CN205538970U - 混凝土内部微环境参数原位动态监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其包括：温度传感器，用于测量混凝土内部温度；湿度传感器，用于测量混凝土内部湿度；全固态氯离子传感器，用于测量混凝土中氯离子含量；全固态pH传感器，用于测量混凝土内部pH值；宏电池组传感器，用于测量混凝土中钢筋的锈蚀情况；四方型框架，用于将各传感器连接成一个整体，起固定作用，防止在安装或者混凝土浇筑过程中传感器位置的变动。该监测系统具有定位准、测试全面、安装灵活，且带有自供电系统，利用太阳能供电，不需定时更换电池，方便快捷。

Description

混凝土内部微环境参数原位动态监测系统

技术领域

本实用新型涉及混凝土耐久性监测技术领域，尤其涉及一种对混凝土内部微环境参数原位动态监测系统。

背景技术

海洋经济的发展带动了海洋地区的建设，这种飞速发展离不开海港码头、海洋平台、跨海通道等基础设施的建设，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。但据我国建设部的调查表明：国内大多数工业建筑物在使用25～30年后即需大修，处于海洋等严酷环境下的建筑物使用寿命仅15～20年。这并不满足服役寿命的要求，况且海洋对于各种结构材料来说是一个十分严酷的腐蚀环境，海洋环境下混凝土的防护及修复，重大混凝土工程的耐久性和服役寿命一直是国内外混凝土科学界和工程界高度关注的问题，也是当今困扰海洋开发的世界性难题。混凝土破坏的主要原因为钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用等。其中，钢筋腐蚀破坏被确认为第一要害，而氯离子的侵蚀又是引起钢筋腐蚀的首要因素，尤其是海洋环境以及除冰盐环境条件下服役的混凝土结构。氯离子进入混凝土中并到达钢筋表面，当它吸附于局部钝化膜处时，可使该处的pH值迅速降低，破坏钢筋表面钝化膜。使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。由于大阴极对应于小阳极，坑蚀发展十分迅速。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只起到了“搬运”Fe²⁺的作用，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。另外，混凝土中的氯离子降低了阴、阳极之间的欧姆电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀过程。氯盐对钢筋腐蚀的强弱，与其达到钢筋表面的浓度有关，通常情况下氯盐对 钢筋锈蚀是起主导作用的。钢筋锈蚀的发生使得钢筋的截面积减小，导致构件应力集中。锈蚀产物的体积远大于钢筋的体积，钢筋锈蚀产物的体积膨胀使钢筋与混凝土界面产生膨胀压力，最终将导致混凝土保护层顺筋开裂。所以，获取混凝土内部氯离子的分布规律对于钢筋混凝土结构的耐久性至关重要。文献报道表明，混凝土内部的温度和含湿状态对混凝土中氯离子的传输影响很大，pH值的大小也会影响钢筋锈蚀的发展。并且混凝土内部温度、湿度与pH值不仅影响混凝土中氯离子的传输，还影响混凝土的强度，断裂能等力学性能以及混凝土碳化等耐久性性能。同时，在不同深度安装有宏电池组传感器，用于监测混凝土中不同深度处钢筋锈蚀的发生，从而为混凝土耐久性参数提供更全面的反馈信息。因此单一的混凝土内部微环境参数均无法全面反映混凝土内部的真实情况。如何在混凝土达到服役寿命之前，给出预警信号以便采取有效的防护与修复措施，来提高混凝土的安全性并延长其使用寿命是现在亟待解决的问题。为此，实时在线长期监测混凝土内部的温度、湿度、pH值、氯离子含量等重要参数，在钢筋混凝土结构破坏之前给出预警信号，这对钢筋混凝土结构的科学维护、结构的安全性和耐久性评估具有重大意义。混凝土内部微环境参数原位动态监测系统能够为重大工程结构的耐久性评估与修复提供科学依据。因此，开发混凝土内部微环境参数原位动态监测系统意义重大。CN 104075756 A公开了一种混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，优点是该系统能够无线监测混凝土中的相关参数，缺点是传感元件不能移动，监测位置单一，且外部采集器需要长期更换电池。CN 101334353A公开了一种用于监测钢筋混凝土结构腐蚀的多功能传感器，该传感器也能够监测混凝土中的相关参数，将各个传感器集成为一体，但监测点唯一，需要多个传感器埋入到混凝土中监测，并不能够反映出真实数据，且集成时所用的金属外壳为不锈钢圆筒，成本较高。

