CN110567513B - 一种混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统及方法，所述预警系统包括主控制模块、多功能传感器模块、防盗模块和临界预警模块，通过多功能传感器模块实现对混凝土内环境参数的监测，并根据不同深度处的温度、湿度、氯离子浓度、pH值，以及动态获得的临界氯离子浓度和结构应力状态，结合寿命预测模型精准预测结构的剩余使用寿命；另外，在进行预警分析时，对采集的数据设计了针对性的修正方法，通过对氯离子传感器的实时监测数据进行温度和pH的修正，进一步保证监测数据的精确性，为结构耐久性评估、防护与修复提供科学依据，具有较高的实际应用价值。

Description

一种混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统及方法
技术领域
本发明属于土木工程材料性能测试设备技术领域，具体涉及一种混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统及方法。
背景技术
在钢筋混凝土结构中，内部结构微环境状况决定钢筋锈蚀情况，进而影响服役中钢筋混凝土结构的使用年限，所述的内部结构微环境状况主要包括温度、湿度、pH值、氯离子浓度和应力应变等参数。尤其是在海洋环境下，钢筋混凝土结构时常受到氯离子侵蚀，导致结构出现过早劣损的现象。
国内外钢筋混凝土结构都面临十分严重的耐久性问题，据统计，我国90年代前修建的海港工程，一般使用10-20年就会出现严重的钢筋锈蚀。而混凝土结构耐久性监测是动态获取钢筋混凝土内部微环境因素最直接、最有效的方法，为准确感知其服役寿命及预警其劣化性能，并为后期防护与修复提供依据。目前市场上监测混凝土内部微环境因素的设备大多是相对独立完成作业，因此不利于信号的同步采集。
以往研究表明，海洋环境下混凝土中钢筋是否发生锈蚀是由内部微环境中多种因素(如温度、湿度、pH值、氯离子浓度、应力应变)耦合作用决定，所以实时掌握海洋环境下混凝土结构微环境和内部钢筋锈蚀状况，并获得上述性能参数随时间变化规律能够为工程的安全性与修复决策提供重要依据。授权公告号为【CN104075756B】的发明专利公开一种混凝土耐久性多元复合无线检测系统，实现对混凝土内部湿度、温度、pH及钢筋锈蚀状况的监测，然而该技术方案并没有给出具体的参数修正方法，以及如何使用这些参数。
众所周知，混凝土结构内部温度会随着使用环境温度变化而变化，而埋入混凝土内部的氯离子传感器，pH传感器是受温度影响的，如果不做修正，其测试结果不准确。另外，通常情况下硬化混凝土内部是呈强碱性的，pH值大于12.5。由于大气中的二氧化碳容易与混凝土内部的氢氧化钙发生反应，生成中性碳酸钙，降低混凝土的pH值。并且一些工业环境中会存在一些酸性气体或者酸性液体，这都会引起混凝土的中性化，而埋入混凝土内部的氯离子传感器是受pH值影响的，如果不做修正，其测试结果不准确，将导致钢筋混凝土结构临界状态的误判。
目前国内外针对氯离子临界浓度做了大量的研究工作，氯离子临界浓度往往受水泥中C3A含量、碱含量、硫酸盐含量，混凝土中粉煤灰掺量、矿粉掺量、硅灰掺量、石灰石粉掺量，钢筋品种，施工质量，服役环境条件等的影响，处于不同环境的钢筋混凝土结构其临界氯离子浓度相差很大。现有技术中关于临界氯离子浓度表述方法有三种：总氯离子浓度方法、自由氯离子浓度方法和[Cl-]/[OH-]方法，根据相关文献报道，总氯离子浓度方法其临界氯离子浓度为总氯离子浓度占胶凝材料重的0.17-2.45％，自由氯离子浓度方法其临界氯离子浓度为自由氯离子浓度占胶凝材料重的0.11-0.48％，[Cl-]/[OH-]方法其临界氯离子浓度为[Cl-]/[OH-]之比为0.12-40％。可以看出，受多种因素的影响，钢筋的临界氯离子浓度不是固定值。在这种情况下，针对服役环境条件的不同钢筋混凝土结构工程，如何设置临界氯离子浓度，及时作出劣化预警，精准预测结构剩余使用寿命，这是目前科学界和工程界急需解决的问题。
发明内容
本发明针对现有预警系统存在的缺陷，提出一种混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统及方法，能够同步、实时监测、储存和传输钢筋混凝土结构内部微环境和钢筋锈蚀的情况，动态获得该结构的临界氯离子浓度，从而及时掌握结构的健康状态，及时作出劣化预警，精准预测结构剩余使用寿命，为结构耐久性评估、防护与修复提供科学依据。
本发明是采用以下的技术方案实现的：一种混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统，包括主控制模块、多功能传感器模块、防盗模块和临界预警模块，所述多功能传感器模块、防盗模块和临界预警模块均与主控制模块相连，主控制模块对所述多功能传感器模块采集的数据进行分析处理，并通过临界预警模块实现及时的安全预警；
