CN212904660U - 基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器，包括磁感应强度监测单元和数据处理单元，磁感应强度监测单元包括永磁体、左侧磁芯、右侧磁芯、传感器封装外壳、第一霍尔传感器和第二霍尔传感器；数据处理单元包括信号处理器和中央处理器。本实用新型适合既有建筑物的钢筋非均匀锈蚀监测，通过磁场通过钢筋非均匀锈蚀区域进行钢筋非均匀锈蚀的有效测定，同时，一个贴面式传感器对应多根进行锈蚀监测，具有原理清楚、方法简便、测定速度快、重复使用、工程应用性强和稳定性好等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及建筑工程中的钢筋锈蚀监测技术，特别涉及一种基于磁场原理的贴面式钢筋锈蚀无损监测传感器。
背景技术
自从1824年水泥被发明，混凝土成为世界上使用最广泛的建筑材料，由于其具有原材料丰富，制作工艺简单，成本低，以及抗压强度高等特点被广泛应用于工业与民用建筑、桥梁、隧道等土木工程领域。1991年，在第二届混凝土耐久性国际学术会议上指出氯盐侵蚀导致钢筋锈蚀是最严重、最普遍的混凝土结构耐久性问题。
钢筋锈蚀不仅会使钢筋混凝土结构的承载能力降低，还会降低钢筋的有效截面面积和钢筋混凝土之间的粘结力。因此，量化表征及监测钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀程度，对于合理制定钢筋混凝土结构的维护方案，保障混凝土结构的安全性具有重要意义。
目前，钢筋锈蚀的监测方法分为破损检测和无损检测。破损检测测量结果较为精确，但需对钢筋混凝土结构进行破型取出钢筋，对混凝土结构造成的损害不可逆转，对正处于服役期间的钢筋混凝土结构并不适用。无损检测方法是当今研究的热点，主要有半电池电位法、声发射技术和内置式监测技术。半电池电位法利用钢筋锈蚀的电化学反应引起电位变化，测定钢筋锈蚀状态，但其精确度较低，只能定性判断钢筋锈蚀概率，且无统一判定标准；声发射技术依据累计撞击数等参数，只能定性判断锈蚀发生概率，无法定量测量钢筋锈蚀率；基于磁场原理的钢筋锈蚀监测方法，中国专利授权公告号 CN109374726A，授权公告日为2019年2月22日，名称为“基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器及系统”和中国专利授权公告号CN208420791U，授权公告日为2019年1月22日，名称为“一种钢筋锈蚀电磁场变响应装置”，两件专利提供了一种内置于混凝土的钢筋锈蚀监测传感器，此类传感器能精准测定钢筋均匀锈蚀的情况，但尚存在不足：一是内置式监测传感器由于卡紧钢筋，会严重影响钢筋的自然锈蚀规律，且此类传感器只能精准测定钢筋均匀锈蚀的情况，但自然环境下的钢筋锈蚀往往呈现不均匀性，二是传感器内置于混凝土内，只能一次性使用，成本较高，三是此传感器适合新浇钢筋混凝土结构钢筋锈蚀监测，并不适用于既有钢筋混凝土结构钢筋锈蚀监测；中国专利授权公告号CN108469514A，授权公告日为2018 年8月31日，名称为“一种混凝土内钢筋锈蚀行为的监测设备及其方法”，此专利涉及的传感器为外置式传感器，也存在不足之处，只能针对实验室内的小型钢筋混凝土试件进行锈蚀测定，且钢筋位置的不同对试验结果影响较大。
在实际建筑工程中，仍然没有精确测定既有建筑物中部钢筋锈蚀率的传感器和测试方法。
可见，找到一种原理清楚、方法简便、测定速度快、重复使用、工程应用性强和稳定性好等优点的钢筋非均匀锈蚀监测传感器，对提高钢筋锈蚀程度评估和预测不断深入具有重要意义。
发明内容
