CN115656027B - 一种钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，所述多功能无线节点包括探针式腐蚀传感器、束流式腐蚀传感器、混凝土状态传感器、钢筋电位控制模块、束流与电阻率复用模块、激励发生模块、响应采集模块、电极选择模块、主控模块、电源模块，可提供丰富的电化学测量技术：恒电位阶跃、动电位扫描、束流动电位扫描、电化学噪声、保护电位电流、混凝土电阻率、钢筋开路电位、混凝土孔溶液自由氯离子浓度和pH值，具有无线通讯、造价低廉、体积小巧等优点，能够在钢混结构中大规模布设，成为钢混结构腐蚀监测系统的底层物理基础，实时监测钢混结构腐蚀电化学状态和混凝土介质环境状态，为钢混结构阴极保护电场的调整提供坚实可靠的依据。

Description

一种钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点

技术领域

本发明属于土木工程技术领域，涉及一种钢混结构腐蚀监测装置，具体涉及一种钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点。

背景技术

钢混结构是土木工程领域广泛采用的重要结构型式，而钢筋腐蚀是造成钢混结构耐久性降低的最主要原因之一。2021年6月美国佛罗里达州的临海公寓发生局部坍塌事故，造成97人遇难。2018年8月意大利临海的莫兰迪大桥因为钢筋腐蚀导致的承载力退化，突然垮塌，造成43人死亡。2016年NACE国际启动的全球性腐蚀管理调研项目发布报告说明全球每年腐蚀成本为2.5万亿美元。中国工程院启动的“我国腐蚀状况及控制战略研究”重大咨询项目调查结果表明2014年我国腐蚀总成本达到21278.2亿人民币，占国民生产总值的3.34％，是全国自然灾害直接经济损失的6倍以上。未来三十年，我国的基础设施将进入建管并重时期，占据相当比例的重大钢混结构的耐久性问题，势必对国民经济发展和社会和谐稳定产生重要影响。

阴极保护(CP)系统是现阶段阻止钢混结构发生腐蚀最为有效的途径，但是目前的CP系统无法根据结构实时服役状态做出有效调整，导致对钢筋保护不足无法有效降低腐蚀速率，或者保护过度造成更为严重的氢脆问题。而CP系统的有效调整依赖于钢筋腐蚀电化学状态、混凝土介质环境状态等时变信息。

钢混结构腐蚀监测的物理方法主要有光纤光栅法、声发射技术、电阻探针技术、射线成像技术等，本质上是监测腐蚀产物形成、钢筋截面积减小、混凝土开裂等腐蚀损伤，无法监测钢筋腐蚀最为本质的电化学特征，无法在腐蚀初期进行有效监测和预警。基于电化学方法的钢筋腐蚀监测技术只有半电池电位法、宏电流法、极化电阻法等简易方法，能够监测的电化学信息十分有限。更为丰富和精密的电化学测量依赖实验室中的电化学工作站，但是无法在工程结构中大规模布设测量节点，无法实现无线监测。钢混结构的阴极保护系统亟需具有多种腐蚀电化学测量功能的无线节点，作为腐蚀监测系统的底层硬件基础，为钢混结构阴极保护系统的调整提供可靠依据。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，能够完成多种腐蚀电化学测量：恒电位阶跃测量、动电位扫描测量、束流动电位扫描测量、电化学噪声测量、保护电位电流测量、混凝土电阻率测量、钢筋开路电位测量、混凝土孔溶液pH值及自由氯离子浓度测量，能够在钢混结构中大规模布设测点，实时在线监测钢筋的腐蚀电化学状态以及混凝土介质环境状态。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，包括探针式腐蚀传感器、束流式腐蚀传感器、混凝土状态传感器、钢筋电位控制模块、束流与电阻率复用模块、激励发生模块、响应采集模块、电极选择模块、主控模块、电源模块，其中：

所述探针式腐蚀传感器和混凝土状态传感器埋入钢混结构内部，束流式腐蚀传感器可以埋入钢混结构内部也可以置于钢混结构混凝土表面，钢筋电位控制模块、束流与电阻率复用模块、激励发生模块、响应采集模块、电极选择模块、主控模块、电源模块封装于电磁屏蔽壳中，置于钢混结构外部，探针式腐蚀传感器、束流式腐蚀传感器和混凝土状态传感器通过屏蔽电缆与电极选择模块连接；

所述探针式腐蚀传感器与电极选择模块连接时，进行恒电位阶跃测量、动电位扫描测量、钢筋开路电位测量、电化学噪声测量、保护电位电流测量；所述束流式腐蚀传感器与电极选择模块连接时，进行束流动电位扫描测量；所述混凝土状态传感器与电极选择模块连接时，进行混凝土电阻率测量、混凝土孔溶液pH值、自由氯离子浓度测量；

所述探针式腐蚀传感器包括与被监测的结构钢筋材料一致的钢筋电极aWEx、aWEy、aWEz，用于测量钢筋电极电位的参比电极aRE，用于改变钢筋电极电位的辅助电极aCE，传感原理是在辅助电极aCE和钢筋电极aWEx之间施加可调节的槽压，使钢筋电极aWEx相对于参比电极aRE的电位差阶跃或稳态变化，同时测量通过辅助电极aCE与钢筋电极aWEx之间的电流，进行恒电位阶跃或动电位扫描测量；测量钢筋电极aWEy和钢筋电极aWEz之间的耦合电流和相对于参比电极aRE的耦合电位，进行电化学噪声测量；测量阴极保护下钢筋电极aWEy和结构钢筋之间的耦合电流和相对于参比电极aRE的耦合电位，进行保护电位电流测量；在没有电流通过钢筋电极aWEx的情况下，测量钢筋电极aWEx与参比电极aRE之间的电位差，进行钢筋开路电位测量；

所述束流式腐蚀传感器包括被监测的结构钢筋、用于测量结构钢筋电位的参比电极bREx、用于改变结构钢筋电位的辅助电极bCE、用于测量混凝土电位降的一对参比电极bREy和bREz、用于约束辅助电极与结构钢筋之间电流的护环电极bGE，传感原理是在辅助电极bCE和结构钢筋之间施加可调节的槽压，使结构钢筋电位稳态变化，进行束流动电位扫描测量，测量混凝土电位降的参比电极bREy、参比电极bREz之间的电位差反应辅助电极bCE与结构钢筋之间电流的扩散，在护环电极bGE和结构钢筋之间施加可调节的槽压，使参比电极bREy、参比电极bREz之间的电位差始终维持在动电位扫描测量开始前的初始值，即对辅助电极bCE与结构钢筋之间的电流扩散进行抑制，以确定结构钢筋的极化面积；

所述混凝土状态传感器包括用于在混凝土中施加电流的一对辅助电极cCEx和cCEy、用于测量混凝土电位降的一对参比电极cREx和cREy、用于测量混凝土孔溶液侵蚀性离子浓度的pH选择性电极和氯离子选择性电极，传感原理是在辅助电极cCEx、辅助电极cCEy之间施加可调节的槽压，使参比电极cREx、参比电极cREy之间的电位差按设定波形稳态变化，参比电极cREx、参比电极cREy之间的电位差与辅助电极cCEx、辅助电极cCEy之间的电流的比值反应了混凝土的电阻率，pH选择性电极或氯离子选择性电极与参比电极cREx之间的电位差和相应的离子浓度相关，通过换算可以计算离子浓度；

所述钢筋电位控制模块包括钢筋激励信号合成电路、参比电极电压跟随电路、钢筋电极电流跟随电路和钢筋电位反馈控制电路，所述钢筋激励信号合成电路的输入信号是来自多个激励发生模块的输出信号，将多个信号按比例叠加后作为恒电位阶跃、动电位扫描或束流动电位扫描测量中钢筋的电位激励信号；所述参比电极电压跟随电路提供高阻抗输入，以实现钢筋电极aWEx与参比电极aRE之间电位差的测量；所述钢筋电极电流跟随电路连接在钢筋和电路板模拟地之间，使钢筋电位与电路板模拟地保持一致同时测量通过钢筋的电流；所述钢筋电位反馈控制电路以钢筋激励信号合成电路输出的钢筋电位激励信号为参考信号，在恒电位阶跃和动电位扫描测量中，调节施加在探针式腐蚀传感器的辅助电极aCE和钢筋电极aWEx之间的槽压，使钢筋电极aWEx与参比电极aRE之间的电位差与参考信号保持一致，在束流动电位扫描测量中调节施加在束流式腐蚀传感器的辅助电极bCE和结构钢筋之间的槽压，使结构钢筋与参比电极bREx之间的电位差与参考信号保持一致；