相比现有技术中的混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统，本实用新型提供的原位动态监测系统定位准、测试全面、安装灵活，且带有自供电系统，即与外部连接一个太阳能供电板装置，利用太阳能供电，不需定时更换电池，方便快捷。

发明内容

为克服上述现有技术中的混凝土结构耐久性多元复合无线监测系统存在的诸多问题，本实用新型提供一种新型的混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，方便研究混凝土内部温度、湿度、氯离子含量、pH值以及钢筋锈蚀的变化规律，该系统定位准、测试全面、安装灵活，且带有自供电系统，利用太阳能供电，不需定时更换电池，方便快捷。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种新型的混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其包括：

温度传感器，用于测量混凝土内部温度；

湿度传感器，用于测量混凝土内部湿度；

全固态氯离子传感器，用于测量混凝土中氯离子含量；

全固态pH传感器，用于测量混凝土的pH值；

宏电池组传感器，用于测量混凝土中钢筋的锈蚀情况；

四方型框架，用于将各传感器连接成一个整体，起固定作用，防止在安装或者混凝土浇筑过程中传感器位置的变动。

所述全固态氯离子传感器由全固态参比电极和全固态氯离子工作电极构成。

所述全固态pH传感器由全固态参比电极和全固态pH工作电极构成。

全固态氯离子工作电极采用电解法制备而成。即金属银在通电的情况下进行电解，使得银的表面生成一层氯化银薄膜。制备方法如下：将银丝(直径：2mm、纯度：99.999％)切成长度为2cm的银棒，然后将银棒的一端与铜导线焊接，焊接长度为0.5cm，焊接完成后，将待极化的银棒用600#、800#、1000#的砂纸打磨抛光，然后，用丙酮对银棒进行表面清洗，以除去表面的油污。随后，将其放入浓度5％的硝酸溶液1min，除去电极表面的氧化物，再将银棒放入酒精中清洗，最后用蒸馏水对电极进行清洗。为防止铜导线与银棒焊接处发生电偶腐蚀，用环氧树脂将焊接部位进行密封，只露出待极化的银棒，银棒外露长度为1.5cm。通过电化学工作站的三电极体系进行电解，使得银的表面生成一层氯化银薄膜，将水泥净浆填充在PVC管的底部，净浆硬化后厚度为1cm。然后将0.5mol/LKCl溶液加热到85℃，同时每10mL溶液加入1g羧甲基羟乙基纤维素，冷却至室温后得到凝胶电解质，并将其注入到PVC管内，作为凝胶功能层。最后再用环氧树脂对PVC管的另一端进行 密封。

全固态pH工作电极采用高温碳酸盐氧化法制备而成。制备过程如下：截取长度为1cm左右的贵金属铱丝(直径：0.5mm、纯度：99.99％)，依次用无水乙醇、蒸馏水清洗。将铱丝放入装有5g～10g的碳酸锂或碳酸钠的氧化铝坩埚，置于700℃～900℃高温炉中加热，达到目标温度后恒温1h～3h，铱丝的表面会生成结构致密的二氧化铱薄膜。然后让制备的电极在炉中慢慢冷却至室温，取出铱丝，用稀盐酸和去离子水清洗，并在80℃真空干燥箱中烘干2h。将氧化的铱丝端部与铜导线焊接，为防止发生电偶腐蚀，焊接处用环氧树脂密封，且将制备的电极放在PVC管中，用环氧树脂进行封装，露出电极探头约0.8cm。

