CN115128128A - 一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器、监测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及混凝土钢筋耐久性监测技术领域，具体公开了一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器、监测系统及方法，传感器包括外保护壳、测量元件、测量主板以及数据传输接口，其中，测量元件包括一体设置的测量部与参考部，测量部位于外保护壳的外侧，参考部位于外保护壳的内侧；测量主板上设有数据采集电路、主控芯片以及供电电路；数据采集电路与测量元件电连接；主控芯片与数据采集电路电连接；供电电路与数据采集电路、主控芯片电连接；数据传输接口安装在外保护壳远离测量元件的一端，且数据采集接口与主控芯片及供电电路电连接。本发明实现了长距离的钢筋腐蚀监测目的，解决了现有技术中数据线采集过长导致的测量精度差、数据失真的问题。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土钢筋耐久性监测技术领域，尤其涉及一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器、监测系统及方法。
背景技术
在解决钢筋锈蚀和预防措施方面，特别是钢筋的锈蚀检测技术研究近年来也取得了阶段性研究成果。钢筋混凝土结构腐蚀无损检测技术按照检测原理可分为分析法、物理法、电化学方法等。分析法根据现场实测的钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、有害离子的浸入深度及其含量、纵向裂缝宽度等数据，综合考虑构件所处的环境情况推断钢筋腐蚀程度；物理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，主要方法有电阻探头法、声发射探测法、涡流探测法、射线法及红外线热成像法等。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有力手段，与分析法或物理法相比，电化学方法还有测试速度快、灵敏度高、可连续跟踪和原位测量等优点，因而电化学检测方法得到了很大的重视和发展，但因其测量环境要求苛刻、测量稳定性较差等不足限制了该技术在工程中的应用。
目前，无论是公开号为CN106078601A、专利名称为“一种用于多功能在线腐蚀监测探针拆装的工具及方法”的发明专利所采用的管道电阻法腐蚀监测技术，还是公开号为CN102128784A、专利名称为“一种电偶电化学噪声腐蚀监测探针”的发明专利基于电化学集成监测方法的专利技术，在工程现场应用中均存在一个问题是数据采集线不能过长，当数据采集线过长就会使得电线的阻抗太大，影响监测传感器的测量精度，从而不能有效应用在建筑工程中。
因此，需要寻找一种能够应用在长距离的钢筋混凝土结构中且测量精度能够保证的方案来解决上述问题。
发明内容
针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器、监测系统及方法。
本发明包括一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，传感器包括外保护壳、测量元件、测量主板以及数据传输接口，其中，
测量元件包括一体设置的测量部与参考部，测量部位于外保护壳的外侧，参考部位于外保护壳的内侧；
测量主板上设有数据采集电路、主控芯片以及供电电路；数据采集电路与测量元件电连接；主控芯片与数据采集电路电连接；供电电路与数据采集电路、主控芯片电连接，且供电电路与参考部的尾端电连接；
数据传输接口安装在外保护壳远离测量元件的一端，且数据采集接口与主控芯片及供电电路电连接。
进一步的，传感器还包括固定骨架和第一连接接头，其中，
固定骨架设置于外保护壳内，固定骨架上开设有安装槽，测量主板的两端固定安装在安装槽的两端；
第一连接接头螺旋安装于外保护壳前端，且第一连接接头与外保护壳之间密封安装；测量元件安装在第一连接接头上，且测量部位于第一连接接头的外部，参考部位于第一连接接头的内部；测量主板上还设有与第一连接接头相适配的第一插头，第一插头插接于第一连接接头上，供电电路和数据采集电路通过第一插头及第一连接接头与测量元件电连接。
进一步的，传感器还包括第二连接接头，其中，
第二连接接头螺旋安装于外保护壳后端，且第二连接接头与外保护壳之间密封安装；数据传输接口安装在第二连接接头的外侧，测量主板上还设有与第二连接接头相适配的第二插头，主控芯片以及供电电路通过第二插头及第二连接接头与数据传输接口电连接。