所述束流与电阻率复用模块包括参比电极电位差转换电路、电流采样电路、参比电极电位差反馈控制电路，所述参比电极电位差转换电路的输入信号是束流式腐蚀传感器中测量混凝土电位降的参比电极bREy和bREz的电位信号或混凝土状态传感器中测量混凝土电位降的参比电极cREx和cREy的电位信号，将其转换为参比电极bREy和bREz的电位差或参比电极cREx和cREy的电位差作为单端输出信号；所述电流采样电路在束流式腐蚀传感器的护环电极bGE和结构钢筋之间或者混凝土状态传感器的辅助电极cCEx和cCEy之间增加可调的采样电阻，将电流转换为电压信号以进行采集；所述参比电极电位差反馈控制电路以激励发生模块输出的激励信号为参考信号，在混凝土电阻率测量中调节施加在混凝土状态传感器的辅助电极cCEx和cCEy之间的槽压，使参比电极cREx和cREy之间的电位差与参考信号保持一致，在束流动电位扫描测量中调节施加在束流式腐蚀传感器的护环电极bGE和结构钢筋之间的槽压，使参比电极bREy和bREz之间的电位差与参考信号保持一致；

所述响应采集模块包括电压转换电路和模数转换电路，所述电压转换电路的输入信号包括：钢筋电位控制模块中参比电极电压跟随电路的输出信号、钢筋电极电流跟随电路的输出信号，束流与电阻率复用模块中参比电极电位差转换电路的输出信号、电流采样电路的输出信号；电压转换电路的输出端作为模数转换电路的输入端，模数转换电路将采集到的模拟信号转换为数字信号，发送至主控模块；

所述激励发生模块包括数模转换电路、电压反转电路和模拟开关电路，数模转换电路接收主控模块的数字指令，转换为连续输出的正电压模拟信号；电压反转电路输入正电压模拟信号，输出负电压模拟信号；模拟开关电路选择正电压模拟信号或负电压模拟信号作为激励发生模块的输出信号，作为钢筋电位控制模块和束流与电阻率复用模块进行测量的激励信号来源；

所述电极选择模块包括继电器电路和继电器控制电路，所述继电器电路由一路数字信号控制一个电极与其相应电路接口的连接与断开；所述继电器控制电路的数字信号输入端接收串行数字信号，并行输出多路数字信号同时控制各继电器的断开与闭合，实现探针式腐蚀传感器、束流式腐蚀传感器和混凝土状态传感器中各电极与相应电路接口的连接与断开，以满足不同测量功能的需求；

所述主控模块包括单片机和GPRS通讯模块，单片机内部存在驱动硬件电路工作的嵌入式程序，驱动激励发生模块输出测量用的激励信号，获取响应采集模块测量的电压和电流信号，根据测量模式需求控制电极选择模块接入和断开传感器中不同的电极，通过GPRS通讯模块与云服务器建立通讯连接，进行测量指令的接收和测量数据的上传；

所述电源模块包括直流电源、数字稳压电路、模拟稳压电路，电极选择模块和主控模块由数字稳压电路供电，钢筋电位控制模块和束流与电阻率复用模块由模拟稳压电路供电，激励发生模块和响应采集模块由数字稳压电路和模拟稳压电路共同供电。

本发明具有如下有益效果：

相较于其他腐蚀的物理监测技术以及单一的电化学监测技术，本发明的钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点可以提供丰富的电化学测量技术：恒电位阶跃、动电位扫描、束流动电位扫描、电化学噪声、保护电位电流、混凝土电阻率、钢筋开路电位、混凝土孔溶液自由氯离子浓度和pH值，且具有无线通讯、造价低廉、体积小巧等优点，能够在钢混结构中大规模布设，成为钢混结构腐蚀监测系统的底层物理基础，实时监测钢筋腐蚀电化学状态和混凝土介质环境状态，为钢混结构阴极保护电场的调整提供坚实可靠的依据。

附图说明

图1为本发明的电气原理框图；

图2为探针式腐蚀传感器示意图；

图3为束流式腐蚀传感器示意图；

图4为混凝土状态传感器示意图；

图5为钢筋电位控制模块的电气原理图；

图6为束流与电阻率复用模块的电气原理图；

图7为响应采集模块的电气原理图；

图8为激励发生模块的电气原理图；

图9为电极选择模块的电气原理图；

图10为单片机的嵌入式程序流程图；

图11为标准电解池示意图；

图12为标准电解池的恒电位阶跃测试效果图，(a)电位激励，(b)电流响应；

图13为标准电解池的恒电位阶跃测试电流响应效果对比图，(a)A1电流响应，(b)A2电流响应，(c)A3电流响应，(d)A4电流响应，(e)A5电流响应；

图14为标准电解池的动电位扫描测试效果对比图；

图15为无内掺NaCl饱水试件恒电位阶跃测试效果对比图，(a)电位激励，(b)电流响应；

图16为无内掺NaCl干燥试件恒电位阶跃测试效果对比图，(a)电位激励，(b)电流响应；

图17为内掺3％NaCl饱水试件恒电位阶跃测试效果对比图，(a)电位激励，(b)电流响应；

图18为内掺3％NaCl干燥试件恒电位阶跃测试效果对比图，(a)电位激励，(b)电流响应；

图19为内掺3％NaCl饱水试件动电位扫描测试效果对比图，(a)电位激励，(b)电流响应；

图20为电位耦合效果图；

图21为内掺3％NaCl饱水试件电化学噪声测试效果图，(a)电位噪声，(b)电流噪声；

图22为内掺3％NaCl缩尺桥墩的结构钢筋在束流与无束流状态下动电位扫描测试时混凝土表面电势差变化对比图；

图23为内掺3％NaCl缩尺桥墩的结构钢筋在束流与无束流状态下动电位扫描测试效果对比图；

图24为内掺3％NaCl缩尺桥墩阴极保护下钢筋保护电位电流测试效果图，(a)保护电位，(b)保护电流密度；

图25为电阻率几何影响系数标定测试图；

图26为内掺3％NaCl缩尺桥墩电阻率测试效果图；

图中，1、探针式腐蚀传感器，2、束流式腐蚀传感器3、混凝土状态传感器，4、钢筋电位控制模块，5、束流与电阻率复用模块，6、响应采集模块，7、激励发生模块，8、电极选择模块，9、主控模块，10、电源模块，11、辅助电极aCE，12、参比电极aRE，13、钢筋电极aWEx，14、钢筋电极aWEy，15、钢筋电极aWEz，16、探针式腐蚀传感器外壳，21、辅助电极bCE，22、参比电极bREx，23、结构钢筋，24、护环电极bGE，25、参比电极bREy，26、参比电极bREz、27、结构混凝土，31、辅助电极cCEx，32、辅助电极cCEy，33、参比电极cREx，34、参比电极cREy，35、pH选择性电极，36、氯离子选择性电极，37、混凝土状态传感器外壳，41、钢筋激励信号合成电路，42、参比电极电压跟随电路，43、钢筋电极电流跟随电路，44、钢筋电位反馈控制电路，51、参比电极电位差转换电路，52、电流采样电路，53、参比电极电位差反馈控制电路，61、电压转换电路，62、模数转换电路，71、数模转换电路，72、电压反转电路，73、模拟开关电路，81、继电器电路，82、继电器控制电路，91、单片机，92、GPRS模块，101、直流电源，102、数字稳压电路，103、模拟稳压电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

本发明提供了一种钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，如图1所示，所述多功能无线节点包括探针式腐蚀传感器1、束流式腐蚀传感器2、混凝土状态传感器3、钢筋电位控制模块4、束流与电阻率复用模块5、响应采集模块6、激励发生模块7、电极选择模块8、主控模块9、电源模块10；探针式腐蚀传感器1和混凝土状态传感器3埋入钢混结构内部，束流式腐蚀传感器2埋入钢混结构内部或安装在钢混结构表面，钢筋电位控制模块4、束流与电阻率复用模块5、响应采集模块6、激励发生模块7、电极选择模块8、主控模块9和电源模块10封装于电磁屏蔽壳中，置于钢混结构外部；探针式腐蚀传感器1、束流式腐蚀传感器2以及混凝土状态传感器3通过屏蔽电缆与电极选择模块8连接。

如图2所示，所述探针式腐蚀传感器1包括辅助电极aCE 11、参比电极aRE 12、钢筋电极aWEx13、钢筋电极aWEy 14、钢筋电极aWEz 15、探针式腐蚀传感器外壳16；各电极均与屏蔽电缆焊接，焊点封装在探针式腐蚀传感器外壳16中，探针式腐蚀传感器外壳16内用环氧树脂填充以保护焊点，传感原理是在辅助电极aCE 11和钢筋电极aWEx 13之间施加可调节的槽压，使钢筋电极aWEx 13相对于参比电极aRE 12的电位差阶跃或稳态变化，同时测量通过辅助电极aCE 11与钢筋电极aWEx 13之间的电流，进行恒电位阶跃或动电位扫描测量；测量钢筋电极aWEy 14和钢筋电极aWEz 15之间的耦合电流和相对于参比电极aRE 12的耦合电位，进行电化学噪声测量；测量阴极保护下钢筋电极aWEy 14和结构钢筋23之间的耦合电流和相对于参比电极aRE 12的耦合电位，进行保护电位电流测量；在没有电流通过钢筋电极aWEx 13的情况下，测量钢筋电极aWEx 13与参比电极aRE 12之间的电位差，进行钢筋开路电位测量。