全固态参比电极的具体制备方法为，将烘干的MnO₂、炭黑、锰粉和双酚A型环氧树脂粘结剂按照质量比5∶1∶2∶0.5进行混合。具体如下：首先将各种物质混合，然后用高速搅拌机搅拌均匀，并继续在研钵中研磨，研磨至粉体状后，将混合物放入烘箱中烘干，为使得粉体间易于结合，烘干后再次研磨30min。随后称量一定量的混合物，将其放入自制的钢模具中，通过万能压力试验机压制出MnO₂电极。在压制过程中，用电脑采集整个加载过程中所施加的力，达到目标压力值后持载5min，模具均匀受力，压制出来的电极密实均匀。所压制出来的电极直径为12mm，厚度为12.5mm。脱模后，用焊锡将铜导线焊接在电极的表面，在焊接处涂一层环氧，一是防止发生电偶腐蚀，二是使得铜导线与电极结合的更结实，不易脱离。将做好的混凝土半透膜填充在PVC管一端，放在养护室养护三天后再填入制成的碱性凝胶体，将已与铜导线焊接好的MnO₂电极放在碱性凝胶体的上部，最后用环氧树脂进行密封处理，最终制成全固态参比电极。

其中，所述四方型框架由支架、侧槽、接入接线盒的固定的不锈钢棒、连接各传感器的滑动的不锈钢棒、连接导线、PVC管、接线盒、航空插头以及螺丝构成。

所述支架与侧槽利用螺丝连接，各层上的连接传感器的滑动的不锈钢棒放有全固态氯离子工作电极、全固态参比电极、全固态pH工作电极、温度传感器、湿度传感器以及宏电池组传感器，对于各层来讲，不锈钢棒的端部留有螺纹孔，方便与螺丝固定，对于外侧的支架，不锈钢棒焊接在支架上， 且不锈钢棒上安装接线盒，导线经过空心的不锈钢棒内引线至接线盒中的航空插头，防止了导线的破坏。

其中，所述四方型框架的支架是镂空的腔体，呈门字型，其通过螺丝连接侧槽。

其中，侧槽上搭接不锈钢棒，不锈钢棒的端部通过螺丝连接。

其中，侧槽上刻有刻度，方便不锈钢棒的固定，连接各传感器的滑动的不锈钢棒滑动到指定位置后将螺丝拧紧，实现传感器的定位。

其中，在不锈钢棒上安置全固态氯离子工作电极、全固态参比电极、全固态pH工作电极、温度传感器、湿度传感器以及宏电池组传感器，移动位置后可监测任意指定位置的耐久性参数。

其中，全固态氯离子工作电极、全固态pH工作电极、全固态参比电极都封装在PVC管中，PVC管中灌入环氧，且PVC管在不锈钢棒上，全固态氯离子工作电极的探头用凝胶电解质保护，全固态参比电极的封装分为四层：一层即底层是混凝土半透膜层，二层为碱性凝胶层，三层即为压制出的MnO₂电极层，四层为导线引出处环氧树脂密封层，封装在PVC管中，避免在施工过程中由于受机械荷载对传感器探头造成破坏。

其中，宏电池组传感器由阳极、阴极、尼龙隔圈以及导线组成，包括两个阳极和两个阴极，形成两组宏电池组。

本实用新型还提供了上述混凝土内部微环境参数原位动态监测系统的安装方法，其包括：

将装有各种传感器的不锈钢棒用螺丝安装在带有导槽的U型侧槽上，其具体安装位置要根据实际需求而定，其中U型侧槽上带有刻度，可以根据刻度进行精准定位。然后，将装有传感器的侧槽按等间距方式安装在门字型支架，安装节点用螺丝连接。各传感器的导线通过U型侧槽而引出，侧槽内导线内置稍微长一些，以方便不锈钢棒的滑动，引出的导线做成防水型航空插头，航空插头作为连接器置于接线盒中，接线盒是用玻璃纤维增强型绝缘聚乙烯制造而成的，能够抵抗碱和氯化物的腐蚀，可防止水渗入导线包皮的内部，对导线进行保护，保证水密性良好，用于插监测插头的插座，为了保证嵌入在混凝土中的接线盒能方便的开关盖子，在其盖子上面覆盖了一层聚合物，作为接线盒的内部盖子。

本实用新型还提供了上述混凝土内部微环境参数原位动态监测的装置系统的安装使用方法，其可以为钻孔嵌入安装或者预埋式安装。

本实用新型的有益效果：

多功能钢筋混凝土腐蚀传感器集全固态pH工作电极、全固态参比电极、全固态氯离子工作电极、温度传感器、湿度传感器、宏电池组传感器于一体，结构紧凑，安装方便，不仅能现场无损地同时监测混凝土中pH值、氯离子含量、温度和湿度，并且可监测混凝土中钢筋状态和腐蚀速度，是现场监测钢筋腐蚀和混凝土内部微环境参数的有力工具。