所述多功能传感器模块预埋在混凝土结构内部，包括温湿度传感器、氯离子—pH梯度传感器、霍尔电压型钢筋锈蚀传感器、钢筋应力传感器和混凝土应变传感器；温湿度传感器、钢筋应力传感器、混凝土应变传感器用以监测混凝土结构的温度、湿度、钢筋应力和应变参数，所述氯离子—pH梯度传感器用以对混凝土结构内不同深度处氯离子含量、pH值进行检测，所述霍尔电压型钢筋锈蚀传感器用以实现钢筋锈蚀状态和锈蚀量的测量；
所述防盗模块包括网络视频摄像头和防盗报警设备，所述网络视频摄像头用以实现监测区域的视频监控，所述防盗报警设备用以实现对靠近系统设备的人员感知和语音警示，预防设备被盗取和损坏；所述临界预警模块用以实现对混凝土结构劣化进入高危状态的预警，所述高危状态根据主控制模块建模分析得到的结果，根据锈蚀位置处混凝土内部氯离子含量，动态设置临界氯离子浓度。
进一步的，所述主控制模块包括数据预处理模块、动态阈值设定模块和预警分析模块，所述数据预处理模块用以对多功能传感器模块采集的数据进行预处理；所述动态阈值设定模块基于数据预处理模块修正后的氯离子浓度动态修改相应服役环境条件下混凝土结构的临界氯离子浓度，并设定钢筋应力、混凝土应变临界值，所述预警分析模块用以将预处理后的数据与动态阈值设定模块设定的数据进行比较，并得出预警结果传输至临界预警模块进行报警。
进一步的，所述氯离子—pH梯度传感器包括筒状主体，筒状主体上设置有Ag/AgCl电极和Ir/IrOx—pH电极，以及Ag/AgCl电极和Ir/IrOx—pH电极对应的参比电极，筒状主体的外表面沿其周向设置有多层环状凹槽，环状凹槽上预留设置有连通筒状主体厚度方向的导线预留孔，在筒状主体内部与所述环状凹槽相对应的还设置有导线凹槽，Ag/AgCl电极和Ir/IrOx—pH电极分别被制作成半环状，固定在环状凹槽内。
进一步的，所述数据预处理模块还包括对氯离子—pH梯度传感器所采集数据的数据修正模块，以考虑温度和pH两方面的影响，所述数据修正模块包括基于pH影响修正模块和基于温度影响修正模块。
进一步的，所述基于温度影响修正模块实现对Ir/IrOx—pH电极测量数据温度修正和Ag/AgCl电极测量数据温度修正：
(1)Ir/IrOx—pH电极测量数据温度修正：
①通过Ir/IrOx—pH电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ir/IrOx—pH电极的电位值；
②将步骤①中Ir/IrOx—pH电极电位与相应温度实测值线性拟合，得到拟合方程；
③根据拟合方程，得到20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位；
④20℃情况下Ir/IrOx—pH电极电位与pH值符合能斯特方程，Ir/IrOx—pH电极电位y1与pH值x1线性相关，方程如下：y1＝-51.84x1+369.52；
根据步骤③得到的20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位，以及方程y1＝-51.84x1+369.52，得到此刻混凝土内部Ir/IrOx—pH电极位置处的pH值；
(2)Ag/AgCl电极测量数据温度修正：
①通过Ag/AgCl电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ag/AgCl电极的电位值；
②将步骤①中Ag/AgCl电极电位与相应温度实测值线性拟合，得到拟合方程；
③根据拟合方程，得到20℃情况下Ag/AgCl电极的电位；
④20℃情况下Ag/AgCl电极电位与氯离子浓度对数符合能斯特方程，Ag/AgCl电极电位y2与氯离子浓度对数x2线性相关，方程如下：y2＝-683.14x2-531.29；
根据步骤③得到的20℃情况下Ag/AgCl电极的电位，以及方程y2＝-683.14x2-531.29，得到此刻混凝土内部Ag/AgCl电极位置处的氯离子浓度含量。
进一步的，所述基于pH影响修正模块实现对Ag/AgCl电极测量数据pH修正：根据Ir/IrOx—pH电极测量混凝土内部的pH值；如果pH值大于10.5小于13，则无需对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位进行修正；如果pH值大于1小于10.5，则需要对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位y3依据公式y3＝14.26x3+23.58进行pH值x3的修正。
进一步的，所述预警系统还包括云服务器，主控制模块与云服务器进行数据交互，实现对混凝土结构的系统管理，并及时进行数据的修正、存储和更新。