如图3所示，所述束流式腐蚀传感器2包括辅助电极bCE 21、参比电极bREx 22、结构钢筋23、护环电极bGE 24、参比电极bREy 25、参比电极bREz 26、结构混凝土27；所述辅助电极bCE21和护环电极bGE 24与结构钢筋23平行放置，参比电极bREy 25和参比电极bREz26设置在辅助电极bCE 21和护环电极bGE 24之间，参比电极bREx 22埋入结构钢筋23附近以减小二者之间的混凝土电阻，传感原理是在辅助电极bCE 21和结构钢筋23之间施加可调节的槽压，使结构钢筋电位稳态变化，进行动电位扫描测量，测量混凝土电位降的参比电极bREy 25、参比电极bREz 26之间的电位差反应辅助电极bCE 21与结构钢筋23之间电流的扩散，在护环电极bGE 24和结构钢筋23之间施加可调节的槽压，使参比电极bREy 25、参比电极bREz 26之间的电位差始终维持在动电位扫描测量开始前的初始值，即对辅助电极bCE21与结构钢筋23之间的电流扩散进行抑制，以确定结构钢筋23的极化面积。

如图4所示，所述混凝土状态传感器3包括辅助电极cCEx 31、辅助电极cCEy 32、参比电极cREx 33、参比电极cREy 34、pH选择性电极35、氯离子选择性电极36、混凝土状态传感器外壳37；各电极均与屏蔽电缆焊接，焊点封装在外壳37中，外壳37内用环氧树脂填充以保护焊点，传感原理是在辅助电极cCEx 31、辅助电极cCEy 32之间施加可调节的槽压，使参比电极cREx 33、参比电极cREy 34之间的电位差按设定波形稳态变化，参比电极cREx 33、参比电极cREy 34之间的电位差与辅助电极cCEx 31、辅助电极cCEy 32之间的电流的比值反应了混凝土的电阻率，pH选择性电极35或氯离子选择性电极36与参比电极cREx 33之间的电位差和相应的离子浓度相关，通过换算可以计算离子浓度。

所述辅助电极aCE 11、bCE 21、cCEx 31、cCEy 32和护环电极bGE 24采用石墨或不锈钢等惰性材料；参比电极aRE 12、bREx 22、bREy 25、bREz 26、cREx 33、cREy 34采用MnO₂或其他固态参比电极；钢筋电极aWEx 13、aWEy 14、aWEz 15采用与被监测的结构钢筋23相同材质的钢筋；pH选择性电极35采用W/WO₃或其他电位与pH值相关的电极，氯离子选择性电极36采用Ag/AgCl或其他电位与自由氯离子浓度相关的电极。

如图5所示，所述钢筋电位控制模块4包括钢筋激励信号合成电路41、参比电极电压跟随电路42、钢筋电极电流跟随电路43、钢筋电位反馈控制电路44；所述钢筋激励信号合成电路41中Ain1和Ain2是模拟信号输入端，Aout1是Ain1和Ain2的信号按比例叠加后的输出端；OP1的同相输入端连接模拟地AGND；电阻R3与电容C1并联同时两端分别连接OP1的反相输入端和输出端Aout1；电阻R1两端分别与Ain1和OP1的反相输入端连接；电阻R2两端分别与Ain2和OP1的反相输入端连接。所述参比电极电压跟随电路42中RE1_M是参比电极接入端，OP2的同相输入端与RE1_M连接，OP2的反相输入端和输出端Aout2连接，OP2为参比电极提供高阻抗输入。所述钢筋电极电流跟随电路43中WE_M是钢筋电极接入端，OP3的同相输入端与模拟地AGND连接，反相输入端与WE_M连接，输出端为Aout3；AS1的OUTIN端与WE_M连接，INOUT/0～3分别与电阻R4～7一端连接，Din1和Din2是AS1的数字信号输入端，用于控制AS1的OUTIN与INOUT/0～3其中一个通道连接；电阻R4～7另一端均与Aout3连接。所述钢筋电位反馈控制电路44中CE1_M是辅助电极接入端，OP4的同相输入端与Aout1连接，反相输入端与RE1_M连接，输出端与CE1_M连接；OP4调整CE1_M的电压，使RE1_M的电压与Aout1的电压保持一致。所述钢筋电位控制模块4中的运放OP1和OP2采用OP2177电压型运算放大器或者其他型号的电压型运算放大器，运放OP3采用AD8638电流型运算放大器或者其他型号的电流型运算放大器，运放OP4采用OPA551功率型运算放大器或者其他型号的功率型运算放大器，开关AS1采用CD4051型多通路复用模拟开关芯片。

如图6所示，所述电阻率复用模块5包括参比电极电位差转换电路51、电流采样电路52、参比电极电位差反馈控制电路53；所述参比电极电位差转换电路51中的RE2_M和RE3_M在束流动电位扫描测量模式中分别与束流式腐蚀传感器2中的参比电极bREy 25和bREz26连接，在电阻率测量模式中分别与混凝土状态传感器3中的参比电极cREx 33和cREy 34连接，Aout4是表示RE2_M和RE3_M电位差的单端信号输出端；OP5同相输入端与RE3_M连接，电阻R9两端分别与OP5的反相输入端和输出端连接，电阻R8两端分别与模拟地AGND和OP5的反相输入端连接；OP6的同相输入端与RE2_M连接，电阻R11两端分别与OP6的反相输入端和输出端Aout4连接，电阻R10两端分别与OP5的输出端和OP6的反相输入端连接。所述电流采样电路52中CE2_M和CE3_M在电阻率测量模式下分别与混凝土状态传感器3中的辅助电极cCEx 31和cCEy 32连接，在束流动电位扫描测量模式下CE2_M与束流式腐蚀传感器2中的护环电极bGE 24连接，CE3_M不与任何电极连接，Aout5是表示CE2_M和CE3_M之间电流值的输出端；OP7同相输入端与参比电极电位差反馈控制电路53输出端Aout6连接，电阻R13两端分别与OP7的反相输入端和输出端连接，电阻R12的两端分别与模拟地AGND和OP7的反相输入端连接；远放OP8的同相输入端与CE2_M连接，电阻R15两端分别与OP8的反相输入端和输出端Aout5连接，电阻R14两端分别与OP7的输出端和OP8的反相输入端连接；AS2的OUTIN端与Aout6连接，INOUT/0～3分别与电阻R16～19一端连接，电阻R16～19另一端与CE2_M连接，辅助电极接入端CE3_M与模拟地AGND连接，AS2的数字信号输入端Din3和Din4控制AS2的OUTIN与INOUT/0～3中的一个通道连接。所述参比电极电位差反馈控制电路53中运放OP9的同相输入端与Ain3连接，反相输入端与Aout4连接，输出端与Aout6连接；OP9调整Aout6的输出电压，使Aout4的电压与Ain3的电压保持一致。所述束流与电阻率复用模块5中的运放OP5～8采用OP2177电压型运算放大器或者其他型号的电压型运算放大器，OP9采用OPA551功率型运算放大器或者其他型号的功率型运算放大器，开关AS2采用CD4051多通路复用模拟开关芯片。

如图7所示，所述响应采集模块6包括电压转换电路61和模数转换电路62，所述电压转换电路61的输入端是Ain4，输出端是Aout7，Ain4是需要采集的电信号，例如钢筋电位控制模块4中的Aout2和Aout3、束流与电阻率复用模块5中的Aout4和Aout5；电压转换电路对Ain4输入的电信号进行运算后在Aout7输出为便于模数转换电路采集的电信号；电阻R22和电容C6并联同时两端分别连接到远放OP10的输出端Aout7和反相输入端，电阻R23两端分别与OP10的反相输入端和模拟地AGND连接，电阻R25两端分别与2.5V基准电压和OP10同相输入端连接；电阻R20两端分别与OP11的同相输入端和模拟地AGND连接，电阻R21两端分别与OP11的同相输入端和模拟信号输入端Ain4连接；OP11的反相输入端和输出端连接，电阻R24的两端分别与OP10的同相输入端和OP11的输出端连接。所述模数转换电路62中SCK、MOSI、MISO、DRDY、CS是ADC1的SPI通讯总线，ADC1采集Aout7的模拟电压信号，转换为数字信号，通过SPI通讯总线将数字信号发送至主控模块9的单片机91中。所述响应采集模块6中的运放OP10和OP11采用OP2177电压型运算放大器或者其他型号的电压型运算放大器，模数转换芯片ADC1采用ADS1255。