进一步的，数据采集电路包括电阻R1和电阻R2，电阻R1的第一端、参考部的尾端均与供电电路电连接，电阻R1的第二端与电阻R2的第一端连接，电阻R2的第二端与测量部的尾端均接地；主控芯片与电阻R1的第二端以及与测量部和参考部的分界点电连接。
进一步的，测量元件为顶端封闭的空心金属圆管。
进一步的，测量元件的材质与建筑装基础钢筋的材质相同。
进一步的，外保护壳为细长杆状。
进一步的，测量主板上还设有温度传感器，温度传感器与供电电路以及主控芯片电连接。
本发明还包括一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测系统，监测系统包括上述的传感器，还包括与传感器电连接的数据转换器、与数据转换器通讯连接的服务器，以及与服务器及数据转换器通讯连接的监测终端。
本发明还包括一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测方法，基于上述监测系统实现，包括步骤：
在钢筋混凝土结构中预埋传感器，将数据转换器通过数据传输接口与传感器电连接；
传感器将检测信息向数据转换器发送；
数据转换器将检测信息进行转换并向监测终端以及服务器发送；
服务器对检测信息进行分析计算生成分析计算结果，并将分析计算结果向监控终端发送；
监测终端显示检测信息以及分析计算结果。
本发明的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器、监测系统及方法，通过设计包括测量元件、测量主板以及外保护壳等结构，对深埋于混凝土钢筋内部的腐蚀情况进行评估，再通过数据传输接口实现检测数据的长距离输送，实现了长距离的钢筋腐蚀监测目的，适用于多种环境下长距离传输的混凝土钢筋腐蚀的连续监测，解决了现有技术中数据线采集过长导致的测量精度差、数据失真的问题，且本方案易于实现，具有非常高的可靠性，所得的检测结果可被用于预测被检钢筋的使用寿命，对混凝土钢筋结构的预维修提供有效的参考依据，进而有利于混凝土钢筋长周期运行。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明实施例的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器的结构组成图；
图3为本发明实施例的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器的测量原理图；
图4为本发明实施例的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测系统的结构组成图；
图5为本发明实施例的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测方法的步骤流程图；
其中：1-外保护壳、2-测量元件、201-测量部、202-参考部、3-测量主板、 301-数据采集电路、302-主控芯片、303-供电电路、304-温度传感器、4-数据传输接口、5-固定骨架、501-安装槽、6-第一连接接头、7-第二连接接头、100- 传感器、200-数据转换器、300-服务器、400-监测终端。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例的一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，如图1至图3所示，传感器包括外保护壳1、测量元件2、测量主板3以及数据传输接口4，其中，测量元件2包括一体设置的测量部201与参考部202，测量部201位于外保护壳1的外侧，参考部202位于外保护壳1的内侧；测量主板3上设有数据采集电路301、主控芯片302以及供电电路303；数据采集电路301与测量元件2 电连接；主控芯片302与数据采集电路301电连接；供电电路303与数据采集电路301、主控芯片302电连接，且供电电路303与参考部202的尾端电连接；数据传输接口4安装在外保护壳1远离测量元件2的一端，且数据传输接口4 与主控芯片302及供电电路303电连接。
本发明实施例的传感器通过数据传输接口4与外部供电设备相连接，实现为数据采集电路301、主控芯片302、供电电路303进行供电，使得传感器能够对混凝土内钢筋的腐蚀情况进行检测；主控芯片302与数据采集电路301电连接，用于获取数据采集电路301所得的测量信号，进而对该测量信号进行分析计算，得出对混凝土内钢筋的腐蚀情况的检测结果，再通过数据传输接口4向外部监测设备发送。