为了克服现有建筑工程钢筋非均匀锈蚀无损监测技术的不足，本实用新型提供一种稳定性高、操作简便、能够实现贴面式钢筋锈蚀监测，尤其涉及应用基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测技术：贴面式传感器外贴与钢筋混凝土结构表面，即磁芯外置于钢筋混凝土结构之外，磁路通过非均匀锈蚀钢筋的锈蚀区域，能够监测磁路通过长度钢筋非均匀锈蚀情况，可通过测试得到的霍尔电压有效判定钢筋混凝土结构中部单根检测钢筋锈蚀情况；用以测定钢筋的锈蚀率并评估钢筋的锈蚀程度和预测钢筋的使用寿命，以解决目前尚无有效方法测定钢筋混凝土结构中部钢筋锈蚀率的问题。
为了解决上述技术问题本实用新型提供如下的技术方案：
一种基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器，包括磁感应强度监测单元和数据处理单元，所述的磁感应强度监测单元包括永磁体、左侧磁芯、右侧磁芯、传感器封装外壳、第一霍尔传感器和第二霍尔传感器；所述的传感器封装外壳包括传感器内壳和传感器封装盖；所述的传感器内壳包括第一固定孔、第二固定孔、左磁芯放置槽、右磁芯放置槽、永磁体放置槽、线缆折弯空间和线孔；所述的传感器内壳和封装盖均含有第一固定孔和第二固定孔；
所述的数据处理单元包括信号采集器、信号处理器和中央控制器，所述的信号采集器的输入端与所述的霍尔传感器的信号输出端电连，所述的信号处理器的信号输出端与所述的中央控制器的端口电连。
进一步，所述的左侧磁芯和右侧磁芯为对称结构和矩形截面，所述的左侧磁芯和右侧磁芯为硅钢材质，所述的永磁体为钕镍硼材质，所述的传感器封装外壳为塑料材质。
所述的贴面式传感器外贴于混凝土结构之上。
所述的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器对称布置。
所述的第一固定孔和第二固定孔为螺纹孔。
所述的传感器内壳和传感器封装盖含有第一固定孔和第二固定孔，安装时用相对应的螺钉和螺帽进行螺栓连接。
所述的螺钉和螺帽需为黄铜材质，目的是防止对磁场进行干扰。
所述的信号采集器与第一霍尔传感器和第二霍尔传感器之间安装有指示灯，所述的指示灯提示信号采集器、第一霍尔传感器和第二霍尔传感器是否正常工作。
所述的第一霍尔传感器和第二传感器应沿中心线对称布置，可根据精度要求和实际工程需求对称布置1个或多个传感器。
作为一种改进，所述的永磁体连同左侧磁芯和右侧磁芯检测后需放置在绝磁环境中，以避免永磁体消磁对检测精度的影响。
作为一种改进，所述的一个贴面式传感器可对多根钢筋进行钢筋非均匀锈蚀监测，可重复利用和流动监测。
作为一种改进，所述的传感器封装外壳含有电路板连接线缆折弯空间，以保证线路能够有效折弯。
作为一种改进，所述数据处理单元，其相关控制电路可利用现有成熟技术实现，主要包括测定霍尔传感器霍尔电压从而计算得出锈蚀率。霍尔电压测定系统与数据处理系统通过信号处理器和中央控制器完成数据存储、后处理和实时显示。
本实用新型的有益效果是：本实用新型基于无损检测方法，运用磁感应技术并采用独具创新的贴面式传感器测试方法实现钢筋非均匀锈蚀无损监测，根据理论公式计算得到钢筋的锈蚀率。突破了传统测试方法的测试稳定性、精确性和使用次数的限制，实现对钢筋混凝土试件非边角钢筋锈蚀率的测试；其测试方法既适用于新浇钢筋混凝土结构又适用于既有钢筋混凝土结构；测得的钢筋锈蚀率可应用于钢筋混凝土结构当前服役性能评估和耐久性预测。测试对象可适用于不同尺寸和形状的混凝土柱、梁和板，本实用新型所述的贴面式传感器可对应不同的钢筋进行监测，具有原理清楚、方法简便、测定速度快、重复使用和稳定性好等优点，可弥补现有方法与设备钢筋锈蚀率测定的不足。
附图说明
图1为本实用新型的传感器工作结构示意图。
图2为本实用新型传感器内壳三维示意图。
图3为本实用新型感器内壳三视图。
图4为本实用新型传感器封装盖三维示意图。
图5为本实用新型传感器封装盖三视图。
图6为左侧磁芯三视图。
图7为右侧磁芯三视图。
