混凝土中钢筋腐蚀监测传感器的设计.pdf

第 2 l 卷 Vo 1 21 第 1 期 No 1 电 子设计 工 程 E l e c t r o n i c De s i g n En g i n e e r i n g 2 0 1 3年 1月 J a n 2 0 1 3 混凝土中钢筋腐蚀监测传感器的设计 邵元 超 ，胡志 忠 ，吴 瑾 ，赫 雷 ( 1 南京航 空航天大 学 电子信息工程 学院，江苏 南京 2 1 0 0 1 6 ； 2 南京航 空航 天大学 航 空宇航 学院 ，江苏 南京2 1 0 0 1 6 ) 摘 要 ： 介绍 了基 于电磁耦合 的混凝土 中钢 筋腐蚀监测传感 器的原理 和模 型 ，并应 用 A N S Y S软 件仿 真设计 出符合工 程需要 的腐蚀监 测传感器 的尺 寸和线圈的 匝数 。根 据 由 A N S YS仿真 已得 到的线 圈电感值和线 圈耦 合 系数 ，应 用 P S p i c e软件仿 真设计 出钢 筋腐蚀监 测传 感器 中其他元件参 数的大 小。对钢 筋腐蚀监 测传 感器进行 了详 细的仿真设 计 ， 为其 实际制作提供重要参数依据 。 关 键 词 ：钢 筋 混 凝 土 腐 蚀 监 测 ；传 感 器 ；ANS YS；P S p i c e 中图分 类号 ： T G1 7 4 3 文献标识码 ： A 文章编号 ：1 6 7 4 6 2 3 6 ( 2 0 1 3 ) 0 l 一 0 0 7 7 0 4 De s i g n o f s e n s o r f o r mo n i t o r i n g t h e c o r r o s i o n o f r e i n f o r c e m e n t i n c o n c r e t e S HAO Yu a n - c h a o 。 ，HU Z h i - z h o n g ，WU J i n ，HE L e i ( 1 C o l l e g e o fE le c t r o n i c a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ， N a n j i n g U n i v e r s i t y o fA e r o n a u t i c s a n d A s t r o n a u t ic s ， N a n j i n g 2 1 0 0 1 6 ，C h i n a ； 2 C o l l e ge ofAe r o s p a c e E n gi nee r i n g ， N a n j i n gU n i v e r s i t yofA e r o n a u t ic s a n dA s t r o n a u t i c s ， N auj i n g 2 1 0 0 1 6 C i au ) Ab s t r a c t ：T h e p ri n c i p l e a n d mo d u l e o f t h e s e n s o r b a s e d o n t h e e l e c t r o ma g n e t i c c o u p l i n g f o r mo n i t o ri n g t h e c o r r o s i o n o f r e i nfo rce me n t i n c o n c r e t e i s i n t rod u c e d D e p e n d i n g o n t h e d e ma n d o f p r o j e c t ， d i me n s i o n s o f t h e s e n s o r f o r mo n i t o ri n g t h e c o r r o s i o n o f r e i n f o r c e me n t a n d t h e c i r c u s o f c o i l s a r e d e s i g n e d u s i n g ANS YS I n a d d i t i o n， t h e o t h e r c o mp o n e n t s p r o p e r v a l u e s i n the s e n s o r f o r mo n i t o ri n g the c o r r o s i o n o f r e i n f o r c e me n t i n c o n c r e t e a r e d e s i g n e d u s i n g P S p i e e ，b a s i n g o n t h e v a l u e s o f i n d u c t a n c e a n d t h e c o i l c o u p l i n g f a c t o r w h i c h we r e c o mp u t e d wi t h ANS YS T h e s e n s o r for mo n i t o ri n g the c o rro s i o n o f r e i nfo r c e me n t i s e mu l a t e d i n d e t a i l ， a n d t h e s e g a i n e d p a r a me t e r s a r e h e l p f u l t o ma n u f a c t u r e the s e n s o r Ke y wo r d s ： mo n i t o ri n g t h e c o rro s i o n o f r e i n f o rce d c o n c r e t e；s e n s o r ；ANS YS；P S p i e e 如今 ，钢筋 混凝 土已经成 为 了使 用最 为普遍 的建 筑材 料 ， 但 是 。 钢筋腐 蚀却也是 引起混 凝土结 构破坏 的最主 要原 因之一 。每年全世界需 要投入大量的资金用于混凝土结构的 防护 、 维 修 、 加 固、 重建 所以需要 实时 了解钢筋混 凝土 的腐 蚀程 度等信 息 ， 这 样才 可以 为结 构 的耐 久性评估 、 剩余使 用 寿命的预测 、 结 构的加固维修提供重要 的依据n - 2 1 。 如何 高效可 靠地监测 到混凝 土 中钢筋 腐蚀程 度 进而 对混凝 土结 构的耐久 性做 出合理评估 ， 发现潜 在危 险 避免 安全事 故发 生 ， 越 来越 受到人们 的关注 ， 国内外很 多学 者进 行 了大量 的行之有效 的研究 。 比如半 电池 电位法 、 电化学 噪 声法 、 交 流阻抗 法 、 光纤传 感技术 等 。