本发明实施例的检测关键在于所设置的测量元件2，传感器在使用时需先预埋于混凝土中，由于测量部201位于外保护壳1的外侧，而参考部202位于外保护壳1的内侧，所以测量部201会受到混凝土的腐蚀，发生壁厚减薄Δh，电阻值发生ΔR的变化，而参考部202却保持原状，电阻并不会发生变化，通过数据采集电路301的接入，由主控芯片302进行检测，能够得知电阻值的变化情况，继而得知测量部201的腐蚀减薄量，实现传感器对混凝土腐蚀情况的检测。
当所用测量元件2的材质与建筑装基础钢筋的材质相同时，就能够将测量部201的腐蚀率代表钢筋的腐蚀率，所以，本发明的测量原件的材质根据混凝土内钢筋的材质进行选定，以达到准确的测量结果。作为优选的，本发明实施例中的测量元件2为顶端封闭的空心金属圆管。
具体的，如图1和图2所示，本发明实施例的传感器还包括固定骨架5和第一连接接头6，其中，固定骨架5设置于外保护壳1内，固定骨架5上开设有安装槽501，测量主板3的两端固定安装在安装槽501的两端；第一连接接头6 螺旋安装于外保护壳1前端，且第一连接接头6与外保护壳1之间密封安装；测量元件2安装在第一连接接头6上，且测量部201位于第一连接接头6的外部，参考部202位于第一连接接头6的内部；测量主板3上还设有与第一连接接头6相适配的第一插头(图中未示出)，第一插头插接于第一连接接头6上，供电电路303和数据采集电路301通过第一插头及第一连接接头6与测量元件2 电连接。
具体的，如图1和图2所示，本发明实施例的传感器还包括第二连接接头7，其中，第二连接接头7螺旋安装于外保护壳1后端，且第二连接接头7与外保护壳1之间密封安装；数据传输接口4安装在第二连接接头7的外侧，测量主板3上还设有与第二连接接头7相适配的第二插头，主控芯片302以及供电电路303通过第二插头及第二连接接头7与数据传输接口4电连接。
本实施例的传感器通过第一连接接头6、第二连接接头7、第一插头以及第二插头，实现各部件的快速安装与供电，且第一连接接头6、第二连接接头7与外保护壳1之间密封连接，使得传感器在工作过程中不会发生液体渗入的情况，从而保证传感器的正常运行。
优选的，本发明实施例的传感器中，外保护壳1和固定骨架5选用钛合金材质制造，从而提升传感器的强度，能够适应混凝土环境下约50MPa的压力，确保检测的顺利进行。第一连接接头6和第二连接接头7分别螺旋安装于外保护壳1的前端和后端，便于组装与部件的更换。
具体的，如图1至图3所示，本发明实施例的传感器中，数据采集电路301 包括电阻R1和电阻R2，电阻R1的第一端、参考部202的尾端均与供电电路303 电连接，电阻R1的第二端与电阻R2的第一端连接，电阻R2的第二端与测量部 201的尾端均接地；主控芯片302与电阻R1的第二端以及与测量部201和参考部202的分界点电连接。测量元件2中的测量部201和参考部202分别具有一定的电阻值，与电阻R1和电阻R2共同组成电桥结构，主控芯片302进行电桥电压的测量，进而可以计算出测量部201的电阻变化。在初始情况下，本实施例的电阻R1和电阻R2以及测量部201、参考部202的电阻值相等，当供电电路 303为电桥一端提供正电压(例如24V直流电压)时，主控芯片302所测的两端 (一端为电阻R1的第二端，另一端为测量部201和参考部202的分界点)电压值相等，故所测电势为零，而当测量部201收到混凝土的腐蚀作用之后，由于发生了电阻值的变化，所以主控芯片302所测的两端电压值不再相等，通过两端压差就可计算出测量部201变化之后的电阻值，从而推算出测量部201的腐蚀量。
具体的，本发明实施例的传感器中，结合建筑桩基础小空间的特点，传感器整体尺寸设计为细长杆状，其外保护壳1也设计为细长杆状，传感器整体封闭式，在可能范围内尽力小巧。
具体的，如图2所示，本发明实施例的传感器中，测量主板3上还设有温度传感器304，温度传感器304与供电电路303以及主控芯片302电连接。本实施例的传感器增设温度传感器304，使得腐蚀检测信息与外界温度相关联，从而能够计算分析出更加准确的检测结果。
具体的，本发明实施例的传感器中，测量主板3上还设有信息存储芯片，信息存储芯片与主控芯片302电连接，用于对主控芯片302获得的检测信息进行存储，本实施例不限定信息存储芯片的类型，本领域技术人员可自行选用。
