基于电磁场原理的外置式钢筋锈蚀无损监测传感器及测试
方法
技术领域
背景技术
[0002] 钢筋
混凝土结构结合了钢筋抗拉和混凝土抗压的特点，自19世纪中期应用于
土木工程领域以来，由于其成本低廉、取材广泛、方便施工等特点，
钢筋混凝土结构已成为世界上应用最为广泛的结构形式。长久以来，混凝土耐久性失效造成的损害十分巨大，已经远远超出了人们的预期，成为一个世界难题。而在混凝土耐久性破坏原因中以钢筋锈蚀最为严重，引起了国内外的广泛关注。针对建筑工程中钢筋锈蚀检测的研究，前人也做了大量的研究。
[0003] 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，用于监测内置于混凝土的钢筋锈蚀情况，但内置式监测传感器会严重影响钢筋混凝土的
力学性能和钢筋的自然锈蚀规律，且此类传感器内置于混凝土内只能一次性使用，成本较高；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尚存在不足：一是传感器虽然能测定钢筋的锈蚀情况，但只能定性判断混凝土内钢筋整体的锈蚀情况，无法判断单根钢筋的锈蚀情况，而实际工程中混凝土内钢筋锈蚀情况有所不同，因此需对单根钢筋锈蚀情况进行测定；二是经本
发明人试验测试结果证明，钢筋
位置不同对霍尔传感器响应情况影响远大于钢筋锈蚀的影响，可见钢筋无法保证原位监测的情况下误差较大；三是此专利霍尔传感器只单一直线方向布置，此方法不能有效监测钢筋位置变化规律，；四是实际的混凝土柱尺寸较大，而此专利测试需有效卡住整个钢筋混凝土柱，所需的磁芯卡口较大，经本发明人试验测试结果证明，卡口的增大会导致霍尔传感器检测灵敏度降低。综上所述，此专利所涉及的传感器测定结果不能反映钢筋真实锈蚀情况，无法得到准确、可靠的数据用以预测不同情况下的钢筋的锈蚀程度。
[0004] 在实际建筑工程中，仍然没有外置式精确测定钢筋锈蚀率的动态监测传感器及试验方法。
[0005] 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
稳定性好等优点的外置式无损动态钢筋锈蚀监测传感器，提高对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
[0006] 为了克服现有建筑工程钢筋锈蚀无损监测技术的不足，本发明提供一种稳定性高、操作简便、能够实现外置式钢筋锈蚀监测，尤其涉及应用基于电磁场原理的钢筋锈蚀监测技术：外置于钢筋混凝土结构之外；磁芯卡口设为梯形卡口，可有效卡住钢筋混凝土方柱，可有效检测钢筋混凝土方柱边
角处单根检测钢筋锈蚀情况；通过控制线圈
电流大小和线圈
匝数来改变电磁场强度从而降低磁芯卡口距离改变所带来的空气域漏磁影响，提高霍尔传感器磁感应强度检测
精度，以适应不同尺寸的钢筋混凝土方柱；通过霍尔传感器对称布置从而精确检测钢筋位置；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材料钢筋锈蚀率的问题。
[0007] 为了解决上述技术问题本发明提供如下的技术方案：
[0008] 一种基于电磁场原理的外置式钢筋锈蚀无损监测传感器，包括磁感应强度监测单元和
数据处理单元；
[0009] 所述的磁感应强度检测单元包括
信号发生器、线圈、磁芯、封装
外壳、第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，所述的线圈均匀缠绕在所述的磁芯上，并且所述的线圈两端与信号发生器的信号输入端电连；所述的固定单元夹紧的钢筋混凝土试件中间位置和磁芯卡口中间位置相对应；所述的封装外壳包括第一霍尔传感器放置槽、第二霍尔传感器放置槽和封盖；所述的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器应以卡口中心线为轴线对称布置，分别安装在封装外壳的第一霍尔传感器放置槽和第二霍尔传感器放置槽；
[0010] 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第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的信号输出端电连，所述的信号发生器的信号输出端、所述的信号采集器的输出端分别与所述的信号处理器的信号输入端电连，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。
[0011] 进一步，所述的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器对称布置。
[0012] 所述的磁芯为梯形卡口。
[0014] 所述的封装外壳为塑料材质。
[0015] 所述的信号发生器可稳定控制线圈电流大小。
[0016] 所述的信号采集器和信号发生器分别安装有
电路第一指示灯和第二指示灯，所述的第一指示灯和第二指示灯分别提示信号采集器和信号发生器是否正常工作。
[0017] 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一对或多对传感器。