本发明另外还提出一种混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警方法，包括以下步骤：
步骤1、基于多功能传感器模块采集混凝土结构状态数据，所述状态数据包括温度、湿度、氯离子浓度、pH值、钢筋锈蚀参数、钢筋应力和混凝土应变数据，并对所采集的混凝土状态数据进行预处理；
步骤2、基于温度对所采集的混凝土结构内部pH值进行修正，以获得准确的混凝土内部pH值监测结果；
步骤3、基于温度和pH值对所采集的混凝土内部氯离子浓度信息进行修正，以获得准确的混凝土内部氯离子含量监测结果；
步骤4、当某深度处霍尔电压型钢筋锈蚀传感器监测到钢筋发生锈蚀时，预警系统自动将此时该深度处氯离子—pH梯度传感器测得的氯离子浓度作为临界氯离子浓度输入临界预警模块；
步骤5、将混凝土状态监测结果与步骤4所设定的临界氯离子浓度、以及测得的钢筋应力、混凝土应变、混凝土内部温度和湿度参数，基于寿命预测模型计算结构的失效概率，并预测其剩余使用寿命，以及时做出安全预警。
进一步的，所述步骤2中，基于温度对所采集的混凝土结构内部pH值进行修正时，通过对Ir/IrOx—pH电极测量数据温度修正，主要采用以下方式：
①通过Ir/IrOx—pH电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ir/IrOx—pH电极的电位值；
②将步骤①中Ir/IrOx—pH电极电位与相应温度实测值线性进行拟合，以得到拟合方程；
③根据拟合方程，换算得到20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位；
④20℃情况下Ir/IrOx—pH电极电位与pH值符合能斯特方程，Ir/IrOx—pH电极电位y1与pH值x1线性相关，方程如下：y1＝-51.84x1+369.52；
根据步骤③得到的20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位，以及方程y1＝-51.84x1+369.52，得到此刻混凝土内部Ir/IrOx—pH电极位置处的pH值。
进一步的，所述步骤3中，基于温度和pH值对所采集的混凝土内部氯离子浓度信息进行修正时，对Ag/AgCl电极测量数据温度、pH值修正主要采用以下方式：
①通过Ag/AgCl电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ag/AgCl电极的电位值；
②将步骤①中Ag/AgCl电极电位与相应温度实测值线性拟合，得到拟合方程；
③根据拟合方程，换算得到20℃情况下Ag/AgCl电极的电位；
④20℃情况下Ag/AgCl电极电位与氯离子浓度对数符合能斯特方程，Ag/AgCl电极电位y2与氯离子浓度对数x2线性相关，方程如下：y2＝-683.14x2-531.29；
根据步骤③得到的20℃情况下Ag/AgCl电极的电位，以及方程y2＝-683.14x2-531.29，得到此刻混凝土内部Ag/AgCl电极位置处的氯离子浓度含量；
⑤根据Ir/IrOx—pH电极测量混凝土内部的pH值：
如果pH值大于10.5小于13，则无需对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位进行修正；如果pH值大于1小于10.5，则需要对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位y3进行pH值x3修正，修正公式如下：y3＝14.26x3+23.58。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
本发明方案通过多功能传感器模块实现对混凝土内环境参数的监测，并基于氯离子—pH梯度传感器的设计，结合设置在该位置处的温湿度传感器，实现了对混凝土不同梯度氯离子含量和pH值的准确测定，基于梯形布置的霍尔电压型钢筋锈蚀传感器可以原位、精准获得混凝土结构内部不同深度处钢筋的锈蚀状态和锈蚀量；
并且，根据某深度处混凝土结构内部钢筋的锈蚀情况，以及该深度处的氯离子浓度和pH值可得到该服役环境条件下结构的临界氯离子浓度，为结构劣化预警提供精准临界值；根据不同深度处的温度、湿度、氯离子浓度、pH值，以及动态获得的临界氯离子浓度，结构应力状态，结合寿命预测模型(模型考虑温度、湿度、应力状态等参数的影响)，能够精准预测结构的剩余使用寿命，为结构耐久性评估，防护与修复提供科学依据；
另外，对数据进行分析处理时，设计了针对性的修正方法，通过对氯离子传感器的实时监测数据进行温度和pH的修正，进一步保证监测数据的精确性；本发明提出的动态临界氯离子浓度测试方法避免了预设临界氯离子浓度的弊端，大大提高了劣化预警的精度。本方案中设计云服务器，系统数据能够实时与云端对接，可由云端实现统一管理，并基于远程摄像监测实现防盗，具有较高的实用及经济价值。