图中附图标记：1、钢筋混凝土试件；2、检测钢筋；3-1、第一霍尔传感器；3-2、第二霍尔传感器；4、永磁体；5、左侧磁芯；6、右侧磁芯；7、传感器封装外壳；7-1、第一固定孔；7-2、第二固定孔；7-3、永磁体放置槽；7-4、左侧磁芯放置槽；7-5、右侧磁芯放置槽；7-6、线缆折弯空间；7-7、线孔；7-8、封装盖；8、电路指示灯； 9、信号采集器；10、信号处理器；11、中央控制器；12、钢筋锈蚀区域。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型。
参照图1～图7，一种基于磁场原理的贴面式钢筋锈蚀监测传感器，包括磁感应强度监测单元和数据处理单元；
所述的磁感应强度监测单元包括永磁体4、左侧磁芯5、右侧磁芯6、传感器封装外壳7、第一霍尔传感器3-1、第二霍尔传感器3-2；所述的传感器封装外壳7包括传感器内壳和传感器封装盖7-8；所述的传感器内壳包括第一固定孔7-1、第二固定孔7-2、左磁芯放置槽7-4、右磁芯放置槽7-5、永磁体放置槽7-3、线缆折弯空间7-6和线孔7-7；所述的传感器内壳和封装盖均含有第一固定孔7-1和第二固定孔7-2。
所述的数据处理单元包括信号采集器9、信号处理器10和中央控制器11，所述的信号采集器9的输入端与所述的霍尔传感器3-1 和3-2的信号输出端电连，所述的信号处理器10的信号输出端与所述的中央控制器11的端口电连。
进一步，所述的左侧磁芯5和右侧磁芯6为对称结构。
所述的左侧磁芯5和右侧磁芯6为硅钢材质。
所述的永磁体4为钕镍硼材质。
所述的封装外壳7为塑料材质。
所述的贴面式传感器外贴于混凝土结构1之上。
所述的第一霍尔传感器3-1和第二霍尔传感器3-2对称布置。
所述的第一固定孔7-1和第二固定孔7-2为螺纹孔。
所述的传感器内壳和传感器封装盖7-8含有第一固定孔7-1和第二固定孔7-2，安装时用相对应的螺钉和螺帽进行螺栓连接。
所述的螺钉和螺帽需为黄铜材质，目的是防止对磁场进行干扰。
所述的信号采集器9与第一霍尔传感器3-1和第二霍尔传感器 3-2之间安装有指示灯8，所述的指示灯8提示信号采集器9、第一霍尔传感器3-1和第二霍尔传感器3-2是否正常工作。
所述的霍尔传感器可根据精度要求和实际工程需求对称布置1 个或多个传感器。
作为一种改进，所述的永磁体4连同左侧磁芯5和右侧磁芯6检测后需放置在绝磁环境中，以避免永磁体消磁对检测精度的影响。
作为一种改进，所述的一个贴面式传感器可对多根钢筋进行钢筋非均匀锈蚀监测，可重复利用和流动监测。
作为一种改进，所述的封装外壳7含有电路板连接线缆折弯空间 7-6，以保证线路能够有效折弯。
作为一种改进，所述数据处理单元，其相关控制电路可利用现有成熟技术实现，主要包括测定霍尔传感器霍尔电压从而计算得出锈蚀率。霍尔电压测定系统与数据处理系统通过信号处理器10和中央控制器11完成数据存储、后处理和实时显示。
本实施例的基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器的测试方法，以直径为16mm的HPB300光圆钢筋为例，包括以下步骤：
第一步，钢筋混凝土试件待测前的准备，过程如下：
1.1取长度为400cm，直径为16mm光圆钢筋作为标定钢筋和待测钢筋，称量待测钢筋质量m1I，m2I，m3I，m4I，m5I，m6I，m7I和标定钢筋质量m0，并记录；
1.2将标定钢筋和待测钢筋两端一半长度即20cm处涂环氧树脂并置于模具中，混凝土的原材料为：水泥为P.I 525级波特兰水泥，砂采用细度模数2.6的河砂，粗骨料采用连续级配的碎石(最大粒径为25mm)，水采用自来水，在模具中浇筑试件有效截面尺寸为150mm×150mm，钢筋长度为400mm，两侧钢筋突出长度为50mm，试件长度为300mm；
第二步，测定前的准备，过程如下：
2.1将永磁体4、左侧磁芯5和右侧磁芯6分别放入永磁体放置槽7-3、左侧磁芯放置槽7-4和右侧磁芯放置槽7-5，安装线路板、第一霍尔传感器3-1和第二霍尔传感器3-2，将线缆在线缆折弯空间7-6 处折弯，并通过线孔7-7外接指示灯8和信号采集器9，最后用螺钉和螺帽通过第一固定孔7-1和第二固定孔7-2将传感器内壳和传感器封装盖7-8螺栓连接。