本发明实施例的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，通过设计包括测量元件、测量主板以及外保护壳等结构，对深埋于混凝土钢筋内部的腐蚀情况进行评估，再通过数据传输接口实现检测数据的长距离输送，实现了长距离的钢筋腐蚀监测目的，适用于多种环境下长距离传输的混凝土钢筋腐蚀的连续监测，解决了现有技术中数据线采集过长导致的测量精度差、数据失真的问题，且本方案易于实现，具有非常高的可靠性，所得的检测结果可被用于预测被检钢筋的使用寿命，对混凝土钢筋结构的预维修提供有效的参考依据，进而有利于混凝土钢筋长周期运行。
本发明还包括一种实施例为一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测系统，如图4 所示，监测系统包括上述实施例的传感器100，还包括与传感器100电连接的数据转换器200、与数据转换器200通讯连接的服务器300，以及与服务器300及数据转换器200通讯连接的监测终端400。
传感器100将检测信息按照设定的时间段向数据转换器200发送，数据转换器200对检测信息进行转换得到确切的数据信息，该数据信息可传输至服务器300，由服务器300进行分析计算，也可传输至监测终端400进行显示，服务器300对数据信息的分析计算结果也可传输至监测终端400进行显示。本发明实施例不具体限定数据的转换以及分析计算过程，该过程可结合现有技术实现，除简单的参数计算，还可结合历史数据进行曲线分析，同时结合环境参数，例如压强、温度、湿度等，对曲线变化进行分析等。
本发明实施例的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测系统，在传感器实现腐蚀检测的基础上，对检测信息进行实时的计算分析以及显示，实现对混凝土钢筋的腐蚀监测。
本发明的实施例还包括一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测方法，基于上述实施例的监测系统实现，如图5所示，包括步骤：
步骤S10：在钢筋混凝土结构中预埋传感器，将数据转换器通过数据传输接口与传感器电连接。
步骤S20：传感器将检测信息进行转换并向数据转换器发送。
步骤S30：数据转换器将检测信息向监测终端以及服务器发送。
步骤S40：服务器对检测信息进行分析计算生成分析计算结果，并将分析计算结果向监控终端发送。
步骤S50：监测终端显示检测信息以及分析计算结果。
本发明实施例的方法基于上述实施例的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测系统实现，如图4所示，监测系统包括上述实施例的传感器100，还包括与传感器100 电连接的数据转换器200、与数据转换器200通讯连接的服务器300，以及与服务器300及数据转换器200通讯连接的监测终端400。如图1至图3所示，传感器包括外保护壳1、测量元件2、测量主板3以及数据传输接口4，其中，测量元件2包括一体设置的测量部201与参考部202，测量部201位于外保护壳1的外侧，参考部202位于外保护壳1的内侧；测量主板3上设有数据采集电路301、主控芯片302以及供电电路303；数据采集电路301与测量元件2电连接；主控芯片302与数据采集电路301电连接；供电电路303与数据采集电路301、主控芯片302电连接，且供电电路303与参考部202的尾端电连接；数据传输接口4 安装在外保护壳1远离测量元件2的一端，且数据传输接口4与主控芯片302 及供电电路303电连接。传感器还包括固定骨架5和第一连接接头6，其中，固定骨架5设置于外保护壳1内，固定骨架5上开设有安装槽501，测量主板3的两端固定安装在安装槽501的两端；第一连接接头6螺旋安装于外保护壳1前端，且第一连接接头6与外保护壳1之间密封安装；测量元件2安装在第一连接接头6上，且测量部201位于第一连接接头6的外部，参考部202位于第一连接接头6的内部；测量主板3上还设有与第一连接接头6相适配的第一插头 (图中未示出)，第一插头插接于第一连接接头6上，供电电路303和数据采集电路301通过第一插头及第一连接接头6与测量元件2电连接。传感器还包括第二连接接头7，其中，第二连接接头7螺旋安装于外保护壳1后端，且第二连接接头7与外保护壳1之间密封安装；数据传输接口4安装在第二连接接头7 的外侧，测量主板3上还设有与第二连接接头7相适配的第二插头，主控芯片 302以及供电电路303通过第二插头及第二连接接头7与数据传输接口4电连接。
对于各步骤的功能说明，也可直接参考前述关于监测系统和传感器的相关实施例，此处将不再赘述。
