监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的静态电容和耦合电容并存储到数据采集箱中；

三、取直径为15cm，高度为5cm的经干燥处理过的混凝土试件固定于步骤二的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器的内部，将蓄水槽与蓄水池连接，每次向蓄水槽加入25ml水，依次测得试验最小电容值与最大电容值并标定；

四、取出步骤三标定后的混凝土试件，依次放入不同水灰比的混凝土试件进行测量，测量时数据采集箱自动消除标定所测误差电容并将最终成像结果呈现于成像计算机；

五、将步骤四的监测混凝土构件内部水分传输的ECT传感器翻转180度，并使蓄水槽、蓄水池的水面高度与混凝土试件的顶面保持一致，保证测量过程中水与混凝土试件接触，观察在不同角度注水时混凝土试件内部水分的传输过程；

六、测量完成后导出数据并进行数据处理，绘制不同水灰比混凝土试件的水分传输变化曲线，绘制水分随时间进入混凝土试件的介电常数变化曲线，根据相介电常数与吸水体积的函数关系得到水分进入的定量信息，将混凝土试件的二维水分传输成像图像与从混凝土试件的正面拍摄的照片比较，验证成像的准确性。