附图说明
图1为本发明实施例所述智慧感知与劣化预警系统的原理框图；
图2为本发明实施例所述氯离子—pH梯度传感器的立体结构示意图；
图3为氯离子—pH梯度传感器的剖视结构示意图
图4为梯形布置的霍尔电压型钢筋锈蚀传感器。
具体实施方式
为了能够更清楚的理解本发明的上述目的和优点，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细地描述：
实施例1、本实施例公开一种混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统，如图1所示，包括主控制模块、多功能传感器模块、防盗模块和临界预警模块，所述多功能传感器模块、防盗模块和临界预警模块均与主控制模块相连，所述多功能传感器模块预埋在混凝土结构内部，包括温湿度传感器、氯离子—pH梯度传感器、霍尔电压型钢筋锈蚀传感器、钢筋应力传感器和混凝土应变传感器；其中，温湿度传感器、钢筋应力传感器、混凝土应变传感器用以监测混凝土的温度、湿度、钢筋应力、混凝土应变等参数，所述氯离子—pH梯度传感器用以对混凝土内不同深度处氯离子含量、pH值进行检测，所述霍尔电压型钢筋锈蚀传感器基于电磁学理论，基于香农信息熵原理，实现钢筋锈蚀状态和锈蚀量的精准测量。
如图2和3所示，为氯离子—pH梯度传感器的结构示意图，包括筒状主体，筒状主体上设置有Ag/AgCl电极和Ir/IrOx—pH电极，以及Ag/AgCl电极和Ir/IrOx—pH电极对应的参比电极，筒状主体的外表面沿其周向设置有多层环状凹槽1，环状凹槽1上预留设置有连通筒状主体厚度方向的导线预留孔2，在筒状主体内部与所述环状凹槽1相对应的还设置有导线凹槽3，Ag/AgCl电极和Ir/IrOx—pH电极分别被制作成半环状，固定在环状凹槽1内；Ag/AgCl电极和IrOx—pH电极的一端与导线连接，导线插入预留孔2，并经导线凹槽3引出至顶端的航空插头，航空插头插入数据采集箱上相应的航空插座，将数据传入数据采集箱中氯离子—pH梯度传感器模块，将采集到的信号经滤波、修正等换算为氯离子浓度和pH值，所述导线凹槽3铺设导线后用环氧树脂密封。
筒状主体中间安置Ag/AgCl电极和IrOx—pH电极的参比电极，该参比电极为直径为30mm，高度为50mm的Mn/MnO2固态参比电极，将Mn/MnO2固态参比电极放置到筒状主体中间后，向筒状主体内部灌注环氧树酯，本方案采用单参比电极的设置可以避免由于参比电极过多引起的误差。另外筒状主体的表面还设置有螺纹孔4，实际应用时可用塑料螺杆将筒体固定在周边的钢筋上，以确定氯离子—pH梯度传感器在混凝土内部的位置，实现混凝土内部不同深度处氯离子含量和pH值的精准测定。
本方案中，所述Ag/AgCl电极采用阳极极化法制备，极化参数为通电电流密度为通电电流密度为0.5mA/cm2，极化时间为2.5小时，电极制备后，要在饱和氢氧化钙溶液中活化30天以上才能使用，以确保测试数据的精确度；所述Ir/IrOx—pH电极采用高温碳酸氧化法制备，将Ir丝埋入碳酸锂中，然后放到高温炉中，在850℃高温条件下氧化5小时，电极制备后，饱和氢氧化钙溶液中活化20天以上才能使用，以确保测试数据的精确度。
本方案中氯离子—pH梯度传感器具体尺寸设计如下：所述筒状主体的直径为80mm，共设计有7层环状凹槽，每层工作电极之间的距离为10mm(可以根据实际工程需求进行调整)，螺纹孔深度为6mm，直径为6mm，导线凹槽的直径为5mm。
如图4所示，为梯形布置的霍尔电压型钢筋锈蚀传感器安装结构示意图，包括固定支座5和霍尔电压钢筋锈蚀传感器6。固定支座5可以根据实际测试需求任意调整霍尔电压钢筋锈蚀传感器6的位置，霍尔电压钢筋锈蚀传感器6的埋入深度与氯离子—pH梯度传感器中各层传感器的埋入深度相同。霍尔电压钢筋锈蚀传感器6内部设置有一对霍尔传感器，可以精准测量前端所夹持钢筋的锈蚀量。霍尔电压钢筋锈蚀传感器6两侧设置有测量钢筋固定装置，该装置由两对固定防滑弹性装置组成，可以将任意尺寸的钢筋固定在霍尔电压钢筋锈蚀传感器6前端霍尔传感器位置。
基于氯离子—pH梯度传感器和梯形布置的霍尔电压型钢筋锈蚀传感器测量结果可以动态获得实际混凝土结构内部临界氯离子浓度。具体如下：
根据梯形布置的霍尔电压型钢筋锈蚀传感器可以精准获得混凝土内部钢筋的锈蚀状态和锈蚀量，当梯形布置的霍尔电压型钢筋锈蚀传感器监测到混凝土内部某深度处钢筋发生锈蚀时，查阅同一时间、相同深度处氯离子—pH梯度传感器所测得的氯离子浓度即为相应服役环境条件下该结构的临界氯离子浓度。
继续参考图1，所述防盗模块包括网络视频摄像头和防盗报警设备，所述网络视频摄像头用以实现监测区域的视频监控，所述防盗报警设备用以实现对靠近系统设备的人员感知和语音警示，预防设备被盗取和损坏；所述临界预警模块用以实现对混凝土结构劣化进入高危状态的预警。高危状态基于建模分析得到的结果，根据锈蚀位置处混凝土内部氯离子含量，动态设置临界氯离子浓度，所述主控制模块用以对所述多功能传感器模块采集的数据进行分析处理，并通过临界预警模块实现及时的安全预警。