附图说明

图1混凝土内部微环境参数原位动态监测的装置系统的立体图；

图2混凝土内部微环境参数原位动态监测的装置系统的主视图；

图3混凝土内部微环境参数原位动态监测的装置系统的左视图；

图4混凝土内部微环境参数原位动态监测的装置系统的俯视图；

图5为氯离子工作电极封装图；

图6为pH工作电极封装图。

图7为参比电极的封装图。

图8为不锈钢棒上各传感元件俯视图；

图9为不锈钢棒上各传感元件正视图。

具体实施方式

本实用新型提供一种新型的混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其包括：

温度传感器，用于测量混凝土内部温度；

湿度传感器，用于测量混凝土内部湿度；

全固态氯离子传感器，用于测量混凝土中氯离子含量；

全固态pH传感器，用于测量混凝土的pH值；

宏电池组传感器，用于测量混凝土中钢筋的锈蚀情况；

四方型框架，用于将各传感器连接成一个整体，起固定作用，防止在安装或者混凝土浇筑过程中传感器位置的变动。

所述全固态氯离子传感器由全固态参比电极和全固态氯离子工作电极构成。

所述全固态pH传感器由全固态参比电极和全固态pH工作电极构成。

全固态氯离子工作电极采用电解法制备而成。即金属银在通电的情况下进行电解，使得银的表面生成一层氯化银薄膜。制备方法如下：将银丝(直径：2mm、纯度：99.999％)切成长度为2cm的银棒，然后将银棒的一端与铜导线焊接，焊接长度为0.5cm，焊接完成后，将待极化的银棒用600#、800#、1000#的砂纸打磨抛光，然后，用丙酮对银棒进行表面清洗，以除去表面的油污。随后，将其放入浓度5％的硝酸溶液1min，除去电极表面的氧化物，再将银棒放入酒精中清洗，最后用蒸馏水对电极进行清洗。为防止铜导线与银棒焊接处发生电偶腐蚀，用环氧树脂将焊接部位进行密封，只露出待极化的银棒，银棒外露长度为1.5cm。通过电化学工作站的三电极体系进行电解，使得银的表面生成一层氯化银薄膜，将水泥净浆定在PVC管的底部，净浆硬化后厚度为1cm。然后将0.5mol/LKCl溶液加热到85℃，同时每10mL溶液加入1g羧甲基羟乙基纤维素，冷却至室温后得到凝胶电解质，并将其注入到PVC管内，作为凝胶功能层。最后再用环氧树脂对PVC管的另一端进行密封。

全固态pH工作电极采用高温碳酸盐氧化法制备而成。制备过程如下：截取长度为1cm左右的贵金属铱丝(直径：0.5mm、纯度：99.99％)，依次用无水乙醇、蒸馏水清洗。将铱丝放入装有5g～10g的碳酸锂或碳酸钠的氧化铝坩埚，置于700℃～900℃高温炉中加热，达到目标温度后恒温1h～3h，铱丝的表面会生成结构致密的二氧化铱薄膜。然后让制备的电极在炉中慢慢冷却至室温，取出铱丝，用稀盐酸和去离子水清洗，并在80℃真空干燥箱中烘干2h。将氧化的铱丝端部与铜导线焊接，为防止发生电偶腐蚀，焊接处用环氧树脂密封，且将制备的电极放在PVC管中，用环氧树脂进行封装，露出电极探头约0.8cm。