如图8所示，所述激励发生模块7包括数模转换电路71、电压反转电路72和模拟开关电路73；所述数模转换电路71中SCL1和SDA1为数模转换芯片DAC1的IIC通讯总线，DAC1接收IIC总线上的数字信号，在输出端Aout8转换为0～2.5V的模拟电压信号。所述电压反转电路72的输入端为Aout8，在输出端Aout9将输入的模拟电压信号逆转，输出-2.5～0V的模拟电压信号；OP12的同相输入端与模拟地AGND连接，电阻R26两端分别与OP12的反相输入端和Aout8连接，电阻R27两端分别与OP12的反相输入端和Aout9连接。所述模拟开关电路73中AS3的输入端为Aout8和Aout9，输出端为Aout10，数字信号输入端Din5控制Aout10与Aout8和Aout9其中之一导通，Aout10作为激励发生模块7的输出端；激励发生模块7输出的激励信号是钢筋电位控制模块4和束流与电阻率复用模块5进行测量工作的激励信号来源，与激励发生模块7的输出端连接的有钢筋电位控制模块4的Ain1和Ain2以及束流与电阻率复用模块5的Ain3。所述激励发生模块7中的运放OP12采用OP2177电压型运算放大器或者其他型号的电压型运算放大器，数模转换器芯片DAC1采用DAC8571，开关AS3采用CD4053模拟开关芯片。

如图9所示，所述电极选择模块8包括继电器电路81和继电器控制电路82，所述继电器电路81中的继电器ER1～12控制传感器中的电极与相应电路连接点的连接与断开，满足不同测量功能的需求；当探针式腐蚀传感器1接入电极选择模块8时，其中的辅助电极aCE11、参比电极aRE 12、钢筋电极aWEx 13、aWEy 14、aWEz 15分别与继电器ER1、ER2、ER3、ER4、ER5连接，结构钢筋23与继电器ER6连接；当束流式腐蚀传感器2与电极选择模块8连接时，其中的辅助电极bCE 21、参比电极bREx 22、结构钢筋23、护环电极bGE 24、参比电极bREy 25、参比电极bREz26分别连接到继电器ER1、ER2、ER3、ER9、ER7、ER8；当混凝土状态传感器3与电极选择模块8连接时，其中的辅助电极cCEx 31、cCEy 32、参比电极cREy 34、pH选择性电极35、氯离子选择性电极36分别连接到继电器ER9、ER10、ER8、ER11、ER12，参比电极cREx 33连接到继电器ER7、ER11、ER12。所述继电器控制电路82中移位寄存器SR1和SR2级联，依靠HCSDA、HCRCK、HCSCK三条数据线接收数据指令，控制ES1～12输出端口的逻辑电平状态，每一个端口控制继电器电路81中一个继电器的断开与闭合(例如当ES6为高电平时，继电器ER6将结构钢筋23与电路板的模拟地AGND连接，当ES6为低电平时，结构钢筋23与AGND断开)，实现探针式腐蚀传感器1、束流式腐蚀传感器2和混凝土状态传感器3上的电极与钢筋电位控制模块4和束流与电阻率复用模块5中对应电路接口的连接与断开。所述电极选择模块8中的移位寄存器SR1和SR2采用74HC595，继电器ER1～12采用G6J-2FS-Y。

如图1所示，所述主控模块9包括单片机91和GPRS模块92；所述单片机91采用STM32F103ZET6型单片机，根据测量模式使用普通IO口连接HCSDA、HCRCK、HCSCK控制电极选择模块8将传感器上各电极与相应电路接口连接与断开；使用IIC外设连接SDA1和SCL1，控制激励发生模块7输出电化学测量用激励信号；使用SPI外设连接SCK、MOSI、MISO、DRDY、CS，控制响应采集模块6测量电流和电位信号；使用USART外设连接GPRS模块92，接收云服务器发送的测量指令并在进行电化学测量的过程中使用USART外设实时回传测量数据；使用普通IO口连接Din1、Din2、Din3、Din4、Din5，控制模拟开关芯片AS1、AS2、AS3的通道选择。

如图10所示，所述单片机91的嵌入式程序将各功能划分为不同的任务，根据接收到的云服务器的指令，调动不同的任务程序；所述云服务器指令分为寄存器指令和测量指令，若单片机91接收到不符合指令格式的非法指令，将向云服务器提示指令非法；所述寄存器指令包括读寄存器、写寄存器和清空寄存器，所述寄存器是指单片机91内部保存测量模式和测量参数的一段内存；所述测量指令包括开始测量和终止测量，单片机91接收到开始测量指令后将根据寄存器内容启动测量工作，包括恒电位阶跃、动电位扫描、束流动电位扫描、电化学噪声、混凝土电阻率、保护电位电流、钢筋开路电位、离子浓度，单片机91接收到终止测量指令后将立刻停止进行中的测量工作，复位成初始状态。

如图1所示，所述电源模块10包括直流电源101、数字稳压电路102、模拟稳压电路103，电极选择模块8和主控模块9由数字稳压电路102供电，钢筋电位控制模块4和束流与电阻率复用模块5由模拟稳压电路103供电，激励发生模块7和响应采集模块6由数字稳压电路102和模拟稳压电路103共同供电；腐蚀电化学测量具有微弱电信号测量的特性，数模隔离设计大幅减小电化学测量过程受到数字电路部分的干扰。所述电源模块10的直流电源101采用9～15V输出的电池或整流器或太阳能板。

本发明中，所述探针式腐蚀传感器1与电极选择模块8连接并进行恒电位阶跃或动电位扫描测量时，所述钢筋激励信号合成电路41将多个激励发生模块7输出的信号按比例叠加后输出，作为钢筋电极的电位激励信号，所述参比电极电压跟随电路42的RE1_M与参比电极aRE 12连接，提供高阻抗输入，测量参比电极aRE 12与模拟地AGND之间的电位差，所述钢筋电极电流跟随电路43中WE_M与钢筋电极aWEx 13连接，将钢筋电极aWEx 13的电位与模拟地AGND保持一致，并测量通过钢筋电极aWEx 13的电流，所述钢筋电位反馈控制电路44的CE1_M连接到辅助电极aCE 11，以钢筋激励信号合成电路41输出的钢筋电极电位激励信号为参考信号，调节CE1_M处的电压，即调节辅助电极aCE 11和钢筋电极aWEx 13之间的槽压，使参比电极aRE 12和钢筋电极aWEx 13之间的电位差与钢筋激励信号合成电路41输出的钢筋电极电位激励信号保持一致。

本发明中，所述探针式腐蚀传感器1与电极选择模块8连接并进行钢筋开路电位测量时，所述钢筋电位反馈控制电路44的CE1_M与辅助电极aCE 11的连接断开，参比电极电压跟随电路42的RE1_M与参比电极aRE 12连接，钢筋电极电流跟随电路43中WE_M与钢筋电极aWEx 13连接，在没有电流通过的情况下测量钢筋电极aWEx 13的电位。

本发明中，所述探针式腐蚀传感器1与电极选择模块8连接并进行电化学噪声测量时，所述钢筋电位反馈控制电路44的CE1_M与辅助电极aCE 11的连接断开，参比电极电压跟随电路42的RE1_M与参比电极aRE 12连接，测量参比电极aRE 12与模拟地AGND之间的电位差，钢筋电极电流跟随电路43中WE_M与钢筋电极aWEy 14连接，模拟地AGND与钢筋电极aWEz15连接，钢筋电极电流跟随电路43将钢筋电极aWEy 14的电位与钢筋电极aWEz 15的电位保持一致，即均为模拟地AGND的电位，同时测量二者间的耦合电流。

本发明中，所述探针式腐蚀传感器1与电极选择模块8连接并进行保护电位电流测量时，所述钢筋电位反馈控制电路44的CE1_M与辅助电极aCE 11的连接断开，参比电极电压跟随电路42的RE1_M与参比电极aRE 12连接，测量参比电极aRE 12与模拟地AGND之间的电位差，钢筋电极电流跟随电路43中WE_M与钢筋电极aWEy 14连接，模拟地AGND与结构钢筋23连接，阴极保护下结构钢筋23的电位将负移，而钢筋电极电流跟随电路43使钢筋电极aWEy14的电位始终与结构钢筋23保持一致，同时测量电位负移时通过钢筋电极aWEy 14的电流，钢筋电极aWEy 14的尺寸远小于结构钢筋23，可将钢筋电极aWEy 14的保护电流密度视为结构钢筋23在钢筋电极aWEy 14处的保护电流密度。

本发明中，所述束流式腐蚀传感器2与电极选择模块8连接并进行束流动电位扫描测量时，辅助电极bCE 21、参比电极bREx 22、结构钢筋23分别连接到钢筋电位控制模块4中的CE1_M、RE1_M和WE_M，钢筋电位控制模块4调节施加在辅助电极bCE 21和结构钢筋23之间的槽压，使结构钢筋23与参比电极bREx 22之间的电位差按设定的激励波形稳态变化，同时参比电极bREy25和bREz 26分别和束流与电阻率复用模块5的参比电极电位差转换电路51中RE2_M和RE3_M连接，参比电极电位差转换电路51将参比电极bREy 25和bREz 26的电位差转换为单端信号，在辅助电极bCE 21和结构钢筋23之间没有通电时读取参比电极bREy 25和bREz 26之间电位差的初始值，护环电极bGE 24与参比电极电位差反馈控制电路53中CE2_M连接，参比电极电位差反馈控制电路53以激励发生模块7输出的信号为参考信号，调节CE2_M处的电压，即调节护环电极bGE 24与结构钢筋23之间的槽压，在辅助电极bCE 21和结构钢筋23之间通电的过程中始终维持参比电极bREy 25和bREz 26之间的电位差为通电前的初始值，同时由电流采样电路52采集护环电极bGE 24和结构钢筋23之间的电流。

