一种混凝土钢筋腐蚀监测传感器、监测系统及组装方法与流程

1.本发明涉及结构腐蚀监测技术领域，尤其涉及一种混凝土钢筋腐蚀监测传感器、监测系统及组装方法。


背景技术：

2.随着我国交通事业的大发展，特别是沿海城市之间的高等级公路、跨海大桥的建设得到了飞速发展随，钢筋混凝土结构结合了钢筋与混凝土的优点，是修路、建桥结构设计中首选形式，其应用非常广泛。在钢筋混凝土大量应用的同时，也发现钢筋混凝土结构由于各种各样的原因而提前出现桥体裂纹、铺装层脱落等病害。在此过程中，混凝土内部钢筋的腐蚀是钢筋混凝土的耐久性降低的根源所在。因此，开展钢筋混凝结构内部钢筋的腐蚀状态监测技术研究和开发钢筋腐蚀在线监测装置对于提升钢筋混凝土的耐久性具有重要的理论和实际意义。
3.传统的混凝土腐蚀评估的主要方法有：电阻探头，欧美诸国就广泛采用电阻探头检测混凝土结构中的钢筋腐蚀；声发射法：利用混凝土中钢筋腐蚀时，腐蚀产物膨胀，部分能量以发射声波形式释放，用声发射探头可以灵敏地检测发射源位置与强度，问题是很难避免其它声发射的干扰，因此很难建立钢筋腐蚀活性高低与声发身寸强度的相关性；土壤电阻率法：混凝土的导电性能是由水泥毛细孔内的电解质离子流动所产生的，工程中经常用混凝土的电阻率来衡量混凝土的导电性能，通过混凝土电阻率的变化就可以推断混凝土的导电能力，从而进一步判断钢筋腐蚀的情况。目前钢筋腐蚀状态实时监测技术多处于实验室研究阶段，能够成功应用到工程应用中的技术和装置较少，缺乏较为成熟的、可靠的混凝土钢筋腐蚀状态在线监测装置和可操作性强的工程实施方案。
4.因此，本领域人员亟需寻找一种新的技术方案来解决上述的问题。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的技术问题，本发明提供一种混凝土钢筋腐蚀监测传感器、监测系统及组装方法。
6.本发明包括一种混凝土钢筋腐蚀监测传感器，传感器包括骨架、传感器外壳、两个测量试片、参比试片、测量控制电路板和数据传输线，其中：
7.骨架套设在传感器外壳中，且骨架分为圆柱段与平板段，圆柱段设有贯穿轴线的中心孔，参比试片安装在中心孔内；
8.传感器外壳包括传感器外壳本体，传感器外壳本体的外表面上开设有两个与测量试片相适配的凹槽，两个测量试片分别安装在两个凹槽内；
9.测量控制电路板安装在平板段上；测量控制电路板上设有mcu单元，以及与mcu单元电连接的激励源、模数转换单元、通讯单元，以及为测量控制电路板中各部件供电的电源管理单元；两个测量试片相并联后均与激励源的输出端及模数转换单元的输入端电连接；参比试片与激励源的输出端及模数转换单元的输入端电连接；mcu单元控制激励源产生恒
定电流激励信号同步施加到测量试片和参比试片上；模数转换单元接收测量试片及参比试片的反馈电压信号，并将其转换为数字信号后发送给mcu单元；mcu单元分别计算测量试片及参比试片的电阻值，并发送给通讯单元；
10.数据传输线一端与通讯单元电连接，另一端延伸出传感器外壳。
11.进一步的，传感器还包括存储单元，存储单元与mcu单元及电源管理单元电连接；传感器还包括时钟定时器，时钟定时器与mcu单元及电源管理单元电连接。
12.进一步的，传感器外壳本体为中空圆管结构，两个凹槽对称设置在传感器外壳本体的外表面；两个凹槽的底部均开设导线孔，测量试片粘接在凹槽内，且通过贯穿导线孔的导线与激励源、模数转换单元电连接。
13.进一步的，骨架的平板段在轴线方向上开设有通槽，通槽两侧开设有多个通孔。
14.进一步的，骨架的圆柱段内沿轴线方向开设有多个长通孔，且所有长通孔以中心孔为中心环向分布；圆柱段的外周面上设置多个长凹槽，且多个长凹槽以轴线对称分布。
15.进一步的，传感器外壳还包括头部端盖和尾部端盖，头部端盖和尾部端盖分别安装在传感器外壳本体的两端，尾部端盖安装在靠近骨架的圆柱段的一端，头部端盖安装在靠近骨架的平板段的一端，头部端盖上设有过线孔，数据传输线通过过线孔延伸出传感器外壳。
16.进一步的，传感器内部采用环氧树脂灌封。
17.进一步的，测量试片与参比试片采用与待监测钢筋同牌号的金属材料，传感器外壳和骨架为pe材料。