2.2将钢筋置于模具中浇筑成型，标准条件下养护28天，浇筑成型标定钢筋混凝土试件和待测钢筋混凝土试件在标准盐浓度溶液中浸泡至饱盐，所述标准氯化钠溶液的浓度0.1～2mol/L；
2.3传感器通过封装外壳7封装后，置于钢筋混凝土试件1上，与监测磁路连通，通过中央控制器11控制信号采集器9的采集频率，通电测试传感器，保证霍尔传感器进行正常的采集工作；
第三步，标定试验，过程如下：
3.1记录质量为m1I，m2I，m3I，m4I，m5I，m6I，m7I对应的钢筋混凝土试件1锈蚀前标定钢筋的霍尔电压V1I，V2I，V3I，V4I，V5I，V6I， V7I；
3.2通过记号笔在混凝土表面标记贴面式传感器的放置位置，以保证原位监测；
3.3以电流加速锈蚀的方式实现钢筋锈蚀的模拟实验，控制电流密度相同，质量为m1I，m2I，m3I，m4I，m5I，m6I，m7I对应的钢筋混凝土试件1等间隔时间通电t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7；
3.4记录钢筋混凝土试件1锈蚀后标定钢筋的霍尔电压数据V1II， V2II，V3II，V4II，V5II，V6II，V7II和钢筋质量数据m1II，m2II，m3II，m4II， m5II，m6II，m7II；
3.5分别计算标定钢筋质量变化率△m1，△m2，△m3，△m4，△ m5，△m6，△m7，计算公式分别为式(1)～(7)；
3.6分别计算标定钢筋霍尔电压△V1，△V2，△V3，△V4，△V5，△V6，△V7，计算公式分别为式(8)～(14)
3.7对钢筋质量变化率与霍尔电压之间的关系进行线性拟合，得到线性关系系数α；
第四步，测定试验，过程如下：
4.1记录待测试件锈蚀前的霍尔电压V0I；
4.2将待测的钢筋混凝土试件1置于容易导致钢筋发生锈蚀的环境中，如干湿循环的环境下，促使钢筋发生锈蚀；
4.3将锈蚀后的待测试件放回原位，记录钢筋锈蚀后的霍尔电压 V0II；
4.4钢筋的锈蚀率PII，计算公式为式(15)
PII＝α(V0II-V0I) (15)
实例：以工程实际的钢筋混凝土梁作为测试案例，梁底部钢筋为 3根直径20mm的HRB400带肋钢筋，左右两侧的梁钢筋间距为 25mm，上部架立钢筋为2根直径为16mm的HPB300光圆钢筋，混凝土的原材料为：水泥为P.I 525级波特兰水泥，砂采用细度模数2.6的河砂，粗骨料采用连续级配的碎石(最大粒径为25mm)，水采用自来水，在标准模具中浇筑试件有效截面尺寸为150mm×150mm，梁长度为1m，浇筑成型后在养护室标准养护28d，以此浇筑的钢筋混凝土梁为例对实际工程钢筋混凝土梁锈蚀预测做具体说明：
1.按照工程实际钢筋混凝土梁的尺寸按照测试方法的步骤 1.1-3.7进行室内试验标定，对钢筋质量变化率与霍尔电压之间的关系进行线性拟合，得到线性关系系数α。
2.将永磁体4、左侧磁芯5和右侧磁芯6分别放入永磁体放置槽7-3、左侧磁芯放置槽7-4和右侧磁芯放置槽7-5，安装线路板、第一霍尔传感器3-1和第二霍尔传感器3-2，将线缆在线缆折弯空间7-6 处折弯，并通过线孔7-7外接指示灯8和信号采集器9，最后用螺钉和螺帽通过第一固定孔7-1和第二固定孔7-2将传感器内壳和传感器封装盖7-8螺栓连接。
3.将钢筋置于模具中浇筑成型，标准条件下养护28天。
4.传感器通过封装外壳7封装后，置于钢筋混凝土试件1上，与监测磁路连通，通过中央控制器11控制信号采集器9的采集频率，通电测试传感器，保证霍尔传感器进行正常的采集工作，将传感器贴在混凝土表面，记录检测钢筋锈蚀前的霍尔电压V2I，并用记号笔标记传感器的初始位置，并将传感器置于磁绝缘环境中，以防止发生消磁；