本发明中，所述混凝土状态传感器3与电极选择模块8连接并进行混凝土电阻率测量时，辅助电极cCEx 31、辅助电极cCEy 32、参比电极cREx 33、参比电极cREy 34分别和束流与电阻率复用模块5中的CE2_M、CE3_M、RE2_M、RE3_M连接，CE3_M与模拟地AGND连接，参比电极电位差反馈控制电路53以激励发生模块7输出的信号为参考信号，调节CE2_M处的电压，即调节施加在辅助电极cCEx 31和cCEy 32之间的槽压，在混凝土中形成电势梯度，使参比电极cREx 33和cREy 34之间的电位差与激励发生模块7输出的电压信号保持一致，同时由电流采样电路52采集cCEx 31和cCEy 32之间的电流。

本发明中，所述混凝土状态传感器3与电极选择模块8连接并进行混凝土孔溶液pH值或自由氯离子浓度测量时，参比电极cREx 33连接到参比电极电压跟随电路42中的RE1_M，pH选择性电极35或氯离子选择性电极36连接到模拟地AGND，测量其相对于参比电极cREx33的电位差，并通过相应的电极工作曲线转换为混凝土孔溶液pH值或自由氯离子浓度。

本发明中，所述开路电位\离子浓度测量程序包括以下流程：

1、向电极选模8写入指令，开路电位测量模式下控制继电器ER2、ER3闭合，测量探针式腐蚀传感器1中aWEx 13相对于RE112的开路电位；或者控制继电器ER2、ER6闭合，测量结构钢筋23相对于aRE 12的开路电位；离子浓度测量模式下控制继电器ER11闭合，测量混凝土状态传感器3中pH选择性电极35相对于bREx 33的开路电位；或者控制继电器ER12闭合，测量混凝土状态传感器3中氯离子选择性电极36相对于bREx 33的开路电位，根据离子选择性电极的工作曲线，将电极电位换算为相应的离子浓度。

2、控制响应采集模块6以0～2000Hz频率采集钢筋电位控制模块4中参比电极电压跟随电路42的Aout2处电压信号，同时将数据通过GPRS模块92发送至云服务器中。

本发明中，所述恒电位阶跃\动电位扫描程序包括以下流程：

1、向电极选择模块8写入指令，闭合继电器ER2和ER3，探针式腐蚀传感器1中的aWEx 13和aRE 12分别与钢筋电位控制模块4中的WE_M和RE1_M连接。

2、控制响应采集模块6以0～2000Hz频率同时采集钢筋电位控制模块4中Aout2和Aout3处的电压信号，分别表示aWEx 13与aRE 12间的开路电位差以及aWEx 13的外电流，同时将数据通过GPRS模块92发送至云服务器中。

3、判断开路电位稳定性，电位波动小于ΔU时，进入下一步；测量开路电位长达T时间后，电位波动仍大于ΔU时，测量程序终止，不再继续测量；ΔU在0～10mV/min范围内可调，T在0～60min可调。

4、向电极选择模块8写入指令，再将继电器ER1闭合，探针式腐蚀传感器1中的aCE11与钢筋电位控制模块4中的CE1_M连接，控制激励发生模块7输出测量用激励信号到钢筋电位控制模块4中的Ain1和Ain2。

本发明中，所述束流动电位扫描程序包括以下流程：

1、向电极选择模块8写入指令，闭合继电器ER2、ER3，将束流式腐蚀传感器2中的结构钢筋23和参比电极bREx 22分别与钢筋电位控制模块4中的WE_M和RE1_M连接。

2、控制响应采集模块6以0～2000Hz频率同时采集钢筋电位控制模块4中Aout2和Aout3处的电压信号，分别表示结构钢筋23与参比电极bREx 22间的开路电位差以及结构钢筋23的外电流，同时将数据通过GPRS模块92发送至云服务器中。

3、判断开路电位稳定性，电位波动小于ΔU时，进入下一步；测量开路电位长达T时间后，电位波动仍大于ΔU时，测量程序终止，不再继续测量；ΔU在0～10mV/min范围内可调，T在0～60min可调。

4、向电极选择模块8写入指令，闭合继电器ER7、ER8，将束流式腐蚀传感器2中的参比电极bREy 25和bREz 26分别连接到束流与电阻率复用模块5中的RE2_M、RE3_M，记录下未开始动电位扫描测量时参比电极bREy 25和bREz 26之间电位差的初始值。

5、向电极选择模块8写入指令，闭合继电器ER9，将束流式腐蚀传感器2中的护环电极bGE24和束流与电阻率复用模块5中的CE2_M连接，控制激励发生模块7输出一个固定值到束流与电阻率复用模块5的Ain3，以使束流与电阻率复用模块5调节护环电极bGE 24和结构钢筋23之间施加的槽压，使bREy 25和bREz 26之间的电位差始终维持在初始值。

6、向电极选择模块8写入指令，再将继电器ER1闭合，束流式腐蚀传感器2中的bCE21与钢筋电位控制模块4中的CE1_M连接，控制激励发生模块7输出稳态变化的电压信号到钢筋电位控制模块4中的Ain1和Ain2。

本发明中，所述电化学噪声\保护电位电流测量程序包括以下流程：

1、向电极选择模块8写入指令，电化学噪声模式下闭合继电器ER2、ER4、ER5，保护电位电流测量模式下闭合继电器ER2、ER4、ER6。

2、控制响应采集模块6以0～2000Hz频率同时采集钢筋电位控制模块4中Aout2和Aout3处的电压信号，同时通过GPRS模块92将数据实时发送至云服务器中；电化学噪声模式下，Aout2和Aout3分别表示aWEy 14和aWEz 15的耦合电位和耦合电流；保护电位电流测量模式下，Aout2和Aout3分别表示结构钢筋23在阴极保护电场下aWEy 14测点处的电位和保护电流密度。

本发明中，所述混凝土电阻率测量程序包括以下流程：

1、向电极选择模块8写入指令，闭合继电器ER7、ER8、ER10，将混凝土状态传感器3中的cREx 33、cREy 34、cCEy 32分别和束流与电阻率复用模块5中的RE2_M、RE3_M和CE3_M连接。

2、控制响应采集模块6以0～2000Hz频率采集束流与电阻率复用模块5中Aout4和Aout5处的电压信号，分别表示cREx 33与cREy 34之间的电位差以及cCEx 31与cCEy 32之间的电流，同时通过GPRS模块92将数据实时发送至云服务器中。

3、控制电极选择模块8闭合继电器ER9，将cCEx 31接入束流与电阻率复用模块5中的CE2_M，控制激励发生模块7输出激励波形到束流与电阻率复用模块5的Ain3，cCEx 31与cCEy 32之间通电，使cREx 33与cREy 34之间的电位差按照设定激励波形变化。

实施例1

钢筋的腐蚀电化学状态与钢筋表面状态、混凝土介质环境状态等具有较大离散性和时变性的参数有关。一方面，在钢混试件制备时钢筋表面的微小划痕等轻微差异对后续腐蚀状态的演变也会产生巨大影响，并且钢混界面混凝土内的氧浓度、湿度、自由氯离子浓度、pH值具有相当大的离散性，因此即使是同一批次、相同材料、相同养护条件下的不同试件在同一时刻的钢筋腐蚀电化学状态也可能具有显著的差异。另一方面，恒电位阶跃和动电位扫描等电化学测量使钢筋发生极化，改变钢筋表面状态、钢混界面的氧浓度等，进而改变钢筋的腐蚀电化学状态，即使钢筋在测量后去极化，也无法恢复到与测量前完全一致的状态，因此同一个试件进行两次相同的电化学测量，第二次的测量结果也会因为第一次的测量扰动导致与第一次的测量结果存在差异。其中，恒电位阶跃对钢筋的电位扰动一般在±30mV以内，动电位扫描对钢筋的电位扰动常达到±100mV以上。因此动电位扫描对钢筋腐蚀电化学状态的改变更显著，两次动电位扫描测试之间的差异更明显。

因此，通过钢混试件难以有效地验证本发明恒电位阶跃和动电位扫描的准确性，而模拟电化学测量三电极体系的标准电解池中各元件参数值确定，且多次测量不改变参数值，故采用标准电解池验证本发明恒电位阶跃和动电位扫描的准确性。如图11所示，所述标准电解池中，电阻R_a＝1000Ω模拟辅助电极的界面极化电阻，电阻R_b＝470Ω模拟辅助电极和参比电极之间的混凝土电阻，电容C_a＝100μF模拟辅助电极的界面电容，电阻R_c模拟钢筋和参比电极之间的混凝土电阻，电阻R_ct模拟钢筋的极化电阻，电容C_dl模拟钢筋的界面电容。设置A、B、C三组标准电解池，分别以R_c、C_dl、R_ct为变量，每组设置5个标准电解池，使用本发明和电化学工作站CS350分别对A、B、C组标准电解池进行恒电位阶跃测量，本发明恒电位阶跃测量的电位激励和电流响应测量效果以A组电解池为例如图12所示，本发明测量的电流响应与工作站的测量效果对比如图13所示，本发明和工作站测量的电流响应完全一致，且本发明的测量结果有更低的噪声。