18.本发明还包括一种混凝土钢筋腐蚀监测系统，监测系统包括上述传感器，还包括pc端，传感器通过数据传输线与pc端通讯连接。
19.本发明还包括一种上述传感器的组装方法，包括：
20.将参比试片安装在中心孔内，参比试片的两端分别由穿过长通孔的第一参比试片导线和穿过中心孔的第二参比试片导线与测量控制电路板进行电连接；
21.将两个测量试片分别放置于传感器外壳本体的凹槽内，两个测量试片的两端分别由穿过长通孔的第一测量试片导线、第二测量试片导线、第三测量试片导线、第四测量试片导线与测量控制电路板进行电连接；
22.将测量控制电路板固定在骨架的平板段上，将数据传输线与测量控制电路板电连接；
23.将骨架置于传感器外壳的内部，将尾部端盖固定安装在传感器外壳本体的一端，向传感器外壳内加入环氧树脂进行灌封，将数据传输线从头部端盖上穿出，并将头部端盖固定安装在传感器外壳本体的另一端。
24.本发明的混凝土钢筋腐蚀监测传感器、监测系统及组装方法，通过传感器外壳与骨架构成测量控制电路板、测量试片以及参比试片的安装载体，形成结构紧凑、体积小、适应性强、寿命长、测量稳定、易于组装的传感器，且能在不同混凝土服役环境下进行预埋布置，实现长期、实时的混凝土环境中钢筋材料腐蚀信息的监测，达到传感器长期服役、连续作业的要求；另一方面，传感器将测量试片和参比试片的测量数据发送给pc端，pc端通过对该感器采集到的混凝土中钢筋腐蚀信息进行大数据分析处理，可以找出混凝土服役环境对混凝土中钢筋的腐蚀影响，给制定合理、有效的维修方案和防腐治理方案提供数据支撑。
附图说明
25.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。
26.图1为本发明实施例的混凝土钢筋腐蚀监测传感器的结构爆炸图；
27.图2为本发明实施例的混凝土钢筋腐蚀监测传感器中骨架的结构示意图；
28.图3为本发明实施例的混凝土钢筋腐蚀监测传感器的剖面示意图；
29.图4为图3的a-a剖面图；
30.图5为图3的b-b剖面图；
31.图6为本发明实施例的混凝土钢筋腐蚀监测传感器的结构示意图；
32.图7为本发明实施例的混凝土钢筋腐蚀监测传感器的组装方法的步骤流程图；
33.其中：10-骨架、101-圆柱段、102-平板段、103-中心孔、104-通槽、105-通孔、106-长通孔、107-长凹槽、20-传感器外壳、201-传感器外壳本体、202-凹槽、203-头部端盖、204-尾部端盖、30-测量试片、40-参比试片、50-测量控制电路板、501-mcu单元、502-激励源、503-模数转换单元、504-通讯单元、505-电源管理单元、506-存储单元、507-时钟定时器、60-数据传输线、701-第一参比试片导线、702-第二参比试片导线、703-第一测量试片导线、704-第二测量试片导线、705-第三测量试片导线、706-第四测量试片导线、80-pc端。
具体实施方式
34.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。
35.本发明实施例的一种混凝土钢筋腐蚀监测传感器，如图1至图6所示，传感器包括骨架10、传感器外壳20、两个测量试片30、参比试片40、测量控制电路板50和数据传输线60，其中：骨架10套设在传感器外壳20中，且骨架10分为圆柱段101与平板段102，圆柱段101设有贯穿轴线的中心孔103，参比试片40安装在中心孔103内；传感器外壳20包括传感器外壳本体201，传感器外壳本体201的外表面上开设有两个与测量试片30相适配的凹槽202，两个测量试片30分别安装在两个凹槽202内；测量控制电路板50安装在平板段102上；测量控制电路板50包括pcb基板，在pcb基板上设有mcu单元501，以及与mcu单元501电连接的激励源502、模数转换单元503、通讯单元504，以及为测量控制电路板50中各部件供电的电源管理单元505；两个测量试片30相并联后均与激励源502的输出端及模数转换单元503的输入端电连接；参比试片40与激励源502的输出端及模数转换单元503的输入端电连接；mcu单元501控制激励源502产生恒定电流激励信号同步施加到测量试片30和参比试片40上；模数转换单元503接收测量试片30及参比试片40的反馈电压信号，并将其转换为数字信号后发送给mcu单元501；mcu单元501分别计算测量试片30及参比试片40的电阻值，并发送给通讯单元504；数据传输线60一端与通讯单元504电连接，另一端延伸出传感器外壳20。数据传输线60用于将传感器所获取的检测信息向外部的pc端发送，从而进行进一步的分析计算及管