具体的，所述主控制模块包括数据预处理模块、动态阈值设定模块和预警分析模块。所述数据预处理模块用以对多功能传感器模块采集的数据进行预处理，实施方式如下：温湿度探头采集到温湿度数据之后，将数据直接转换成数字量，然后通过IIC总线将数据转换结果汇总到主控电路板；温度传感器使用PT1000热电阻进行采集，传感器的电阻值随温度变化而发生变化，将此传感器串联接入主控电路中，通过ADC转换得到的电压值，计算得到传感器当前的电阻值，查表得到当前的温度值，此温度值由主控电路板芯片直接采集得到；混凝土应变和钢筋应力信号，使用正弦信号采集模块，采集到传感器输出的频率值，将此频率值通过485总线汇总到主控电路板；氯离子传感器信号，pH传感器信号和霍尔电压型钢筋锈蚀传感器，使用运放进行电压跟随和放大之后，由主控单片机的ADC采集模块直接进行电压转换，将转换到的电压值，5次电压转换值进行均值滤波得到结果。主控电路板单片机将上述所有的信号采集数据结果汇总到一块之后，将数据打包传输给GPRS数据远程传输模块，由GPRS模块转发到云端服务器，云端服务器接收到数据之后进行数据协议解析和输出处理，然后存储到数据库中。
另外，本实施例所述预警系统还包括云服务器，主控制模块与云服务器实现数据交互，以实现对钢筋混凝土结构的系统管理，并能够实现数据的修正、存储和更新。通过本地pc软件，根据前述监测参数的预警阈值，当采集数据上传到平台后，进行数据处理，如果相关参数超过阈值，向系统管理员自动推送预警信息，再由系统管理员进一步判断和处理。
本地PC端软件通过网络将数据从云端服务器中获取到之后，按照试验得到的数据转换关系，将得到的传感器采集的原始数据转换成实际的物理信号量，并在软件中进行数据展示。所述动态阈值设定模块根据前述临界氯离子浓度确定方法动态修改相应服役环境条件下结构的临界氯离子浓度，设定钢筋应力、混凝土应变临界值；所述预警分析模块用以将预处理后的数据与动态阈值设定模块设定的数据进行比较，并得出预警结果传输至临界预警模块进行报警；考虑到本方案所采用的氯离子—pH梯度传感器的特殊性，即温度和pH对Ag/AgCl电极测量数据的影响，需要对其所采集的数据进行修正处理，所述数据预处理模块还包括对氯离子—pH梯度传感器所采集数据的数据修正模块，主要考虑温度和pH两方面的影响，所述数据修正模块包括基于pH影响修正模块和基于温度影响修正模块，修正原理如下：
(1)Ir/IrOx—pH电极测量数据温度修正步骤如下：
通过实验建模分析可知，本方案提到的Ir/IrOx—pH电极测试电位与温度线性相关，而且不同pH情况下的线性相关系数不同，所以，如果将该电极用于测试混凝土中的pH值，必须进行温度修正，具体的：
①通过Ir/IrOx—pH电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ir/IrOx—pH电极的电位值；
②将步骤①中Ir/IrOx—pH电极电位与相应温度实测值线性拟合，得到拟合方程；
③根据拟合方程，得到20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位；
④20℃情况下Ir/IrOx—pH电极电位与pH值符合能斯特方程，Ir/IrOx—pH电极电位(y1)与pH值(x1)线性相关，方程如下：y1＝-51.84x1+369.52。
根据步骤③得到的20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位，以及方程y1＝-51.84x1+369.52，就可以换算得到此刻混凝土内部Ir/IrOx—pH电极位置处的pH值。
(2)Ag/AgCl电极测量数据温度修正步骤如下：
另外，本方案提到的Ag/AgCl电极测试电位与温度线性相关，而且不同温度情况下的线性相关系数不同，所以，如果将该电极用于测试混凝土中的氯离子浓度，必须进行温度修正，具体的：
①通过Ag/AgCl电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ag/AgCl电极的电位值；
②将步骤①中Ag/AgCl电极电位与相应温度实测值线性拟合，得到拟合方程；
③根据拟合方程，换算得到20℃情况下Ag/AgCl电极的电位；
④20℃情况下Ag/AgCl电极电位与氯离子浓度对数符合能斯特方程，Ag/AgCl电极电位(y2)与氯离子浓度对数(x2)线性相关，方程如下：y2＝-683.14x2-531.29。
根据步骤③得到的20℃情况下Ag/AgCl电极的电位，以及方程y2＝-683.14x2-531.29，就可以换算得到此刻混凝土内部Ag/AgCl电极位置处的氯离子浓度含量。