[0018] 作为一种改进，所述磁感应强度检测单元的磁芯卡口为梯形形状，可牢固卡在钢筋混凝土方柱的边角处，完成对单根检测钢筋锈蚀监测，且可根据嵌入深度或改变磁芯卡口距离，卡住不同尺寸的钢筋混凝土柱。
[0019] 作为一种改进，所述的磁感应强度检测单元的磁芯和均匀绕线的线圈生成的匀强电磁场取决于线圈电流和线圈匝数，不会因时间变化而消磁，检测结果精确。
[0020] 作为一种改进，所述的磁感应强度检测单元的磁芯、均匀绕线的线圈和信号发生器组成的电磁
铁可通过控制线圈电流和线圈匝数来改变电磁场强度，经发明人试验测试结果证明改变磁场强度可有效降低磁芯卡口距离改变所带来的空气域漏磁影响，提高传感器磁感应强度检测精度。
[0021] 作为一种改进，所述的磁感应强度检测单元外置于钢筋混凝土柱，从而实现重复利用和动态监测。
[0022] 作为一种改进，所述的磁感应强度检测单元的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器以卡口中心线为轴线对称布置，经发明人试验测试结果证明可精确检测钢筋的位置。
[0023] 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，主要包括控制线圈的工作电流、测定第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的磁感应强度值从而计算得出锈蚀率。磁感应强度测定系统与
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。
[0024] 一种基于电磁场原理的外置式钢筋锈蚀无损监测传感器试验方法，包括以下步骤：
[0025] 第一步，钢筋混凝土试件待测前的准备，过程如下：
[0026] 1.1取设定长度和直径的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；
[0027] 1.2将标定钢筋和待测钢筋两端5cm处凃环
氧树脂并置于模具中并浇筑成型，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；
[0028] 第二步，测定前的准备，过程如下：
[0029] 2.1漆包
铜线均匀同向绕上磁芯形成线圈，在封装外壳的第一霍尔传感器放置槽和第二霍尔传感器放置槽安装第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，然后通电形成匀强电磁场，盖上封盖进行封装；
[0030] 2.2通过中央控制器
控制信号采集器的采集
频率和信号发生器的电流，通电测试磁场，保证第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的磁感应强度高斯值相同；
[0031] 第三步，标定试验，过程如下：
[0032] 3.1记录质量为m1I，m2I，m3I，m4I，m5I，m6I，m7I对应的钢筋混凝土试件锈蚀前标定钢筋的磁感应强度数据B1I，B2I，B3I，B4I，B5I，B6I，B7I；
[0033] 3.2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等间隔时间通电t1，t2，t3，t4，t5，t6，t7；
[0034] 3.3记录钢筋混凝土试件锈蚀后标定钢筋的磁感应强度数据B1II，B2II，B3II，B4II，B5II，B6II，B7II和钢筋质量数据m1II，m2II，m3II，m4II，m5II，m6II，m7II；
[0035] 3.4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)；
[0036]
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041]
[0042]
[0043] 3.5分别计算标定钢筋磁感应强度变化率△B1，△B2，△B3，△B4，△B5，△B6，△B7，计算公式分别为式(8)～(14)
[0044]
[0045]
[0046]
[0047]
[0048]
[0049]
[0050]
[0051] 3.6对钢筋质量变化率与霍尔传感器磁感应强度变化率之间的关系进行线性拟合，得到线性关系系数α；
[0052] 第四步，测定试验，过程如下：
[0053] 4.1记录待测试件锈蚀前的磁感应强度B0I；
[0054] 4.2将待测的钢筋混凝土置于容易导致钢筋发生锈蚀的环境中，促使钢筋发生锈蚀；
[0055] 4.3将锈蚀后的待测试件放回原位，记录钢筋锈蚀后的磁感应强度B0II；
[0056] 4.4钢筋的锈蚀率pII，计算公式为式(15)
[0057] PII＝α(B0II-B0I) (15)。
[0058] 本发明的工作原理：霍尔传感器检测磁感应强度检测单元的磁感应强度并送至信号处理器，磁感应强度检测单元的电流由信号发生器控制；信号处理器按设置频率对信号发生器和信号采集器的数据进行采集并计算分析，所采集数据和计算结果实时存储在中央控制器中，并由显示屏实时显示分析计算结果。