理。本实施例中的数据传输线60优选用电缆实现。
36.骨架10的平板段102至少包含一个平面，测量控制电路板50安装在平面上，当测量控制电路板50的体积较大时，可将测量控制电路板50分为两部分，将平板段102设计为具有上下两个平面的结构，对测量控制电路板50的两部分分别进行粘接。
37.本发明实施例的传感器被预埋在钢筋混凝土结构中，两个测量试片30与混凝土相接触，在激励源502施加的电流激励信号之下，所以测量试片30两端电压值就能够反映出其电阻值，由于混凝土会对测量试片30造成腐蚀，而安装在中心孔内的参比试片40并不会收到任何腐蚀，所以测量试片30和参比试片40所反馈的电压信号会存在差别，通过对比就可推断测量试片30被腐蚀的情况。本实施例中，激励源502向测量试片30、参比试片40同步施加恒定的电流激励信号，而模数转换单元503对相并联的两个测量试片30以及参比试片40的反馈电压信号进行模数转换，并将数字信号后发送给mcu单元501。优选的，本实施例中选用两个相同的模数转换芯片，分别对参比试片40和测量试片30的模拟信号进行转化。
38.优选的，测量控制电路板还设有多个运算放大器amp，用于将激励源502输出的电流激励信号进行放大，以及对测量试片30以及参比试片40的反馈电压信号进行放大，反馈电压信号经运算放大器放大后进入模数转换单元503将模拟信号转换成数字信号后送回至mcu单元501。mcu单元501通过测量试片30和参比试片40的反馈电压值结合电流激励值分别计算出测量试片30和参比试片40的电阻值。本发明实施例还包括电压参考单元，电压参考单元用于向模数转换单元503提供电压参考，进而实现模拟信号向数字信号的转化。
39.优选的，本发明实施例的传感器内部采用环氧树脂进行灌封，对各部件的位置进行固定，进而保证各路信号的正常传输，确保传感器长时间的稳定运行。
40.具体的，如图6所示，本发明实施例中的传感器还包括存储单元506，存储单元506与mcu单元501及电源管理单元505电连接；传感器还包括时钟定时器507，时钟定时器507与mcu单元501及电源管理单元505电连接。传感器采集的测量试片30和参比试片40的电阻值以及相应的采集时间构成测量数据可暂存到储存单元506中，也可实时通过数据传输线60的有线通讯方式实时传输到外部pc端的数据服务器，本发明实施例不具体限定存储单元506的产品型号，本领域技术人员可根据信息存储的需求量自行选用，例如存储单元506可存储6000组数据，当第6001组数据生成后将自动覆盖第1组数据，如此滚动。内置的储存单元506的数据可通过专用数据处理软件给mcu单元501发送指令来进行统一回传或统一清除。时钟定时器507用来进行定时测量。
41.具体的，如图1至5所示，本发明实施例中传感器外壳本体201为中空圆管结构，两个凹槽202对称设置在传感器外壳本体201的外表面；两个凹槽202的底部均开设导线孔，测量试片30优选为薄矩形片状结构，将测量试片30粘接在凹槽202内，测量试片30的两端通过贯穿导线孔的导线与激励源502、模数转换单元503电连接。
42.具体的，如图1至5所示，本发明实施例中骨架10的平板段102在轴线方向上开设有通槽104，通槽203两侧开设有多个通孔105，以方便环氧树脂灌封，也方便各部件之间的导线连接。
43.具体的，如图1至5所示，本发明实施例中骨架10的圆柱段101内沿轴线方向开设有多个长通孔106，且所有长通孔106以中心孔103为中心环向分布；圆柱段101的外周面上设置多个长凹槽107，且多个长凹槽107以轴线对称分布。长通孔106的设置是为了穿设导线，
长凹槽107的设置是为了方便环氧树脂的灌封。如图1至5所示，本实施例中设计了8个长通孔106和4个长凹槽107。