(3)Ag/AgCl电极测量数据pH修正步骤如下：
研究发现：本方案提到的Ag/AgCl电极测试电位受pH的影响。当pH值大于1小于10.5时，电极的电位随着pH值的升高而线性增加；而当pH值大于10.5小于13时，电极的电位不受pH值的影响。所以，如果将该电极用于测试混凝土中的氯离子浓度，必须进行pH值修正。
①根据Ir/IrOx—pH电极测量混凝土内部的pH值；
②如果pH值大于10.5小于13，则无需对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位进行修正；
③如果pH值大于1小于10.5，则需要对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位(y3)进行pH值(x3)修正，修正公式如下：y3＝14.26x3+23.58。
通过上述数据修正，可以获得更为准确的监测数据，从而为准确预警提供精准的数据保障。
实施例2，基于实施例1所提出的混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统，本实施例公开一种对应的预警方法，具体包括以下步骤：
步骤1、基于多功能传感器模块采集混凝土状态数据，所述状态数据包括温度、湿度、氯离子浓度、pH值、钢筋锈蚀参数、钢筋应力和混凝土应变数据，并对所采集的混凝土状态数据进行预处理；
步骤2、基于温度对所采集的混凝土内部pH值进行修正，以获得准确的混凝土内部pH值监测结果；
步骤3、基于温度和pH值对所采集的混凝土内部氯离子浓度信息进行修正，以获得准确的混凝土内部氯离子含量监测结果；
步骤4、当某深度处霍尔电压型钢筋锈蚀传感器监测到钢筋发生锈蚀时，系统自动将此时该深度处氯离子—pH梯度传感器测得的氯离子浓度作为临界氯离子浓度输入临界预警模块；
步骤5、将混凝土状态监测结果与步骤4动态设定的临界氯离子浓度，以及测得的钢筋应力、混凝土应变、混凝土内部温度、湿度等参数预测其剩余使用寿命，及时做出安全预警。
其中，步骤1中，所述多功能传感器模块预埋在混凝土中，包括温湿度传感器、氯离子—pH梯度传感器、霍尔电压型钢筋锈蚀传感器、钢筋应力传感器和混凝土应变传感器；温湿度传感器、钢筋应力传感器、混凝土应变传感器用以监测混凝土内部不同深度处的温度、湿度、钢筋应力和混凝土应变等状态信息，所述霍尔电压型钢筋锈蚀传感器基于电磁学理论，利用香农信息熵原理，实现混凝土内部不同深度处钢筋锈蚀状态和锈蚀量的精准测量，所述氯离子—pH梯度传感器用以对混凝土内不同深度处的氯离子、pH进行精准测试。
步骤2中，对Ir/IrOx—pH电极测量数据温度修正主要采用以下方式：
①通过Ir/IrOx—pH电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ir/IrOx—pH电极的电位值；
②将步骤①中Ir/IrOx—pH电极电位与相应温度实测值线性拟合，得到拟合方程；
③根据拟合方程，换算得到20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位；
④20℃情况下Ir/IrOx—pH电极电位与pH值符合能斯特方程，Ir/IrOx—pH电极电位(y1)与pH值(x1)线性相关，方程如下：y1＝-51.84x1+369.52；根据步骤③得到的20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位，以及方程y1＝-51.84x1+369.52，就可以换算得到此刻混凝土内部Ir/IrOx—pH电极位置处的pH值。
步骤3中，对Ag/AgCl电极测量数据温度、pH值修正主要采用以下方式：
①通过Ag/AgCl电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ag/AgCl电极的电位值；
②将步骤①中Ag/AgCl电极电位与相应温度实测值线性拟合，得到拟合方程；
③根据拟合方程，换算得到20℃情况下Ag/AgCl电极的电位；
④20℃情况下Ag/AgCl电极电位与氯离子浓度对数符合能斯特方程，Ag/AgCl电极电位(y2)与氯离子浓度对数(x2)线性相关，方程如下：y2＝-683.14x2-531.29。根据步骤③得到的20℃情况下Ag/AgCl电极的电位，以及方程y2＝-683.14x2-531.29，就可以换算得到此刻混凝土内部Ag/AgCl电极位置处的氯离子浓度含量。
⑤根据Ir/IrOx—pH电极测量混凝土内部的pH值；
⑥如果pH值大于10.5小于13，则无需对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位进行修正；