5.实际的钢筋混凝土梁在自然条件下一定时间发生锈蚀后，传感器放回原位，记录钢筋锈蚀后的霍尔电压V2II；
6.钢筋混凝土梁内锈蚀钢筋的锈蚀率PII，计算公式为式(16)
PII＝α(V2II-V2I) (16)。
本实用新型书实施例所述的内容仅仅是对实用新型构思的实现形式的列举，本实用新型的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本实用新型的保护范围也包括本领域技术人员根据本实用新型构思所能想到的等同技术手段。
Claims (8)
1.一种基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器，其特征在于，包括磁感应强度监测单元和数据处理单元，所述的磁感应强度监测单元包括永磁体、左侧磁芯、右侧磁芯、传感器封装外壳、第一霍尔传感器和第二霍尔传感器；所述的传感器封装外壳包括传感器内壳和传感器封装盖；所述的传感器内壳包括第一固定孔、第二固定孔、左磁芯放置槽、右磁芯放置槽、永磁体放置槽、线缆折弯空间和线孔；所述的传感器内壳和封装盖均含有第一固定孔和第二固定孔；
所述的数据处理单元包括信号采集器、信号处理器和中央控制器，所述的信号采集器的输入端与所述的霍尔传感器的信号输出端电连，所述的信号处理器的信号输出端与所述的中央控制器的端口电连。
2.如权利要求1所述的基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器，其特征在于，所述的左侧磁芯和右侧磁芯为对称结构和矩形截面，且为硅钢材质，永磁体为钕镍硼材质，所述的封装外壳为塑料材质。
3.如权利要求1或2所述的基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器，其特征在于，所述的传感器内壳和传感器封装盖含有第一固定孔和第二固定孔，所述的第一固定孔和第二固定孔为螺纹孔，安装时用相对应的螺钉和螺帽进行螺栓连接。
4.如权利要求3所述的基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器，其特征在于，所述的螺钉和螺帽需为黄铜材质。
5.如权利要求1或2所述的基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器，其特征在于，所述的第一霍尔传感器和第二传感器应沿中心线对称布置，根据精度要求和实际工程需求对称布置1个或多个传感器。
6.如权利要求1或2所述的基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器，其特征在于所述的信号采集器与第一霍尔传感器和第二传感器之间安装有指示灯，所述的指示灯提示信号采集器、第一霍尔传感器和第二霍尔传感器是否正常工作。
7.如权利要求1或2所述的基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器，其特征在于，所述的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器布置1个或多个传感器。
8.如权利要求1或2所述的基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器，其特征在于，所述的封装外壳含有电路板连接线缆折弯空间，以保证线路能够有效折弯。
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|---|---|---|---|---|
| CN112034034A (zh) * | 2020-08-21 | 2020-12-04 | 浙江工业大学 | 基于磁场原理的贴面式钢筋非均匀锈蚀监测传感器及测试方法 |
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