混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了基于電磁耦合的混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器的原理和模型，并應(yīng)用ANSYS軟件仿真設(shè)計(jì)出符合工程需要的腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器的尺寸和線圈的匝數(shù)。根據(jù)由ANSYS仿真已得到的線圈電感值和線圈耦合系數(shù)，應(yīng)用PSpice軟件仿真設(shè)計(jì)出鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器中其他元件參數(shù)的大小。對(duì)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行了詳細(xì)的仿真設(shè)計(jì)，為其實(shí)際制作提供重要參數(shù)依據(jù)。
關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土腐蝕監(jiān)測(cè)；傳感器；ANSYS；PSpice

    如今，鋼筋混凝土已經(jīng)成為了使用最為普遍的建筑材料，但是，鋼筋腐蝕卻也是引起混凝土結(jié)構(gòu)破壞的最主要原因之一。每年全世界需要投入大量的資金用于混凝土結(jié)構(gòu)的防護(hù)、維修、加固、重建，所以需要實(shí)時(shí)了解鋼筋混凝土的腐蝕程度等信息，這樣才可以為結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)估、剩余使用壽命的預(yù)測(cè)、結(jié)構(gòu)的加固維修提供重要的依據(jù)。
    如何高效可靠地監(jiān)測(cè)到混凝土中鋼筋腐蝕程度，進(jìn)而對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性做出合理評(píng)估，發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn)，避免安全事故發(fā)生，越來(lái)越受到人們的關(guān)注，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者進(jìn)行了大量的行之有效的研究，比如半電池電位法、電化學(xué)噪聲法、交流阻抗法、光纖傳感技術(shù)等。但由于技術(shù)本身的局限性，這些方法均有自己無(wú)法克服的缺陷，比如測(cè)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(jié)合單片機(jī)技術(shù)，可以高效地監(jiān)測(cè)出混凝土中鋼筋腐蝕信息。該方法無(wú)源無(wú)引線、成本低廉、安裝方便并且不會(huì)破壞混凝土結(jié)構(gòu)。其中，腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器是監(jiān)測(cè)信息來(lái)源的最前端，在整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位，需要進(jìn)行詳細(xì)全面的分析設(shè)計(jì)。

1 腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器
    美國(guó)Texas大學(xué)提出的將鋼筋等效物監(jiān)測(cè)與電磁耦合技術(shù)相結(jié)合的方案構(gòu)建腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器，為鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)指出了一個(gè)發(fā)展的方向，但由于該方法根據(jù)電壓相頻特性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用昂貴的相位檢測(cè)儀，同時(shí)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(lái)判斷鋼筋的腐蝕信息，由于幅頻特性檢測(cè)容易，不需要復(fù)雜的電路，有利于實(shí)際工程監(jiān)測(cè)的實(shí)現(xiàn)。另外采用高磁導(dǎo)率的磁棒為磁芯來(lái)提高傳感器的耦合效率，可以更準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)鋼筋腐蝕。

    腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器的原理如圖1所示，其中電感L1與L2構(gòu)成耦合線圈，M為互感，右側(cè)為需埋入混凝土結(jié)構(gòu)中的腐蝕監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)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(jīng)對(duì)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行了相關(guān)方面的研究，本文僅對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)。通過(guò)計(jì)算讀取電感L1兩端電壓的頻率特性，可以定性地畫(huà)出其幅頻特性，如圖2所示。
    以步進(jìn)固定的正弦掃頻波為信號(hào)源，通過(guò)單片機(jī)對(duì)讀取電感兩端的電壓進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換并計(jì)算出電壓值極小值Umin，然后對(duì)照掃頻源的頻率即可得出諧振頻率。當(dāng)鋼絲導(dǎo)通與斷開(kāi)時(shí)，LC諧振頻率發(fā)生變化，據(jù)此可判斷出混凝土中鋼筋的腐蝕信息。
    為了使讀取電路準(zhǔn)確地測(cè)量出鋼筋的腐蝕狀態(tài)信息，需主要關(guān)注以下性能參數(shù)：
    1)鋼絲導(dǎo)通與斷開(kāi)時(shí)LC回路的諧振頻率f2以及兩者之差△f2：通過(guò)檢測(cè)電壓幅度的極小值Umin來(lái)判斷諧振頻率點(diǎn)f2，進(jìn)而確定鋼筋腐蝕的信息；同時(shí)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(duì)讀取電路監(jiān)測(cè)靈敏度要求越低；△f越大，掃頻源的掃頻步進(jìn)越大，監(jiān)測(cè)速度越快。如果參數(shù)設(shè)置不好，有可能會(huì)漏掉諧振點(diǎn)上的電壓極小值，造成監(jiān)測(cè)失敗。

