混凝土中鋼筋腐蝕監測傳感器的設計
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如何高效可靠地監測到混凝土中鋼筋腐蝕程度，進而對混凝土結構的耐久性做出合理評估，發現潛在危險，避免安全事故發生，越來越受到人們的關注，國內外很多學者進行了大量的行之有效的研究，比如半電池電位法、電化學噪聲法、交流阻抗法、光纖傳感技術等。但由于技術本身的局限性，這些方法均有自己無法克服的缺陷，比如測試儀器昂貴、工作量大、誤差高等。本課題組采用電磁耦合的方法，并結合單片機技術，可以高效地監測出混凝土中鋼筋腐蝕信息。該方法無源無引線、成本低廉、安裝方便并且不會破壞混凝土結構。其中，腐蝕監測傳感器是監測信息來源的最前端，在整個監測系統中占據重要的地位，需要進行詳細全面的分析設計。
1 腐蝕監測傳感器
美國Texas大學提出的將鋼筋等效物監測與電磁耦合技術相結合的方案構建腐蝕監測傳感器，為鋼筋腐蝕監測指出了一個發展的方向，但由于該方法根據電壓相頻特性進行監測，采用昂貴的相位檢測儀，同時該傳感器的耦合效率較低，基于此，本課題組采用電壓的幅頻特性來判斷鋼筋的腐蝕信息，由于幅頻特性檢測容易，不需要復雜的電路，有利于實際工程監測的實現。另外采用高磁導率的磁棒為磁芯來提高傳感器的耦合效率，可以更準確地監測鋼筋腐蝕。
腐蝕監測傳感器的原理如圖1所示，其中電感L1與L2構成耦合線圈，M為互感，右側為需埋入混凝土結構中的腐蝕監測傳感器，主要由電感、電容、鋼絲等組成LC電磁振蕩回路。將封裝好的腐蝕監測傳感器中的鋼絲暴露在混凝土中的鋼筋附近，利用鋼絲的通斷即可判斷鋼筋的腐蝕信息。前期，本課題組已經對鋼筋腐蝕監測傳感器進行了相關方面的研究，本文僅對其參數進行優化仿真設計。通過計算讀取電感L1兩端電壓的頻率特性，可以定性地畫出其幅頻特性，如圖2所示。
以步進固定的正弦掃頻波為信號源，通過單片機對讀取電感兩端的電壓進行A／D轉換并計算出電壓值極小值Umin，然后對照掃頻源的頻率即可得出諧振頻率。當鋼絲導通與斷開時，LC諧振頻率發生變化，據此可判斷出混凝土中鋼筋的腐蝕信息。
為了使讀取電路準確地測量出鋼筋的腐蝕狀態信息，需主要關注以下性能參數：
1)鋼絲導通與斷開時LC回路的諧振頻率f2以及兩者之差△f2：通過檢測電壓幅度的極小值Umin來判斷諧振頻率點f2，進而確定鋼筋腐蝕的信息；同時諧振頻率差△f2的值決定了判斷鋼筋腐蝕的難易程度，△f2越大，越容易判斷。
2)Dip的大小以及f2與f1之間的差值△f：Dip越大，對讀取電路監測靈敏度要求越低；△f越大，掃頻源的掃頻步進越大，監測速度越快。如果參數設置不好，有可能會漏掉諧振點上的電壓極小值，造成監測失敗。
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