但 由于技术 本身 的局 限性 ， 这 些方法 均有 自己无法 克服 的缺 陷 ， 比如测 试仪 器昂 贵 、 工作量 大 、 误 差高等 。 本课 题组采用 电磁耦合 的方法 并 结合单 片机技 术 ，可 以高效地 监测 出混凝 土中钢筋 腐蚀 信 息 。该 方法无 源无 引线 、 成本低 廉 、 安装方 便并且 不会破 坏 混凝土结 构 。 其 中 ， 腐蚀 监测传感 器是监测信 息来源 的最前 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 9 0 7 稿件编号 ： 2 0 1 2 0 9 0 4 8 端 在整个 监测系统 中 占据 重要 的地 位 需 要进行 详细全 面 的分析设计 。 1 腐蚀 监测传 感器 美国 T e x a s 大学提 出的将钢筋等效物监测与 电磁耦合技 术 相结合 的方案构建腐 蚀监测传感器口 ， 为钢筋腐蚀监测 指 出了一个发展 的方 向 但 由于该方法根 据电压相频特性进 行 监 测 采用 昂贵 的相 位检测仪 。 同时该传感 器的耦合 效率 较 低 基 于此 本课 题组采用 电压 的幅频特性 来判断钢 筋 的腐 蚀 信息 ， 由于幅频特 性检测容易 ， 不需要复杂 的电路 ， 有利 于 实际工程 监测 的实现。另外采用高磁导率的磁棒为磁芯来 提 高传感器 的耦合效率 可以更准确地监测钢筋腐蚀 。 腐蚀 监测传感 器的原理如 图 1所示 ，其 中电感 与 ： 构成耦合 线圈 ， 为互感 右侧为需埋入混凝 土结构 中的腐 蚀 监测传感器 ， 主要 由电感 、 电容 、 钢丝等组 成 L C电磁振 荡 回路 。将封装好的腐蚀监测传感器 中的钢丝暴露在混凝土中 的钢 筋附近 ， 利用 钢丝的通断 即可判断钢筋 的腐蚀信息 。前 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 7 9 0 7 4 ) ； 江苏高校优势学科建设工程资助项 目 作者简介 ： 邵元超 ( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 河南漯河人 ， 硕士研 究生。研究方向 ： 电子 系统设计 。 - 7 7 - 电子设计工程) 2 o 1 3年 第 1期 对应 两线 圈间 的距离 s = l O 、 2 0 、 3 0 、 4 0 、 5 0 、 6 0 、 7 0 、 8 0 m m) ， 观 察和 D i p的变化 其结果如表 3 所 示。 表3 对 腐蚀监 测传 感器性能参数的影响 Ta b 3 Pa r a me t e r s o f t h e s e n s o r a r e a ffe c t e d b y 从表 3可以看出。 随着值的减小，a f 、 D i p逐渐减小。考 虑读取 电路的监测 灵敏度 ， 当 D i p 0 5 V时 ， 即可采集 到钢 筋腐蚀 的信 息 ， 而 厂 仅影 响扫频源 的扫频步进 和点数 ， 即监 测时 间，可 以通 过在读取电路程序设计 中来缩 短采样时 间， 综上 分析 ， 两线 圈之间的距 离可 以达到 7 0 mm， 满 足实 际工 程 的要求 。 4 结束语 文 中利用 A N S Y S和 P S p i c e 软件仿真 了混凝 土中钢筋腐 蚀监测传感 器模型 ， 为实际制作传感器提供 了重要 的参数依 据 。但 这里仅考虑了钢筋是否腐蚀这两种情况 ， 后期 可以对 钢 筋腐 蚀监测传感器加 以改进 ， 增加不 同粗细 的钢 丝和电容 的个 数 ， 以期可 以监测到钢筋的不同腐蚀程度 ； 另外 ， 电感 的 分布电容尽管不是太大 ， 但其对腐蚀监测传 感器 中电容的大 小设 置也有着重要 的影 响。 还需要进一步研究。 参考文献 ： 【 l 】 Me h t a P K D u r a b i l i t y o f c o n c r e t e - fi f t y y e a r s o f p r o g r e s s C P r o c e e d i n g o f t h e 2 n d I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Co n c r e t e D u r a b i l i t y，AC I S P 1 2 6 -1 ， 1 9 91 ： 1 - 3 1 【 2 N y g a a r d P e t e r V， K l i n g h o ff e r O s k a r C o r r o s i o n mo n i t o ri n g i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s C I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Du r a b i l i t y o f C o n c r e t e S t r u c t u r e s ，Ha n g z h o u， 2 0 0 8 3 】S i m o n e n J T ， A n d r i n g a M M， G ri z z l e K M， e t a1Wi r e l e s s s e n s o r s f o r mo n i t o ri n g c o r r o s i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e m e m b e m J P r o c e e d i n g o f S P I E ， 2 0 0 4 ( 5 3 9 1 ) ： 5 8 7 - 5 9 6 【 4 】 D i c k e r s o n N P ， A n d r i n g a M M， P u r y e a t J M Wi r e l e s s t h r e s h o l d s e n s o r s for d e t e c t i n g c o r r o s i o n i n r e i nfo r c e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s J P r o c e e d i n g o f S P I E， 2 0 0 6( 6 1 7 4 ) ： 6 1 7 4 1 L - 1 61 7 41 L-8 5 】 杨桂新 ， 昊瑾 ， 昊文操 混凝 土结构 中钢 筋腐蚀 监 测无线 传 感器 J 仪 器仪表 学报 ， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 