2 腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)
    互感或耦合系數(shù)，反映線圈之間通過(guò)磁場(chǎng)變化相互耦合的程度，它們?nèi)Q于線圈的匝數(shù)、幾何尺寸、磁介質(zhì)和線圈之間的相對(duì)位置，同時(shí)耦合系數(shù)k直接影響傳感器性能參數(shù)△f和Dip的大小。我們期望在保證兩線圈之間較遠(yuǎn)的距離的前提下，能夠有較大的耦合系數(shù)。另外，考慮到為了不影響混凝土結(jié)構(gòu)的性能，腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器尺寸不能太大。
    ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的大型通用有限元分析軟件，能夠進(jìn)行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場(chǎng)等學(xué)科的分析，有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。本文采用ANSYS10．0版本進(jìn)行仿真。
2．1 仿真步驟
    為了保證在較高的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，同時(shí)提高耦合系數(shù)，采用磁導(dǎo)率為2800軟磁鐵氧體磁棒為磁芯。通過(guò)ANSYS仿真，希望能夠得出磁棒的尺寸、線圈的匝數(shù)、線圈之間的相對(duì)位置等參數(shù)。
    ANSYS磁場(chǎng)分析分為5個(gè)步驟：創(chuàng)建物理環(huán)境、建立模型、加邊界條件和載荷、求解、后處理查看計(jì)算結(jié)果。本文采用plane53單元建立1／2軸對(duì)稱(chēng)實(shí)體模型；為了更加真實(shí)的模擬線圈周?chē)恼鎸?shí)磁場(chǎng)，在模型的周?chē)?0 cm的空氣模型；另外為了提高計(jì)算的精度和兼顧計(jì)算機(jī)處理時(shí)間，設(shè)置自動(dòng)網(wǎng)格劃分精度Smart Size為3；在空氣四周添加平行邊界條件；利用二維靜態(tài)磁場(chǎng)分析，為耦合線圈添加名義電流，采用Lmatrix宏來(lái)計(jì)算電感和互感的大小。采用ANSYS建立的耦合線圈的模型如圖3所示。

2．2 磁棒尺寸的仿真設(shè)計(jì)
    假設(shè)磁棒1、2的半徑和高度分別為r1、r2、h1、h2，匝數(shù)分別為N1、N2，兩線圈之間的距離為s。令h1=h2=20 mm，N1=12，N2=26，s=20 mm。取r1=r2=5、10、15、20、25 mm，仿真線圈半徑對(duì)k的影響，結(jié)果如圖4所示。

    在圖4中，k隨r1、r2的增大而增大。但由于線圈2需埋入鋼筋混凝土中，為不影響其性能，尺寸不能太大，所以取r2=25 mm。改變r(jià)1的值，觀察k的變化，結(jié)果如圖5所示。

    在圖5中，k先隨r1的增大而增大，當(dāng)r1=35 mm時(shí)，達(dá)到最大值，隨后隨之減小，所以取r1=35 mm。
    磁棒高度與線圈匝數(shù)密切相關(guān)，當(dāng)改變線圈匝數(shù)時(shí)要兼顧磁棒高度。取r1=35 mm，r2=25 mm，h1、h2隨線圈匝數(shù)而改變。圖6為N1=N2時(shí)，k受匝數(shù)的影響。為了不影響混凝土結(jié)構(gòu)的性能，h2最大值為20 mm，此時(shí)N2=30匝，圖7為N2=30，k隨N1變化的結(jié)果。
    在圖6中，隨著N1、N2的增大，K隨之增大；在圖7中，當(dāng)N2=30匝時(shí)，隨著N1的增加，k隨之增大，當(dāng)N1>30后，k略有上升。綜上，取N1=N2=30匝，h1=h2=20 mm。