全固态参比电极的具体制备方法为，将烘干的MnO₂、炭黑、锰粉和双酚A型环氧树脂粘结剂按照质量比5∶1∶2∶0.5进行混合。具体如下：首先将各种物质混合，然后用高速搅拌机搅拌均匀，并继续在研钵中研磨，研磨至粉体状后，将混合物放入烘箱中烘干，为使得粉体间易于结合，烘干后再次研磨 30min。随后称量一定量的混合物，将其放入自制的钢模具中，通过万能压力试验机压制出MnO₂电极。在压制过程中，用电脑采集整个加载过程中所施加的力，达到目标压力值后持载5min，模具均匀受力，压制出来的电极密实均匀。所压制出来的电极直径为12mm，厚度为12.5mm。脱模后，用焊锡将铜导线焊接在电极的表面，在焊接处涂一层环氧树脂，一是防止发生电偶腐蚀，二是使得铜导线与电极结合的更结实，不易脱离。将做好的混凝土半透膜填充在PVC管一端，放在养护室养护三天后再填入制成的碱性凝胶体，将已与铜导线焊接好的MnO₂电极放在碱性凝胶体的上部，最后用环氧树脂进行密封处理，最终制成全固态参比电极。

所述四方型框架由支架、侧槽、接入接线盒的固定的不锈钢棒、连接各传感器的滑动的不锈钢棒、连接导线、PVC管、接线盒、航空插头以及螺丝构成。

安装传感器的不锈钢棒垂直于外侧的支架，且可在U型侧槽内自由滑动，安装接线盒的不锈钢棒与宽方向的支架在一个平面内，长方向的支架与宽方向的支架用螺丝连接，各个传感器直接插入不锈钢棒上的定位螺丝孔中，且各个传感器所引出的导线经过支架内部后引入接线盒，接线盒中与外部设备连接的即为航空插头。

所述支架与U型侧槽利用螺丝连接，各层上的不锈钢棒放有全固态氯离子工作电极、全固态参比电极、全固态pH工作电极、温度传感器、湿度传感器以及宏电池组传感器。对于各层来讲，不锈钢棒在U型侧槽的导槽内任意滑动，且端部留有螺纹孔，方便用螺丝固定，对于安装接线盒时所在平面的支架，不锈钢棒焊接在支架上，且不锈钢棒上安装接线盒，导线经过空心的不锈钢棒内引线至接线盒内的航空插头，防止了导线的破坏。

所述四方形框架的支架是镂空的腔体，呈门字型，其通过螺丝连接U型侧槽。

U型侧槽带有导槽和刻度，便于不锈钢棒在其内部滑动和定位，不锈钢棒的端部为螺纹孔，当不锈钢钢棒滑动到目标位置后，通过螺丝可以将其固定在U型侧槽上。在不锈钢棒上安置全固态氯离子工作电极、全固态pH工作电极、温度传感器、湿度传感器、全固态参比电极以及宏电池组传感器，移动位置后可监测任意指定位置的耐久性参数。

侧槽采用U型的AISI316型不锈钢槽。

宏电池组传感器为两组宏电池组。

全固态氯离子工作电极、全固态pH工作电极、全固态参比电极都封装在PVC管中，PVC管中灌入环氧，且PVC管在不锈钢棒上，全固态氯离子工作电极的探头用凝胶电解质保护，全固态参比电极的封装分为四层：一层即底层是混凝土半透膜层，二层为碱性凝胶层，三层即为压制出的MnO₂电极层，四层为导线引出处环氧树脂密封层，封装在PVC管中，避免在施工过程中由于受机械荷载对传感器探头造成破坏。

混凝土半透膜做法：按纯硅酸盐水泥：砂∶水∶细木屑为48∶48∶19.2∶2.5比例混合均匀而成。

碱性凝胶做法：饱和氢氧化钙与高吸水树脂吸水剂SAP混合在一起搅拌充分而制成，饱和氢氧化钙与高吸水树脂吸水剂的配比为1∶0.8～0.6。

湿度传感器采用一种透气不透水的刚性半透膜进行封装。

全固态氯离子工作电极、全固态参比电极、全固态pH工作电极、温度传感器以及湿度传感器要安装在不锈钢棒上的定位螺丝孔内。

宏电池组传感器由阳极、阴极、尼龙隔圈以及导线组成。

全固态氯离子传感器与宏电池组传感器相辅相成，互为校正，即氯离子传感器通过电位的变化来反应混凝土中氯离子含量，即电位与氯离子浓度对数呈线性关系来判断钢筋锈蚀的发生情况。宏电池组传感器是全固态氯离子传感器的补充，且宏电池组传感器也通过电位，反映目标位置处钢筋的锈蚀情况。为了避免数据的离散型，每层采用两组宏电池组传感器。