[0059] 本发明的有益效果是：本发明基于无损检测方法，运用
电磁感应技术实现钢筋锈蚀无损监测，从而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钢筋锈蚀率的测试；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的钢筋混凝土方柱，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
[0060] 图1为本发明的结构示意图。
[0061] 图2为本发明封装外壳封盖前结构示意图。
[0062] 图3为本发明封盖俯视图。
[0063] 图4为本发明磁芯卡口增大传感器检测结果。
[0064] 图5为本发明磁场放大后传感器检测结果。
[0065] 图6为本发明霍尔传感器x、y方向位置检测试验结果。
[0066] 图7为本发明霍尔传感器z方向位置检测试验结果。
[0067] 图8为本发明霍尔传感器钢筋锈蚀检测试验结果。
[0068] 图中附图标记：1-1、第一霍尔传感器；1-2、第二霍尔传感器；2、线圈；3、磁芯；4、钢筋混凝土方柱；5、检测钢筋；6、信号采集器；7、信号发生器；8、信号处理器；9、
中央处理器；10-1、第一指示灯；10-2、第二指示灯；11、封装外壳；11-1、第一霍尔传感器放置槽；11-2、第二霍尔传感器放置槽；11-3、封盖。
具体实施方式
[0069] 下面结合附图进一步说明本发明
[0070] 参照图1～图8，一种基于电磁场原理的外置式钢筋锈蚀无损监测传感器测试方法，以直径为16mm的HPB300光圆钢筋为例，包括以下步骤：
[0071] 第一步，钢筋混凝土试件待测前的准备，过程如下：
[0072] 1.1取长度为20cm，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；
[0073] 1.2将标定钢筋和待测钢筋两端5cm处凃
环氧树脂并置于模具中并浇筑成型，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100mm×100mm，钢筋长度为200mm，两侧钢筋突出长度为50mm，试件长度为100mm，浇筑成型后在养护室标准养护28d，浇筑成型后的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；
[0074] 第二步，测定前的准备，过程如下：
[0075] 2.1漆包铜线均匀同向绕上磁芯3形成线圈2，在封装外壳11的第一霍尔传感器放置槽11-1和第二霍尔传感器放置槽11-2安装第一霍尔传感器1-1和第二霍尔传感器1-2，然后通电形成匀强电磁场，盖上封盖11-3进行封装；
[0076] 2.2通过中央控制器9控制信号采集器6的采集频率和信号发生器7的电流，通电测试磁场，保证第一霍尔传感器1-1和第二霍尔传感器1-2的磁感应强度高斯值相同。
[0077] 第三步，标定试验，过程如下：
[0078] 3.1记录质量为m1I，m2I，m3I，m4I，m5I，m6I，m7I对应的钢筋混凝土试件锈蚀前标定钢筋的磁感应强度数据B1I，B2I，B3I，B4I，B5I，B6I，B7I；
[0079] 3.2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分别通电1天，2天，3天，4天，5天，6天，7天；
[0080] 3.3记录钢筋混凝土试件锈蚀后标定钢筋的磁感应强度数据B1II，B2II，B3II，B4II，B5II，B6II，B7II和钢筋质量数据m1II，m2II，m3II，m4II，m5II，m6II，m7II；
[0081] 3.4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)；
[0082]
[0083]
[0084]
[0085]
[0086]
[0087]
[0088]
[0089] 3.5分别计算标定钢筋磁感应强度变化率△B1，△B2，△B3，△B4，△B5，△B6，△B7，计算公式分别为式(8)～(14)
[0090]
[0091]
[0092]
[0093]
[0094]
[0095]
[0096]
[0097] 3.6对钢筋质量变化率与霍尔传感器磁感应强度变化率之间的关系进行线性拟合，得到线性关系系数α；
[0098] 第四步，测定试验，过程如下：
[0099] 4.1记录待测试件锈蚀前的磁感应强度B0I；
[0100] 4.2将待测的钢筋混凝土置于容易导致钢筋发生锈蚀的环境中，促使钢筋发生锈蚀；
[0101] 4.3将锈蚀后的待测试件放回原位，记录钢筋锈蚀后的磁感应强度B0II；
[0102] 4.4钢筋的锈蚀率pII，计算公式为式(15)
[0103] PII＝α(B0II-B0I) (15)。
[0104] 一种基于电磁场原理的外置式钢筋锈蚀无损监测传感器，包括磁感应强度监测单元和数据处理单元；