本发明实施例的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测方法，在传感器实现腐蚀检测的基础上，对检测信息进行实时的计算分析以及显示，实现对混凝土钢筋的腐蚀监测。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (10)
1.一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，其特征在于，所述传感器包括外保护壳、测量元件、测量主板以及数据传输接口，其中，
所述测量元件包括一体设置的测量部与参考部，所述测量部位于所述外保护壳的外侧，所述参考部位于所述外保护壳的内侧；
所述测量主板上设有数据采集电路、主控芯片以及供电电路；所述数据采集电路与所述测量元件电连接；所述主控芯片与所述数据采集电路电连接；所述供电电路与所述数据采集电路、主控芯片电连接，且所述供电电路与所述参考部的尾端电连接；
所述数据传输接口安装在所述外保护壳远离所述测量元件的一端，且所述数据采集接口与所述主控芯片及所述供电电路电连接。
2.如权利要求1所述的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，其特征在于，还包括固定骨架和第一连接接头，其中，
所述固定骨架设置于所述外保护壳内，所述固定骨架上开设有安装槽，所述测量主板的两端固定安装在所述安装槽的两端；
所述第一连接接头螺旋安装于所述外保护壳前端，且所述第一连接接头与所述外保护壳之间密封安装；所述测量元件安装在所述第一连接接头上，且所述测量部位于所述第一连接接头的外部，所述参考部位于所述第一连接接头的内部；所述测量主板上还设有与所述第一连接接头相适配的第一插头，所述第一插头插接于所述第一连接接头上，所述供电电路和所述数据采集电路通过所述第一插头及所述第一连接接头与所述测量元件电连接。
3.如权利要求1所述的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，其特征在于，还包括第二连接接头，其中，
所述第二连接接头螺旋安装于所述外保护壳后端，且所述第二连接接头与所述外保护壳之间密封安装；所述数据传输接口安装在所述第二连接接头的外侧，所述测量主板上还设有与所述第二连接接头相适配的第二插头，所述主控芯片以及所述供电电路通过所述第二插头及所述第二连接接头与所述数据传输接口电连接。
4.如权利要求1所述的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，其特征在于，所述数据采集电路包括电阻R1和电阻R2，所述电阻R1的第一端、所述参考部的尾端均与所述供电电路电连接，所述电阻R1的第二端与所述电阻R2的第一端连接，所述电阻R2的第二端与所述测量部的尾端均接地；所述主控芯片与所述电阻R1的第二端以及与所述测量部和所述参考部的分界点电连接。
5.如权利要求1所述的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，其特征在于，所述测量元件为顶端封闭的空心金属圆管。
6.如权利要求5所述的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，其特征在于，所述测量元件的材质与建筑装基础钢筋的材质相同。
7.如权利要求1所述的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，其特征在于，所述外保护壳为细长杆状。
8.如权利要求1所述的预埋型混凝土钢筋腐蚀监测传感器，其特征在于，所述测量主板上还设有温度传感器，所述温度传感器与所述供电电路以及所述主控芯片电连接。
9.一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测系统，其特征在于，所述监测系统包括如权利要求1-8任一项所述的传感器，还包括与所述传感器电连接的数据转换器、与所述数据转换器通讯连接的服务器，以及与所述服务器及所述数据转换器通讯连接的监测终端。
10.一种预埋型混凝土钢筋腐蚀监测方法，其特征在于，基于权利要求9所述的监测系统实现，包括步骤：
在钢筋混凝土结构中预埋所述传感器，将所述数据转换器通过数据传输接口与所述传感器电连接；
所述传感器将检测信息进行转换并向所述数据转换器发送；
所述数据转换器将所述检测信息向所述监测终端以及所述服务器发送；
所述服务器对所述检测信息进行分析计算生成分析计算结果，并将所述分析计算结果向所述监控终端发送；
所述监测终端显示所述检测信息以及所述分析计算结果。
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