所述原位动态监测系统还自带自供电系统，即与外部连接一个太阳能供电板装置，利用太阳能供电，不需定时更换电池，方便快捷。

本实用新型还提供了上述混凝土内部微环境参数原位动态监测系统的安装方法，其包括：

将门字型支架按分层形式钻孔，将装有传感器的U型侧槽按等间距安装在门字型支架，安装节点用螺丝连接，各传感器的导线通过U型侧槽而引出，侧槽内导线内置长一些，以方便不锈钢棒的滑动，导线定位好之后，在U型侧槽内浇筑环氧，对不锈钢棒端部和导线进行密封保护。引出的导线做成防水型航空插头，航空插头有盖，作用是采集系统在安装之前可防止灰尘等的 侵入。航空插头作为连接器置于接线盒中，接线盒是用玻璃纤维增强型绝缘聚乙烯制造而成的，能够抵抗碱和氯化物的腐蚀，可防止水渗入导线包皮的内部，对导线进行保护，保证水密性良好，用于插监测插头的插座，为了保证嵌入在混凝土中的接线盒能方便的开关盖子，在其盖子上面覆盖了一层聚合物，聚合物的厚度约4毫米。另外，接线盒内安装有STM32的数据采集板和GPRS DTU无线传输终端，数据采集板通过航空插头的公头与上述连接传感器的航空插头的母头连接。采集系统在工作过程中可以根据设定的程序自动采集数据，也可以根据用户需求在办公室发送指令，采集即时数据。采集到的数据通过无线传输模块传送给用户。其中数据采集板和无线传输终端的供电是通过太阳能供电系统供电的。

安装接线盒时，使接线盒的上表面与保护它的聚合物的上表面相接，并将该聚合物轻轻压在安装盒上表面。

为使接线盒靠近所安装传感器的位置且方便施工后采集数据，减少导线的长度，将接线盒安装在门字型支架的中间位置，其连接方式是用通过不锈钢固定在门字型支架上，使得接线盒的开口端与门字型支架在一个平面上，方面拆模时开口端与外界相通，以便数据采集。

自供电系统是太阳能供电板装置。因为野外一般没有电可用，供电板自带一个蓄电池，蓄电池蓄电量可以保证连续阴天一周情况下采集系统的供电。

所述四方型框架可以包括一个不锈钢棒或者多个不锈钢棒，不锈钢棒分布在不同层上，每层的不锈钢棒都包括全固态氯离子工作电极、全固态参比电极、全固态pH工作电极、温度传感器、湿度传感器以及宏电池组传感器。

每层不锈钢棒上，两组宏电池组与四根导线相连，2根与阳极相连，2根与阴极相连，全固态氯离子工作电极与1根导线相连，全固态参比电极与1根导线相连，全固态pH工作电极与1根导线相连，温度传感器与2根导线相连，湿度传感器与2根导线相连，共11根导线，导线从侧槽引出后集成一束电缆，该电缆有屏蔽线，可以屏蔽电磁信号对内部导线中弱电的干扰，连接位置用热缩管封闭，防止导线连接处锈蚀，起到防腐作用。

混凝土内部微环境参数原位动态监测系统数据通过无线网络技术输送到电脑终端，监测不同深度和不同部位的耐久性参数。采集系统根据相关理论设置各参数的预警值，当达到预警值时，系统自动发出预警信号到用户客户 端。

本实用新型是对混凝土内部微环境参数原位动态监测的装置系统，外部设备为数据采集发射终端，通过GPRS无线传输将数据发出，导入电脑终端，简化了现场记录数据，节约时间，节省了大量的人力和物力。

本实用新型还提供了上述混凝土内部微环境参数原位动态监测的装置系统的安装使用方法，其可以为钻孔嵌入安装或者预埋式安装。

所述钻孔嵌入安装具体为在待监测的结构体监测部位钻特定尺寸孔洞，将带有传感元件的四方型框架嵌入其内，监测器安装在结构体表面，供现场监测、主控室监测或数据无线传输监测。

所述预埋式安装具体为在浇注混凝土前将带有传感元件的四方型框架固定在混凝土模板上，将传感器导线经结构内部引至接线盒，可选择现场监测，主控室监测或无线传输网络监测等测量方案。