标准电解池在恒电位阶跃测量下的理论电流响应如式(1)和式(2)所示：

其中，ΔI(t)为通过钢筋的电流(A)，ΔE为钢筋的电位阶跃值(V)，R_c为钢筋和参比电极之间的混凝土电阻(Ω)，R_ct为钢筋极化电阻(Ω)，C_dl为钢筋界面电容(F)。

使用式(1)和式(2)的理论电流响应拟合工作站和本发明恒电位阶跃测量的电流响应，识别R_c、R_ct、C_dl，识别效果分别如表1～3所示。

表1混凝土电阻R_c识别效果(Ω)

表2钢筋极化电阻R_ct识别效果(Ω)

表3钢筋界面电容C_dl识别效果(μF)

如图14所述，使用本发明和电化学工作站CS350对C组电解池进行动电位扫描测量，结果表明对于钢筋极化电阻R_ct在120～10000Ω的范围内，本发明均能够准确地实现动电位扫描测量，所测得动电位扫描曲线与工作站测量结果的偏差均在1％以内。

实施例2

制备内掺水泥质量3％NaCl和无内掺NaCl的100mm×100mm的水泥砂浆试件，浇筑1天后脱模，标准养护28天，试件内埋置探针式腐蚀传感器1，在水中浸泡三天饱水处理后，用电化学工作站CS350进行20mV恒电位阶跃测试，由于电化学测试对体系本身造成一定扰动，测试完成后等待1小时，再次使用本发明进行20mV恒电位阶跃测试；将饱水后的试件在温度20℃、空气湿度20％的环境下自然干燥24h后，再次用相同的方法分别用电化学工作站CS350和本发明进行恒电位阶跃测试，二者的测试效果对比如图15至图18所示。本实施例通过不同的混凝土湿度和含盐量营造出不同的钢筋腐蚀电化学状态，图15至图18中的电位激励效果对比图表明对于各种腐蚀状态的试件，本发明都正确地对钢筋电极施加了恒电位阶跃，使钢筋相对于其开路电位(OCP)阶跃20mV，本发明施加的电位激励与工作站施加的电位激励偏差在0.5mV以内，施加的电位激励噪声峰峰值在0.5mV以内，证明了本发明对混凝土中钢筋施加电位激励信号的准确性和稳定性。图15至图18中的电流响应对比图可以证明本发明测量的电流响应噪声优于电化学工作站，虽然本发明的测量的电流响应与工作站测量的电流响应存在轻微偏差，但在实施例1中，已经验证了本发明对电流响应测量的准确性。因此，电流响应表现出的偏差正如实施例1中所阐述的是由电化学测量对钢筋腐蚀状态的扰动造成的，即两次测量时钢筋腐蚀状态本身是不完全一致的，而非本发明的测量误差导致。可以发现，恒电位激励时间最长的图17，其造成的扰动最大，两次测量的电流偏差也最大。

使用本发明对内掺水泥质量3％NaCl的饱水试件进行动电位扫描测量，在辅助电极aCE 11的电缆中串联阻值为1000欧姆的采样电阻，在动电位扫描测量的过程中分别用电化学工作站监听钢筋电极aWEx 13与参比电极aRE 12之间的电位差以及该采样电阻两端电位差，将采样电阻两端电位差换算为辅助电极aCE 11与钢筋电极aWEx 13之间通过的电流。本发明在动电位扫描过程中测量的与工作站监听的钢筋电极电位(相对于OCP)以及电流对比如图19所示，本发明在动电位扫描测量中电位控制精度在1mV以内，电流测量精度在1μA以内。

电化学噪声测量需要将钢筋电极aWEy 14和aWEz 15耦合并测量二者之间的电流，如图20所示，使用电化学工作站监听钢筋电极aWEy 14和aWEz 15之间的电位差，在本发明开启电化学噪声测量时，工作站监听到钢筋电极aWEy 14和aWEz 15之间的电位差从37mV变为-0.4mV，证明了钢筋电极aWEy 14和aWEz 15被本发明进行了耦合，耦合精度在0.5mV以内，对内掺水泥质量3％NaCl的饱水试件进行电化学噪声测试，测试效果如图21所示。

实施例3

按图3所示，在内掺水泥质量3％NaCl的缩尺钢混桥墩上布置束流式腐蚀传感器2，对结构钢筋23进行束流动电位扫描，相较于探针式腐蚀传感器1，束流式腐蚀传感器2更为直接地反应结构钢筋23本身的腐蚀状态；但是由于结构钢筋23的面积远大于辅助电极bCE21，如果不使用护环电极bGE 24进行束流，电流将沿着钢筋方向水平扩散，导致结构钢筋23的极化面积无法确定，电流在混凝土中扩散引起的电势梯度可以通过测量参比电极bREy25和bREz 26之间的电位差得到。评价束流成功与否的准则是在结构钢筋23进行动电位扫描的过程中能否通过护环电极bGE 24将参比电极bREy 25和bREz 26之间的电位差始终维持在动电位扫描开始前的初始值。

如图22所示，不使用护环电极bGE 24，对结构钢筋23进行动电位扫描，同时测量参比电极bREy 25和bREz 26之间的电位差，在动电位扫描测量过程中，参比电极bREy 25和bREz 26之间的电位差从124mV变化到-114mV，表明如果不使用护环电极bGE 24进行束流，则电流在混凝土中的扩散明显。启用护环电极bGE 24，并开启本发明的束流动电位扫描测量功能对结构钢筋23进行束流动电位扫描测量时，参比电极bREy 25和bREz 26之间的电位差相对于初始值的变化在1mV以内，电流扩散明显被抑制，证明了本发明束流动电位扫描测量的有效性。束流和无束流模式下测量得到的结构钢筋23的动电位扫描曲线如图23所示，以正对辅助电极bCE 21的钢筋区段为极化区域计算单位钢筋表面积上的电流，无束流模式下测量得到的电流密度是束流模式下电流密度的4倍左右，这是由于无束流模式下电流扩散严重，导致钢筋的真实极化面积远超出了预设面积。

实施例4

在内掺水泥质量3％NaCl的缩尺钢混桥墩中靠近钢筋笼埋置有6枚探针式腐蚀传感器1，在强制电流阴极保护电场投放时，6个节点均开启保护电位电流测量模式，监测钢筋笼不同位置的保护电位和保护电流密度，测量效果如图24所示。本发明的电位和电流测量精度已在实施例1和实施例2中论证，保护电位电流测量原理与实施例2中所述的电化学噪声测量原理类似，利用了本发明的电位耦合能力，将腐蚀传感器1的钢筋电极aWEy 14与结构钢筋23耦合，aWEy 14将与其所在区域的结构钢筋23电位保持一致，在阴极电场投放时，aWEy 14随结构钢筋23的电位下降，并测出通过aWEy 14的电流。

实施例5

使用本发明测量混凝土电阻率时，需要已知所采用的传感探头的几何影响系数，如果该系数未知，可以将该探头放置于电阻率已知的溶液中，由本发明进行标定；将混凝土状态传感器3置于表4所示不同浓度的氯化钾溶液中，开启电阻率测量模式测量溶液的电阻率，每种电阻率的溶液测量三次，按照式(3)标定几何影响系数，如图25所示，标定的几何影响系数GF等于图中直线斜率0.142m。

其中，GF为几何影响系数(m)，ΔU为混凝土状态传感器3中参比电极cREx 33和参比电极cREy34电位差的变化量(V)；ΔI为辅助电极cCEx 31和辅助电极cCEy 32之间电流变化量(A)，ρ为溶液的电阻率(Ω·m)。

表4 25℃不同浓度氯化钾溶液的电阻率

使用埋置于内掺水泥质量3％NaCl的缩尺桥墩不同高度处的3个混凝土状态传感器3，开启无线节点的电阻率测量模式测量混凝土电阻率，如图26所示，根据标定的几何影响系数GF，由式(3)计算三个测点处的电阻率分别为173.34Ω·m、92.64Ω·m、68.27Ω·m。

Claims (9)

1.一种钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，其特征在于所述多功能无线节点包括探针式腐蚀传感器、束流式腐蚀传感器、混凝土状态传感器、钢筋电位控制模块、束流与电阻率复用模块、激励发生模块、响应采集模块、电极选择模块、主控模块、电源模块，其中：