⑦如果pH值大于1小于10.5，则需要对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位(y3)进行pH值(x3)修正，修正公式如下：y3＝14.26x3+23.58。
另外，步骤4中根据锈蚀钢筋位置处的氯离子浓度，动态设置临界氯离子浓度到临界预警模块；然后步骤5中将混凝土状态监测结果与步骤4动态设定的临界氯离子浓度，以及测得的钢筋应力、混凝土应变、混凝土内部温度、湿度等参数，根据寿命预测模型获得结构的失效概率，并预测期剩余使用寿命，及时做出安全预警。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统，其特征在于：包括主控制模块、多功能传感器模块、防盗模块和临界预警模块，所述多功能传感器模块、防盗模块和临界预警模块均与主控制模块相连，主控制模块对所述多功能传感器模块采集的数据进行分析处理，并通过临界预警模块实现及时的安全预警；
所述多功能传感器模块预埋在混凝土结构内部，包括温湿度传感器、氯离子—pH梯度传感器、霍尔电压型钢筋锈蚀传感器、钢筋应力传感器和混凝土应变传感器；温湿度传感器、钢筋应力传感器、混凝土应变传感器用以监测混凝土结构的温度、湿度、钢筋应力和应变参数，所述氯离子—pH梯度传感器用以对混凝土结构内不同深度处氯离子含量、pH值进行检测，所述霍尔电压型钢筋锈蚀传感器用以实现钢筋锈蚀状态和锈蚀量的测量；
所述防盗模块包括网络视频摄像头和防盗报警设备，所述网络视频摄像头用以实现监测区域的视频监控，所述防盗报警设备用以实现对靠近系统设备的人员感知和语音警示，预防设备被盗取和损坏；所述临界预警模块用以实现对混凝土结构劣化进入高危状态的预警，所述高危状态根据主控制模块建模分析得到的结果，根据锈蚀位置处混凝土内部氯离子含量，动态设置临界氯离子浓度；
所述主控制模块包括数据预处理模块、动态阈值设定模块和预警分析模块，所述数据预处理模块用以对多功能传感器模块采集的数据进行预处理；所述动态阈值设定模块基于数据预处理模块修正后的氯离子浓度动态修改相应服役环境条件下混凝土结构的临界氯离子浓度，并设定钢筋应力、混凝土应变临界值，所述预警分析模块用以将预处理后的数据与动态阈值设定模块设定的数据进行比较，并得出预警结果传输至临界预警模块进行报警；
所述数据预处理模块还包括对氯离子—pH梯度传感器所采集数据的数据修正模块，以考虑温度和pH两方面的影响，所述数据修正模块包括基于pH影响修正模块和基于温度影响修正模块：
所述基于温度影响修正模块实现对Ir/IrOx—pH电极测量数据温度修正和Ag/AgCl电极测量数据温度修正：
(1)Ir/IrOx—pH电极测量数据温度修正：
①通过Ir/IrOx—pH电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ir/IrOx—pH电极的电位值；
②将步骤①中Ir/IrOx—pH电极电位与相应温度实测值线性拟合，得到拟合方程；
③根据拟合方程，得到20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位；
④20℃情况下Ir/IrOx—pH电极电位与pH值符合能斯特方程，Ir/IrOx—pH电极电位y1与pH值x1线性相关，方程如下：y1＝-51.84x1+369.52；
根据步骤③得到的20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位，以及方程y1＝-51.84x1+369.52，得到此刻混凝土内部Ir/IrOx—pH电极位置处的pH值；
(2)Ag/AgCl电极测量数据温度修正：
①通过Ag/AgCl电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ag/AgCl电极的电位值；
②将步骤①中Ag/AgCl电极电位与相应温度实测值线性拟合，得到拟合方程；
③根据拟合方程，得到20℃情况下Ag/AgCl电极的电位；
④20℃情况下Ag/AgCl电极电位与氯离子浓度对数符合能斯特方程，Ag/AgCl电极电位y2与氯离子浓度对数x2线性相关，方程如下：y2＝-683.14x2-531.29；
根据步骤③得到的20℃情况下Ag/AgCl电极的电位，以及方程y2＝-683.14x2-531.29，得到此刻混凝土内部Ag/AgCl电极位置处的氯离子浓度含量。
2.根据权利要求1所述的混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统，其特征在于：所述氯离子—pH梯度传感器包括筒状主体，筒状主体上设置有Ag/AgCl电极和Ir/IrOx—pH电极，以及Ag/AgCl电极和Ir/IrOx—pH电极对应的参比电极，筒状主体的外表面沿其周向设置有多层环状凹槽，环状凹槽上预留设置有连通筒状主体厚度方向的导线预留孔，在筒状主体内部与所述环状凹槽相对应的还设置有导线凹槽，Ag/AgCl电极和Ir/IrOx—pH电极分别被制作成半环状，固定在环状凹槽内。