    根據(jù)以上的分析，取r1=35 mm、r2=25 mm、N1=N2=30匝、h1=h2=20 mm。進(jìn)行耦合電感的繞制，此時(shí)電感的大小為L(zhǎng)1=200 μH、L2=140 μH。
    改變兩線圈之間的距離s，得到不同的k值，為下面進(jìn)行其他參數(shù)仿真設(shè)計(jì)提供依據(jù)，其結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，隨著線圈之間距離的增加，逐漸減小。所以在實(shí)際工程使用時(shí)，為了保證線圈之間的較高的耦合效率，的大小要適度。

3 其他元件參數(shù)的仿真設(shè)計(jì)
    PSpice作為計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)軟件，具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號(hào)制作功能，被公認(rèn)是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件，本文使用PSpice 10．5版本。依據(jù)圖1搭建了如圖9所示的傳感器仿真電路圖。其中TX1為互感，R2為電感電阻，R3為鋼絲的電阻。通過(guò)改變掃頻源電壓幅值U、電阻R1、耦合系數(shù)k、電容C1、C2的大小，觀察f1、△f2、△f以及Dip的變化。

    考慮到在讀取電路的設(shè)計(jì)中，采用單片機(jī)作為主控芯片，其參考電壓為2．5 V，所以取U=2．5 V。令R1=50Ω，k=0．0548(s=55 mm)，而改變C1、C2的值，觀察Dip和△f的變化，結(jié)果如表1所示。

    從表1可以看出，△f隨著電容的增加，和Dip沒(méi)有顯著的變化，只是諧振頻率跟著相應(yīng)的改變。但由于電感自身存在分布電容，同時(shí)考慮到電容本身存在誤差，并且其值越大誤差也越大，所以電容的取值要兼顧這兩方面的影響；另外C1、C2取值較大時(shí)，鋼絲通斷前后諧振頻率相差很大，這樣掃頻源的頻率范圍將較寬，監(jiān)測(cè)需要的時(shí)間越久，綜合考慮各個(gè)因素后，取C1=200 pF，C2=200 pF，此時(shí)鋼絲通斷時(shí)諧振頻率分別為673．667 kHz，952．575 kHz。
    取U=2．5 V，C1=C2=200 pF，k=0．088439(s=40 mm)，改變電阻值，觀察鋼絲完好時(shí)和Dip的變化情況，其結(jié)果如表2所示。

    從表2可以看出，△f隨著R1增大而逐漸變小，Dip則逐漸變大，為了提高讀取電路監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確度，降低設(shè)計(jì)難度，同時(shí)兼顧監(jiān)測(cè)速度，取R1=200 Ω。
    取U=2．5 V，C1=C2=200 pF，R1=200，改變k的大小(分別對(duì)應(yīng)兩線圈間的距離s=10、20、30、40、50、60、70、80 mm)，觀察和Dip的變化，其結(jié)果如表3所示。

    從表3可以看出，隨著值的減小，△f、Dip逐漸減小?？紤]讀取電路的監(jiān)測(cè)靈敏度，當(dāng)Dip≥0．5 V時(shí)，即可采集到鋼筋腐蝕的信息，而△f僅影響掃頻源的掃頻步進(jìn)和點(diǎn)數(shù)，即監(jiān)測(cè)時(shí)間，可以通過(guò)在讀取電路程序設(shè)計(jì)中來(lái)縮短采樣時(shí)間，綜上分析，兩線圈之間的距離可以達(dá)到70 mm，滿足實(shí)際工程的要求。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中利用ANSYS和PSpice軟件仿真了混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器模型，為實(shí)際制作傳感器提供了重要的參數(shù)依據(jù)。但這里僅考慮了鋼筋是否腐蝕這兩種情況，后期可以對(duì)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器加以改進(jìn)，增加不同粗細(xì)的鋼絲和電容的個(gè)數(shù)，以期可以監(jiān)測(cè)到鋼筋的不同腐蝕程度；另外，電感的分布電容盡管不是太大，但其對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器中電容的大小設(shè)置也有著重要的影響，還需要進(jìn)一步研究。