所述探针式腐蚀传感器和混凝土状态传感器埋入钢混结构内部，束流式腐蚀传感器埋入钢混结构内部或置于钢混结构混凝土表面，钢筋电位控制模块、束流与电阻率复用模块、激励发生模块、响应采集模块、电极选择模块、主控模块、电源模块封装于电磁屏蔽壳中，置于钢混结构外部，探针式腐蚀传感器、束流式腐蚀传感器和混凝土状态传感器通过屏蔽电缆与电极选择模块连接；

所述探针式腐蚀传感器包括与被监测的结构钢筋材料一致的钢筋电极aWEx、aWEy、aWEz，用于测量钢筋电极电位的参比电极aRE，用于改变钢筋电极电位的辅助电极aCE，传感原理是在辅助电极aCE和钢筋电极aWEx之间施加可调节的槽压，使钢筋电极aWEx相对于参比电极aRE的电位差阶跃或稳态变化，同时测量通过辅助电极aCE与钢筋电极aWEx之间的电流，进行恒电位阶跃或动电位扫描测量；测量钢筋电极aWEy和钢筋电极aWEz之间的耦合电流和相对于参比电极aRE的耦合电位，进行电化学噪声测量；测量阴极保护下钢筋电极aWEy和结构钢筋之间的耦合电流和相对于参比电极aRE的耦合电位，进行保护电位电流测量；在没有电流通过钢筋电极aWEx的情况下，测量钢筋电极aWEx与参比电极aRE之间的电位差，进行钢筋开路电位测量；

所述束流式腐蚀传感器包括被监测的结构钢筋、用于测量结构钢筋电位的参比电极bREx、用于改变结构钢筋电位的辅助电极bCE、用于测量混凝土电位降的一对参比电极bREy和bREz、用于约束辅助电极与结构钢筋之间电流的护环电极bGE，传感原理是在辅助电极bCE和结构钢筋之间施加可调节的槽压，使结构钢筋电位稳态变化，进行束流动电位扫描测量，测量混凝土电位降的参比电极bREy、参比电极bREz之间的电位差反应辅助电极bCE与结构钢筋之间电流的扩散，在护环电极bGE和结构钢筋之间施加可调节的槽压，使参比电极bREy、参比电极bREz之间的电位差始终维持在动电位扫描测量开始前的初始值，即对辅助电极bCE与结构钢筋之间的电流扩散进行抑制，以确定结构钢筋的极化面积；

所述混凝土状态传感器包括用于在混凝土中施加电流的一对辅助电极cCEx和cCEy、用于测量混凝土电位降的一对参比电极cREx和cREy、用于测量混凝土孔溶液侵蚀性离子浓度的pH选择性电极和氯离子选择性电极，传感原理是在辅助电极cCEx、辅助电极cCEy之间施加可调节的槽压，使参比电极cREx、参比电极cREy之间的电位差按设定波形稳态变化，参比电极cREx、参比电极cREy之间的电位差与辅助电极cCEx、辅助电极cCEy之间的电流的比值反应了混凝土的电阻率，pH选择性电极或氯离子选择性电极与参比电极cREx之间的电位差和相应的离子浓度相关，通过换算可以计算离子浓度；

所述钢筋电位控制模块包括钢筋激励信号合成电路、参比电极电压跟随电路、钢筋电极电流跟随电路和钢筋电位反馈控制电路，所述钢筋激励信号合成电路的输入信号是来自多个激励发生模块的输出信号，将多个信号按比例叠加后作为恒电位阶跃、动电位扫描或束流动电位扫描测量中钢筋的电位激励信号；所述参比电极电压跟随电路提供高阻抗输入，以实现钢筋电极aWEx与参比电极aRE之间电位差的测量；所述钢筋电极电流跟随电路连接在钢筋和电路板模拟地之间，使钢筋电位与电路板模拟地保持一致同时测量通过钢筋的电流；所述钢筋电位反馈控制电路以钢筋激励信号合成电路输出的钢筋电位激励信号为参考信号，在恒电位阶跃和动电位扫描测量中，调节施加在探针式腐蚀传感器的辅助电极aCE和钢筋电极aWEx之间的槽压，使钢筋电极aWEx与参比电极aRE之间的电位差与参考信号保持一致，在束流动电位扫描测量中调节施加在束流式腐蚀传感器的辅助电极bCE和结构钢筋之间的槽压，使结构钢筋与参比电极bREx之间的电位差与参考信号保持一致；

所述束流与电阻率复用模块包括参比电极电位差转换电路、电流采样电路、参比电极电位差反馈控制电路，所述参比电极电位差转换电路的输入信号是束流式腐蚀传感器中测量混凝土电位降的参比电极bREy和bREz的电位信号或混凝土状态传感器中测量混凝土电位降的参比电极cREx和cREy的电位信号，将其转换为参比电极bREy和bREz的电位差或参比电极cREx和cREy的电位差作为单端输出信号；所述电流采样电路在束流式腐蚀传感器的护环电极bGE和结构钢筋之间或者混凝土状态传感器的辅助电极cCEx和cCEy之间增加可调的采样电阻，将电流转换为电压信号以进行采集；所述参比电极电位差反馈控制电路以激励发生模块输出的激励信号为参考信号，在混凝土电阻率测量中调节施加在混凝土状态传感器的辅助电极cCEx和cCEy之间的槽压，使参比电极cREx和cREy之间的电位差与参考信号保持一致，在束流动电位扫描测量中调节施加在束流式腐蚀传感器的护环电极bGE和结构钢筋之间的槽压，使参比电极bREy和bREz之间的电位差与参考信号保持一致；

所述响应采集模块包括电压转换电路和模数转换电路，所述电压转换电路的输入信号包括：钢筋电位控制模块中参比电极电压跟随电路的输出信号、钢筋电极电流跟随电路的输出信号，束流与电阻率复用模块中参比电极电位差转换电路的输出信号、电流采样电路的输出信号；电压转换电路的输出端作为模数转换电路的输入端，模数转换电路将采集到的模拟信号转换为数字信号，发送至主控模块；

所述激励发生模块包括数模转换电路、电压反转电路和模拟开关电路，数模转换电路接收主控模块的数字指令，转换为连续输出的正电压模拟信号；电压反转电路输入正电压模拟信号，输出负电压模拟信号；模拟开关电路选择正电压模拟信号或负电压模拟信号作为激励发生模块的输出信号，作为钢筋电位控制模块和束流与电阻率复用模块进行测量的激励信号来源；

所述电极选择模块包括继电器电路和继电器控制电路，所述继电器电路由一路数字信号控制一个电极与其相应电路接口的连接与断开；所述继电器控制电路的数字信号输入端接收串行数字信号，并行输出多路数字信号同时控制各继电器的断开与闭合，实现探针式腐蚀传感器、束流式腐蚀传感器和混凝土状态传感器中各电极与相应电路接口的连接与断开，以满足不同测量功能的需求；

所述主控模块包括单片机和GPRS通讯模块，单片机内部存在驱动硬件电路工作的嵌入式程序，驱动激励发生模块输出测量用的激励信号，获取响应采集模块测量的电压和电流信号，根据测量模式需求控制电极选择模块接入和断开传感器中不同的电极，通过GPRS通讯模块与云服务器建立通讯连接，进行测量指令的接收和测量数据的上传；

所述电源模块包括直流电源、数字稳压电路、模拟稳压电路，电极选择模块和主控模块由数字稳压电路供电，钢筋电位控制模块和束流与电阻率复用模块由模拟稳压电路供电，激励发生模块和响应采集模块由数字稳压电路和模拟稳压电路共同供电。

2.根据权利要求1所述的钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，其特征在于所述辅助电极bCE和护环电极bGE与结构钢筋平行放置，参比电极bREy和参比电极bREz设置在辅助电极bCE和护环电极bGE之间，参比电极bREx埋入结构钢筋附近以减小二者之间的混凝土电阻。

3.根据权利要求1所述的钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，其特征在于所述辅助电极aCE、bCE、cCEx、cCEy和护环电极bGE采用石墨或不锈钢；参比电极aRE、bREx、bREy、bREz、cREx、cREy采用MnO₂；钢筋电极aWEx、aWEy、aWEz采用与被监测的结构钢筋相同材质的钢筋；pH选择性电极采用W/WO₃，氯离子选择性电极采用Ag/AgCl。

4.根据权利要求1所述的钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，其特征在于所述钢筋激励信号合成电路中Ain1和Ain2是模拟信号输入端，Aout1是Ain1和Ain2的信号按比例叠加后的输出端；OP1的同相输入端连接模拟地AGND；电阻R3与电容C1并联同时两端分别连接OP1的反相输入端和输出端Aout1；电阻R1两端分别与Ain1和OP1的反相输入端连接；电阻R2两端分别与Ain2和OP1的反相输入端连接；所述参比电极电压跟随电路中RE1_M是参比电极接入端，OP2的同相输入端与RE1_M连接，OP2的反相输入端和输出端Aout2连接，OP2为参比电极提供高阻抗输入；所述钢筋电极电流跟随电路中WE_M是钢筋电极接入端，OP3的同相输入端与模拟地AGND连接，反相输入端与WE_M连接，输出端为Aout3；AS1的OUTIN端与WE_M连接，INOUT/0～3分别与电阻R4～7一端连接，Din1和Din2是AS1的数字信号输入端，用于控制AS1的OUTIN与INOUT/0～3其中一个通道连接；电阻R4～7另一端均与Aout3连接；所述钢筋电位反馈控制电路中CE1_M是辅助电极接入端，OP4的同相输入端与Aout1连接，反相输入端与RE1_M连接，输出端与CE1_M连接；OP4调整CE1_M的电压，使RE1_M的电压与Aout1的电压保持一致；