3.根据权利要求1所述的混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统，其特征在于：所述基于pH影响修正模块实现对Ag/AgCl电极测量数据pH修正：根据Ir/IrOx—pH电极测量混凝土内部的pH值；如果pH值大于10.5小于13，则无需对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位进行修正；如果pH值大于1小于10.5，则需要对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位y3依据公式y3＝14.26x3+23.58进行pH值x3的修正。
4.根据权利要求1所述的混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统，其特征在于：所述预警系统还包括云服务器，主控制模块与云服务器进行数据交互，实现对混凝土结构的系统管理，并及时进行数据的修正、存储和更新。
5.基于权利要求1-4任一项所述的混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统的预警方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、基于多功能传感器模块采集混凝土结构状态数据，所述状态数据包括温度、湿度、氯离子浓度、pH值、钢筋锈蚀参数、钢筋应力和混凝土应变数据，并对所采集的混凝土状态数据进行预处理；
步骤2、基于温度对所采集的混凝土结构内部pH值进行修正，通过对Ir/IrOx—pH电极测量数据温度修正，以获得准确的混凝土内部pH值监测结果；
①通过Ir/IrOx—pH电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ir/IrOx—pH电极的电位值；
②将步骤①中Ir/IrOx—pH电极电位与相应温度实测值线性进行拟合，以得到拟合方程；
③根据拟合方程，换算得到20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位；
④20℃情况下Ir/IrOx—pH电极电位与pH值符合能斯特方程，Ir/IrOx—pH电极电位y1与pH值x1线性相关，方程如下：y1＝-51.84x1+369.52；
根据步骤③得到的20℃情况下Ir/IrOx—pH电极的电位，以及方程y1＝-51.84x1+369.52，得到此刻混凝土内部Ir/IrOx—pH电极位置处的pH值；
步骤3、基于温度和pH值对所采集的混凝土内部氯离子浓度信息进行修正，以获得准确的混凝土内部氯离子含量监测结果；
步骤4、当某深度处霍尔电压型钢筋锈蚀传感器监测到钢筋发生锈蚀时，预警系统自动将此时该深度处氯离子—pH梯度传感器测得的氯离子浓度作为临界氯离子浓度输入临界预警模块；
步骤5、将混凝土状态监测结果与步骤4所设定的临界氯离子浓度、以及测得的钢筋应力、混凝土应变、混凝土内部温度和湿度参数，基于寿命预测模型计算结构的失效概率，并预测其剩余使用寿命，以及时做出安全预警。
6.根据权利要求5所述的混凝土结构全寿命性能智慧感知与劣化预警系统的预警方法，其特征在于：所述步骤3中，基于温度和pH值对所采集的混凝土内部氯离子浓度信息进行修正时，对Ag/AgCl电极测量数据温度、pH值修正主要采用以下方式：
①通过Ag/AgCl电极测量两个不同温度情况下混凝土内部Ag/AgCl电极的电位值；
②将步骤①中Ag/AgCl电极电位与相应温度实测值线性拟合，得到拟合方程；
③根据拟合方程，换算得到20℃情况下Ag/AgCl电极的电位；
④20℃情况下Ag/AgCl电极电位与氯离子浓度对数符合能斯特方程，Ag/AgCl电极电位y2与氯离子浓度对数x2线性相关，方程如下：y2＝-683.14x2-531.29；
根据步骤③得到的20℃情况下Ag/AgCl电极的电位，以及方程y2＝-683.14x2-531.29，得到此刻混凝土内部Ag/AgCl电极位置处的氯离子浓度含量；
⑤根据Ir/IrOx—pH电极测量混凝土内部的pH值：
如果pH值大于10.5小于13，则无需对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位进行修正；如果pH值大于1小于10.5，则需要对此时相同深度处的Ag/AgCl电极电位y3进行pH值x3修正，修正公式如下：y3＝14.26x3+23.58。
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