44.具体的，如图1和图3所示，本发明实施例中传感器外壳20还包括头部端盖203和尾部端盖204，头部端盖203和尾部端盖204分别安装在传感器外壳本体201的两端，尾部端盖204安装在靠近骨架10的圆柱段101的一端，头部端盖203安装在靠近骨架10的平板段102的一端，头部端盖203上设有过线孔，数据传输线60通过过线孔延伸出传感器外壳20。
45.优选的，本发明实施例中测量试片30与参比试片40采用与待监测钢筋同牌号的金属材料，传感器外壳20和骨架10由耐腐蚀抗老化的非金属材料制造，优选采用pe材料制成，测量试片30与传感器外壳20、骨架10间互不电导通，有助于提高采集腐蚀信号的准确性与稳定性，具有体积小、适应性强、寿命长、安装方便等特点，达到传感器长期服役、连续作业的要求。
46.本发明还包括一种混凝土钢筋腐蚀监测系统，监测系统包括上述传感器，如图6所示，还包括pc端80，传感器通过数据传输线60与pc端80通讯连接。测量控制电路板50中的mcu单元501通过测量试片30和参比试片40的反馈电压值结合电流激励值分别计算出测量试片30和参比试片40的电阻值，再通过通讯单元504将测量的数据经数据传输线60传输到pc端80。pc端80安装数据处理软件，对测量试片30的电阻值与参比试片40的电阻值进行对比分析处理，计算出测量试片30的腐蚀深度，根据腐蚀深度可计算出不同时间段内的腐蚀速率等相关数据。
47.本发明实施例还包括一种上述传感器的组装方法，如图7所示，包括以下步骤：
48.步骤s1：将参比试片安装在中心孔内，参比试片的两端分别由穿过长通孔的第一参比试片导线和穿过中心孔的第二参比试片导线与测量控制电路板进行电连接。
49.如图1至5所示，第一参比试片导线701穿过骨架10的长通孔106，第二参比试片导线702穿过中心孔103，分别实现参比试片40与测量控制电路板50中的激励源502、模数转换单元503。
50.步骤s2：将两个测量试片分别放置于传感器外壳本体的凹槽内，两个测量试片的两端分别由穿过长通孔的第一测量试片导线、第二测量试片导线、第三测量试片导线、第四测量试片导线与测量控制电路板进行电连接。
51.传感器外壳本体201上也开设有长通孔，用于连接两个测量试片30的导线从长通孔上穿出。如图1至5所示，第一测量试片导线703、第二测量试片导线704从骨架10上的长通孔106穿出，第三测量试片导线705、第四测量试片导线706从传感器外壳本体201上的长通孔106中穿出。
52.第一测量试片导线703、第二测量试片导线704分别与两个测量试片30相连，将第三测量试片导线705、第四测量试片导线706与两个测量试片30的另一端相连，最后将四根测量试片导线连接至测量控制电路板50，实现测量试片30的两端分别与测量控制电路板50中的激励源502、模数转换单元503电连接。
53.步骤s3：将测量控制电路板固定在骨架的平板段上，将数据传输线与测量控制电路板电连接。
54.完成参比试片40、测量试片30的安装以及电连接之后，将测量控制电路板50固定在骨架10的平板段102上，其次将数据传输线60也和测量控制电路板50电连接，此步骤结束
后，完成了各部件的电连接。
55.步骤s4：将骨架置于传感器外壳的内部，将尾部端盖固定安装在传感器外壳本体的一端，向传感器外壳内加入环氧树脂进行灌封，将数据传输线从头部端盖上穿出，并将头部端盖固定安装在传感器外壳本体的另一端。
56.本发明实施例的混凝土钢筋腐蚀监测传感器、监测系统及组装方法，通过传感器外壳与骨架构成测量控制电路板、测量试片以及参比试片的安装载体，形成结构紧凑、体积小、适应性强、寿命长、测量稳定、易于组装的传感器，且能在不同混凝土服役环境下进行预埋布置，实现长期、实时的混凝土环境中钢筋材料腐蚀信息的监测，达到传感器长期服役、连续作业的要求；另一方面，传感器将测量试片和参比试片的测量数据发送给pc端，pc端通过对该感器采集到的混凝土中钢筋腐蚀信息进行大数据分析处理，可以找出混凝土服役环境对混凝土中钢筋的腐蚀影响，给制定合理、有效的维修方案和防腐治理方案提供数据支撑。
57.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。