以下采用实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

图1至图4所示，本实用新型提供一种混凝土内部微环境参数原位动态监测的装置系统，温度传感器1，用于测量混凝土内部温度；湿度传感器2，用于测量混凝土内部湿度；全固态氯离子传感器，用于测量混凝土中氯离子含量；全固态pH传感器，用于测量混凝土的pH值；宏电池组传感器，用于测量混凝土中钢筋的锈蚀情况；四方型框架，用于将各支架连接成一个整体，起固定作用，防止在安装或者混凝土浇筑过程中传感器位置的变动。所述四方型框架由支架3、侧槽4、接入接线盒的固定不锈钢棒5、连接各传感器的滑动的不锈钢棒6、连接导线、PVC管7、接线盒8、航空插头以及螺丝10构成。所述全固态氯离子传感器由全固态参比电极11和全固态氯离子工作电极12构成。所述全固态pH传感器由全固态参比电极11和全固态pH工作电极13构成。U型侧槽4上带有导槽和刻度，方便不锈钢棒位置的定位和固定，不锈钢棒6滑动到指定位置后将螺丝拧紧，实现传感器的定位。

宏电池组传感器由阳极23、阴极25、尼龙隔圈24以及导线组成。

图5给出了全固态氯离子工作电极的整体封装结构，全固态氯离子工作电极26通过PVC管7进行封装，且通过凝胶电解质27进行保护，在尾端用 环氧树脂15包裹，尾端连有导线17，另一端用水泥净浆16填充。

制备方法为将银丝(直径：2mm、纯度：99.999％)切成长度为2cm的银棒，然后将银棒的一端与铜导线焊接，焊接长度为0.5cm，焊接完成后，将待极化的银棒用600#、800#、1000#的砂纸打磨抛光，然后，用丙酮对银棒进行表面清洗，以除去表面的油污。随后，将其放入浓度5％的硝酸溶液1min，除去电极表面的氧化物，再将银棒放入酒精中清洗，最后用蒸馏水对电极进行清洗。为防止铜导线与银棒焊接处发生电偶腐蚀，用环氧树脂将焊接部位进行密封，只露出待极化的银棒，银棒外露长度为1.5cm。通过电化学工作站的三电极体系进行电解，使得银的表面生成一层氯化银薄膜，将水泥净浆定在PVC管的底部，净浆硬化后厚度为1cm。然后将0.5mol/LKCl溶液加热到85℃，同时每10mL溶液加入1g羧甲基羟乙基纤维素，冷却至室温后得到凝胶电解质27，并将其注入到PVC管内，作为凝胶功能层。最后再用环氧树脂对PVC管的另一端进行密封。

图6给出了全固态pH工作电极的整体封装结构，pH工作电极28尾端通过PVC管7进行封装，头部露出工作探头，在尾端用环氧树脂15包裹，尾端连有导线17。

全固态pH工作电极采用高温碳酸盐氧化法制备而成。制备过程如下：截取长度为1cm左右的贵金属铱丝(直径：0.5mm、纯度：99.99％)，依次用无水乙醇、蒸馏水清洗。将铱丝放入装有5g～10g的碳酸锂或碳酸钠的氧化铝坩埚，置于700℃～900℃高温炉中加热，达到目标温度后恒温1h～3h，铱丝的表面会生成结构致密的二氧化铱薄膜。然后让制备的电极在炉中慢慢冷却至室温，取出铱丝，用稀盐酸和去离子水清洗，并在80℃真空干燥箱中烘干2h。将氧化的铱丝端部与铜导线焊接，为防止发生电偶腐蚀，焊接处用环氧树脂密封，且将制备的电极放在PVC管中，用环氧树脂进行封装，露出电极的头部约0.8cm。

如图7所示，全固态参比电极的封装分为四层：一层即底层是混凝土半透膜层18，二层为碱性凝胶层19，三层即为压制出的MnO₂电极层20，四层为导线引出处环氧密封层21，由导线17引出，封装在PVC管7中。