所述参比电极电位差转换电路中的RE2_M和RE3_M在束流动电位扫描测量模式中分别与束流式腐蚀传感器中的参比电极bREy和bREz连接，在电阻率测量模式中分别与混凝土状态传感器中的参比电极cREx和cREy连接，Aout4是表示RE2_M和RE3_M电位差的单端信号输出端；OP5同相输入端与RE3_M连接，电阻R9两端分别与OP5的反相输入端和输出端连接，电阻R8两端分别与模拟地AGND和OP5的反相输入端连接；OP6的同相输入端与RE2_M连接，电阻R11两端分别与OP6的反相输入端和输出端Aout4连接，电阻R10两端分别与OP5的输出端和OP6的反相输入端连接；所述电流采样电路中CE2_M和CE3_M在电阻率测量模式下分别与混凝土状态传感器中的辅助电极cCEx和cCEy连接，在束流动电位扫描测量模式下CE2_M与束流式腐蚀传感器中的护环电极bGE连接，CE3_M不与任何电极连接，Aout5是表示CE2_M和CE3_M之间电流值的输出端；OP7同相输入端与参比电极电位差反馈控制电路输出端Aout6连接，电阻R13两端分别与OP7的反相输入端和输出端连接，电阻R12的两端分别与模拟地AGND和OP7的反相输入端连接；远放OP8的同相输入端与CE2_M连接，电阻R15两端分别与OP8的反相输入端和输出端Aout5连接，电阻R14两端分别与OP7的输出端和OP8的反相输入端连接；AS2的OUTIN端与Aout6连接，INOUT/0～3分别与电阻R16～19一端连接，电阻R16～19另一端与CE2_M连接，辅助电极接入端CE3_M与模拟地AGND连接，AS2的数字信号输入端Din3和Din4控制AS2的OUTIN与INOUT/0～3中的一个通道连接；所述参比电极电位差反馈控制电路中运放OP9的同相输入端与Ain3连接，反相输入端与Aout4连接，输出端与Aout6连接；OP9调整Aout6的输出电压，使Aout4的电压与Ain3的电压保持一致。

5.根据权利要求4所述的钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，其特征在于所述探针式腐蚀传感器与电极选择模块连接时，进行恒电位阶跃测量、动电位扫描测量、钢筋开路电位测量、电化学噪声测量、保护电位电流测量；所述束流式腐蚀传感器与电极选择模块连接时，进行束流动电位扫描测量；所述混凝土状态传感器与电极选择模块连接时，进行混凝土电阻率测量、混凝土孔溶液pH值、自由氯离子浓度测量。

6.根据权利要求5所述的钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，其特征在于所述探针式腐蚀传感器与电极选择模块连接并进行恒电位阶跃或动电位扫描测量时，所述钢筋激励信号合成电路将多个激励发生模块的输出信号按比例叠加后输出，作为钢筋电极的电位激励信号，所述参比电极电压跟随电路的RE1_M与参比电极aRE连接，提供高阻抗输入，测量参比电极aRE与模拟地AGND之间的电位差，所述钢筋电极电流跟随电路中WE_M与钢筋电极aWEx连接，将钢筋电极aWEx的电位与模拟地AGND保持一致，并测量通过钢筋电极aWEx的电流，所述钢筋电位反馈控制电路的CE1_M连接到辅助电极aCE，以钢筋激励信号合成电路输出的钢筋电极电位激励信号为参考信号，调节CE1_M处的电压，即调节辅助电极aCE和钢筋电极aWEx之间的槽压，使参比电极aRE和钢筋电极aWEx之间的电位差与钢筋激励信号合成电路输出的钢筋电极电位激励信号保持一致；

所述探针式腐蚀传感器与电极选择模块连接并进行钢筋开路电位测量时，所述钢筋电位反馈控制电路的CE1_M与辅助电极aCE的连接断开，参比电极电压跟随电路的RE1_M与参比电极aRE连接，钢筋电极电流跟随电路中WE_M与钢筋电极aWEx连接，在没有电流通过的情况下测量钢筋电极aWEx的电位；

所述探针式腐蚀传感器与电极选择模块连接并进行电化学噪声测量时，所述钢筋电位反馈控制电路的CE1_M与辅助电极aCE的连接断开，参比电极电压跟随电路的RE1_M与参比电极aRE连接，测量参比电极aRE与模拟地AGND之间的电位差，钢筋电极电流跟随电路中WE_M与钢筋电极aWEy连接，模拟地AGND与钢筋电极aWEz连接，钢筋电极电流跟随电路将钢筋电极aWEy的电位与钢筋电极aWEz的电位保持一致，即均为模拟地AGND的电位，同时测量二者间的耦合电流；

所述探针式腐蚀传感器与电极选择模块连接并进行保护电位电流测量时，所述钢筋电位反馈控制电路的CE1_M与辅助电极aCE的连接断开，参比电极电压跟随电路的RE1_M与参比电极aRE连接，测量参比电极aRE与模拟地AGND之间的电位差，钢筋电极电流跟随电路中WE_M与钢筋电极aWEy连接，模拟地AGND与结构钢筋连接，阴极保护下结构钢筋的电位将负移，而钢筋电极电流跟随电路使钢筋电极aWEy的电位始终与结构钢筋保持一致，同时测量电位负移时通过钢筋电极aWEy的电流，钢筋电极aWEy的尺寸远小于结构钢筋，可将钢筋电极aWEy的保护电流密度视为结构钢筋在钢筋电极aWEy处的保护电流密度。

7.根据权利要求5所述的钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，其特征在于所述束流式腐蚀传感器与电极选择模块连接并进行束流动电位扫描测量时，辅助电极bCE、参比电极bREx、结构钢筋分别连接到钢筋电位控制模块中的CE1_M、RE1_M和WE_M，钢筋电位控制模块调节施加在辅助电极bCE和结构钢筋之间的槽压，使结构钢筋与参比电极bREx之间的电位差按设定的激励波形稳态变化，同时参比电极bREy和bREz分别和束流与电阻率复用模块的参比电极电位差转换电路中RE2_M和RE3_M连接，参比电极电位差转换电路将参比电极bREy和bREz的电位差转换为单端信号，在辅助电极bCE和结构钢筋之间没有通电时读取参比电极bREy和bREz之间电位差的初始值，护环电极bGE与参比电极电位差反馈控制电路中CE2_M连接，参比电极电位差反馈控制电路以激励发生模块输出的信号为参考信号，调节CE2_M处的电压，即调节护环电极bGE与结构钢筋之间的槽压，在辅助电极bCE和结构钢筋之间通电的过程中始终维持参比电极bREy和bREz之间的电位差为通电前的初始值，同时由电流采样电路采集护环电极bGE和结构钢筋之间的电流。

8.根据权利要求5所述的钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，其特征在于所述混凝土状态传感器与电极选择模块连接并进行混凝土电阻率测量时，辅助电极cCEx、辅助电极cCEy、参比电极cREx、参比电极cREy分别和束流与电阻率复用模块中的CE2_M、CE3_M、RE2_M、RE3_M连接，CE3_M与模拟地AGND连接，参比电极电位差反馈控制电路以激励发生模块输出的信号为参考信号，调节CE2_M处的电压，即调节施加在辅助电极cCEx和cCEy之间的槽压，在混凝土中形成电势梯度，使参比电极cREx和cREy之间的电位差与激励发生模块输出的电压信号保持一致，同时由电流采样电路采集cCEx和cCEy之间的电流；

所述混凝土状态传感器与电极选择模块连接并进行混凝土孔溶液pH值或自由氯离子浓度测量时，参比电极cREx连接到参比电极电压跟随电路中的RE1_M，pH选择性电极或氯离子选择性电极连接到模拟地AGND，测量其相对于参比电极cREx的电位差，并通过相应的电极工作曲线转换为混凝土孔溶液pH值或自由氯离子浓度。

9.根据权利要求4所述的钢混结构腐蚀电化学监测用多功能无线节点，其特征在于所述钢筋电位控制模块中的运放OP1和OP2采用OP2177电压型运算放大器，运放OP3采用AD8638电流型运算放大器，运放OP4采用OPA551功率型运算放大器，开关AS1采用CD4051型多通路复用模拟开关芯片；所述束流与电阻率复用模块中的运放OP5～8采用OP2177电压型运算放大器，OP9采用OPA551功率型运算放大器，开关AS2采用CD4051多通路复用模拟开关芯片。

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