[0105] 所述的磁感应强度检测单元包括信号发生器7、线圈2、磁芯3、封装外壳11、第一霍尔传感器1-1和第二霍尔传感器1-2，所述的线圈2均匀缠绕在所述的磁芯3上，并且所述的线圈2两端与所述的信号发生器7的信号输入端电连；所述的固定单元夹紧的钢筋混凝土试件中间位置和磁芯3卡口中间位置相对应；所述的封装外壳11包括第一霍尔传感器放置槽11-1、第二霍尔传感器放置槽11-2和封盖11-3；所述的第一霍尔传感器1-1和第二霍尔传感器1-2应以卡口中心线为轴线对称布置，分别安装在封装外壳11的第一霍尔传感器放置槽
11-1和第二霍尔传感器放置槽11-2；
[0106] 所述的数据处理单元包括信号采集器6、信号处理器8和中央控制器9，所述的信号采集器6的输入端与所述的第一霍尔传感器1-1和第二霍尔传感器1-2的信号输出端电连，所述的信号发生器7的信号输出端、所述的信号采集器6的输出端分别与所述的信号处理器8的信号输入端电连，所述的信号处理器8的信号输出端与所述的中央控制器9的端口电连。
[0107] 进一步，所述的第一霍尔传感器1-1和第二霍尔传感器1-2对称布置。
[0108] 所述的磁芯3为梯形卡口。
[0109] 所述的磁芯3材质为硅钢材质。
[0110] 所述的封装外壳为塑料材质。
[0111] 所述的信号发生器7可稳定控制线圈电流大小。
[0112] 所述的信号采集器6和信号发生器7分别安装有电路第一指示灯10-1和第二指示灯10-2，所述的指示灯分别提示信号采集器6和信号发生器7是否正常工作。
[0113] 所述的霍尔传感器7可根据精度要求和实际工程需求对称布置一对或多对传感器。
[0114] 作为一种改进，本发明中所述磁感应强度检测单元的磁芯3卡口为梯形形状，可牢固卡在钢筋混凝土方柱的边角处，完成对单根检测钢筋5锈蚀监测，且可根据嵌入深度或改变磁芯卡口距离，卡住不同尺寸的钢筋混凝土柱。
[0115] 作为一种改进，本发明中所述的磁感应强度检测单元的磁芯3和均匀绕线的线圈2生成的匀强电磁场取决于线圈2电流和线圈2匝数，不会因时间变化而消磁，检测结果精确。
[0116] 作为一种改进，本发明中所述的磁感应强度检测单元的磁芯3、均匀绕线的线圈2和信号发生器7组成的电
磁铁可通过控制线圈电流和线圈匝数来改变电磁场强度，经发明人试验测试结果证明改变磁场强度可有效降低磁芯卡口距离改变所带来的空气域漏磁影响，提高传感器磁感应强度检测精度。
[0117] 作为一种改进，本发明中所述的磁感应强度检测单元外置于钢筋混凝土柱4，从而实现重复利用和动态监测。
[0118] 作为一种改进，本发明中所述的磁感应强度检测单元的第一霍尔传感器1-1和第二霍尔传感器1-2以卡口中心线为轴线对称布置，经发明人试验测试结果证明可精确检测钢筋的位置。
[0119] 作为一种改进，本发明所述数据处理单元，其相关控制电路可利用现有成熟技术实现，主要包括控制线圈2的工作电流、测定第一霍尔传感器1-1和第二霍尔传感器1-2的磁感应强度值从而计算得出锈蚀率。磁感应强度测定系统与数据处理系统通过信号处理器8和中央控制器9完成数据存储、后处理和实时显示。
[0120]
实施例2，钢筋直径为16mm长度为20cm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100mm×100mm，钢筋长度为200mm，两侧钢筋突出长度为50mm，试件长度为100mm，浇筑成型后在养护室标准养护28d，以此浇筑的钢筋混凝土试件为例对钢筋位置变化对磁感应强度的影响做具体说明：
[0121] 以前后方向建立x轴，以左右方向建立y轴，以上下方向建立z轴。将钢筋混凝土试件移至传感器磁芯卡口中心，将此时的磁芯卡口中心的三维相对坐标值(x,y,z)定义为(0,0,0)。
[0122] 使钢筋混凝土试件沿着z方向移动，记录霍尔传感器磁感应强度值和z坐标值，其测试数据如图7所示，由测试数据可知当钢筋在卡口区域内的有效长度不发生改变时，磁感应强度监测值不会发生改变，当钢筋沿着z方向移动距离增加至卡口区域内的钢筋有效长度减小时，磁感应强度监测值会显著降低。
[0123] 使钢筋混凝土试件沿着x和y方向移动，记录霍尔传感器磁感应强度值、x坐标值和y坐标值，其测试数据如图6所示，由测试数据可知当钢筋沿着x、y方向移动时，对磁感应强度监测值影响很大。
[0124] 具体实现时，本发明对具体的器件型号不做限制，只要能完成上述功能的元器件均可。
[0125] 最后，需要注意的是，以上列举的仅针对测定实验室新配置混凝土的具体实施例，并不限制本发明。对于从既有工程中取样的钢筋混凝土结构，其过程和方法完全一致，此处不再赘述。
[0126] 本发明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明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，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。