全固态参比电极的具体制备方法为，将烘干的MnO₂、炭黑、锰粉和双酚A型环氧树脂粘结剂按照质量比5∶1∶2∶0.5进行混合。具体如下：首先将各 种物质混合，然后用高速搅拌机搅拌均匀，并继续在研钵中研磨，研磨至粉体状后，将混合物放入烘箱中烘干，为使得粉体间易于结合，烘干后再次研磨30min。随后称量一定量的混合物，将其放入自制的钢模具中，通过万能压力试验机压制出MnO₂电极。在压制过程中，用电脑采集整个加载过程中所施加的力，达到目标压力值后持载5min，模具均匀受力，压制出来的电极密实均匀。所压制出来的电极直径为12mm，厚度为12.5mm。脱模后，用焊锡将铜导线焊接在电极的表面，在焊接处涂一层环氧，一是防止发生电偶腐蚀，二是使得铜导线与电极结合的更结实，不易脱离。将做好的混凝土半透膜填充在PVC管一端，放在养护室养护三天后再填入制成的碱性凝胶体，将已与铜导线焊接好的MnO₂电极放在碱性凝胶体的上部，最后用环氧树脂进行密封处理，最终制成全固态参比电极。

图8、图9分别是不锈钢棒上传感元件的俯视图和正视图。安装各传感元件时，全固态氯离子工作电极、全固态参比电极、全固态工作电极、温度传感器以及湿度传感器是通过定位螺丝孔29连接，为方便传感器的安装，在不锈钢棒的侧面钻预留孔30，方便传感器的固定。且安装宏电池组传感器时采用了变截面不锈钢棒，变截面处设有尼龙隔圈24，且在变截面处较小直径不锈钢棒与外侧的较大直径不锈钢棒之间填充环氧树脂15，一是起到与不锈钢绝缘的作用，二是起到固定不锈钢棒的作用。环氧树脂的外围即为宏电池组传感器，其阳极23与阴极25之间用尼龙隔圈24隔开。不锈钢棒的端部是带有螺纹的，方便与螺丝连接。传感器的安装需露出其工作端，使得工作端直接与混凝土接触。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本实用新型新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，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。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型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，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其特征在于，包括：

温度传感器，用于测量混凝土内部温度；

湿度传感器，用于测量混凝土内部湿度；

全固态氯离子传感器，用于测量混凝土中氯离子含量；

全固态pH传感器，用于测量混凝土的pH值；

宏电池组传感器，用于测量混凝土中钢筋的锈蚀情况；

四方型框架，用于将各传感器连接成一个整体，起固定作用，防止在安装或者混凝土浇筑过程中传感器位置的变动。

2.如权利要求1所述的混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其特征在于：所述四方型框架由支架、侧槽、接入接线盒的固定的不锈钢棒、连接各传感器的滑动的不锈钢棒、连接导线、PVC管、接线盒、航空插头以及螺丝构成。

3.如权利要求1或2所述的混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其特征在于：所述四方形框架的支架是镂空的腔体，呈门字型，其通过螺丝连接侧槽。

4.如权利要求1或2所述的混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其特征在于：所述全固态氯离子传感器由全固态参比电极和全固态氯离子工作电极构成。

5.如权利要求1或2所述的混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其特征在于所述全固态pH传感器由全固态参比电极和全固态pH工作电极构成。

6.如权利要求1或2所述的混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其特征在于：在不锈钢棒上安置全固态氯离子工作电极、全固态pH工作电极、温度传感器、湿度传感器、全固态参比电极以及宏电池组传感器，移动位置后可监测任意指定位置的耐久性参数。

7.如权利要求1或2所述的混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其特征在于：全固态氯离子工作电极、全固态pH工作电极、全固态参比电极都封装在PVC管中，PVC管中灌入环氧，且PVC管在不锈钢棒上，氯离子工作电极的探头用凝胶电解质保护，参比电极的封装分为四层，一层即底 层是混凝土半透膜层，二层为碱性凝胶层，三层即为压制出的MnO₂电极层，四层为导线引出处环氧密封层，封装在PVC管中，避免在施工过程中由于受机械荷载对传感器探头造成破坏。

8.如权利要求1或2所述的混凝土内部微环境参数原位动态监测系统，其特征在于：还自带自供电系统，即与外部连接一个太阳能供电板装置，利用太阳能供电。