6 ) ： 1 1 5 2 一 l 1 5 7 YANG Gu i x i n， WU J i n WU We n c a o Wi r e l e s s s e n s o r for mo n i t o rin g t h e c o rr o s i o n o f r e i n f o r c e me n t i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s J C h i n e s e J o u r n a l o f S c i e n t i fi c I n s t r u m e n t ， 2 0 0 9， 3 0( 6) ：1 1 5 2 1 1 5 7 6 】 陈宜生 物理学 M】 天津 ： 天津大学出版社 ， 2 0 0 5 ： 3 3 3 【 7 】 孙 明礼 ， 胡仁 喜 ， 崔海 蓉 ， 等 AN S Y S 1 0 0 电磁 学有 限元分 析 实例指导教程【 M】 北京 ： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 7 ( 上接 第 7 6页) c a t i o n s t o p o w e r c o n t r o l for w i r e l e s s n e t w o r k s D P h D t h e s i s ， Ru t g e r s Un i v e r s i t y ， 2 0 0 3 【 2 】 辜方林， 张杭 C D M A系统中的一种分布式功率控制算法c J 计算机工程与应用 ， 2 0 1 1 ， 4 7 ( 1 9 ) ： 1 1 8 1 2 0 GU F a r Ig 4 i n ， ZHANG Ha n 昏Di s t rib u t e d p o we r c o n t r o l a l g o ri t h m i n C D MA s y s t e ms 四 C o m p u t e r E n g i n e e ri n g a n d A p p l i c a t i o n s ， 2 0 1 1 ， 4 7( 1 9) ： 1 1 8 - 1 2 0 【 3 】 杨 维 ， 程 时 昕 K al m a n 滤波 器在WC D M A 率控 制 中的应 用 J 应 用科 学学报 ， 2 0 0 2 ， 2 0 ( 4 ) ： 3 8 7 - 3 9 0 YANG W e i CHE NG S h i x i n A k a l ma n fi l t e r me t h o d for p o w e r c o n t r o l i n WC D MA J J o u r n a l o f A p p l i e d s c i e n c e s ， 2 0 0 2， 2 0( 4) ： 3 8 7 3 9 0 【 4 Z a n d e r J P e r f o r m a n c e o f o p t i m u m t r a n s m i t t e r p o w e r c o n t r o l i n c e l l u l a r r a d i o s y s t e m s J 1 I E E E T r a n s a c t i o n s o n N e t w o r k s ， 1 9 9 2( 4 1 ) ： 5 7 6 2 【 5 F a m o l a r i D， Ma n d a y a m N B， G o o d m a n D J A n e w fr a me w o r k for p o w e r c o n t r o l i n wi r e l e s s d a t a n e t w o r k s ： Ga me s ， u t i l i t y ， - 8 0 - a n d p ri c i n g 【 C P r o c e e d i n g s o f A l p e a o n C o n f e r e n c e o n Co mmu n i c a t i o n， Co n t r o l ， a n d C o mp u t i n g ， I l l i n o i s ， US A ， 1 9 9 8 ： 5 4 6 5 5 5 6 6 K o s k i e S ， G a j i c Z A N a s h g a me a l g o ri t h m fo r S I R- b a s e d p o w e r c o n t r o l i n 3 G w i r e l e s s C D MA n e t w o r k s J 】 I E E E A C M T r a n s a c t i o n s o n Ne t wo r k s ， 2 0 0 5( 1 3 ) ： 1 01 7 1 0 2 6 【 7 Z H A N G Y u - n o n g ， G U O D o n g s h e n g ， Y I C h e n - f u ， e t a 1 Mo r e T h a n Ne wt o n I t e r a t i o n s Ge n e r a l i z e d fro m Z h a n g Ne u r a l Ne t wo r k for C o n s t a n t Ma t r i x I n v e r s i o n Ai d e d w i t h L i B e S e a r c h A l g o ri t h m 【 c i n P r o c e e d i n g s o f I E E E C o n f e r e n c e o n Co n t r o l a n d A u t o ma t i o n，C h i n a ， 2 01 0： 3 9 9 4 0 4 【 8 】钱 燕娟 ， 袁 旺 直流 固态功率控制器控 制技术 J 现代 电 子技术 ， 2 0 1 2 ( 1 7 ) ： 1 8 3 1 8 5 ， 1 8 8 Q I A N Y a n u a n ， Y U A N Wa n g C o n t r o l t e c h n o l o g y o f D C s o l i d s t a t e p o w e r c o n t r o l l e r J Mo d e rn E l e c t r o n i c s T e c h n i q u e ， 2 0 1 2 ( 1 7) ： 1 8 3 1 8 5 ， 1 8 8