混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器的設計

摘要：介紹了基于電磁耦合的混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器的原理和模型，并應用ANSYS軟件仿真設計出符合工程需要的腐蝕監(jiān)測傳感器的尺寸和線圈的匝數。根據由ANSYS仿真已得到的線圈電感值和線圈耦合系數，應用PSpice軟件仿真設計出鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器中其他元件參數的大小。對鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器進行了詳細的仿真設計，為其實際制作提供重要參數依據。
關鍵詞：鋼筋混凝土腐蝕監(jiān)測；傳感器；ANSYS；PSpice

    如今，鋼筋混凝土已經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構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構的防護、維修、加固、重建，所以需要實時了解鋼筋混凝土的腐蝕程度等信息，這樣才可以為結構的耐久性評估、剩余使用壽命的預測、結構的加固維修提供重要的依據。
    如何高效可靠地監(jiān)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(fā)現潛在危險，避免安全事故發(fā)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(jiān)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(jiān)測傳感器是監(jiān)測信息來源的最前端，在整個監(jiān)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(jiān)測傳感器
    美國Texas大學提出的將鋼筋等效物監(jiān)測與電磁耦合技術相結合的方案構建腐蝕監(jiān)測傳感器，為鋼筋腐蝕監(jiān)測指出了一個發(fā)展的方向，但由于該方法根據電壓相頻特性進行監(jiān)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(jiān)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(jiān)測鋼筋腐蝕。

    腐蝕監(jiān)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(jiān)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(jiān)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(jiān)測傳感器進行了相關方面的研究，本文僅對其參數進行優(yōu)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(fā)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(tài)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(jiān)測靈敏度要求越低；△f越大，掃頻源的掃頻步進越大，監(jiān)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(jiān)測失敗。

2 腐蝕監(jiān)測傳感器的設計
    互感或耦合系數，反映線圈之間通過磁場變化相互耦合的程度，它們取決于線圈的匝數、幾何尺寸、磁介質和線圈之間的相對位置，同時耦合系數k直接影響傳感器性能參數△f和Dip的大小。我們期望在保證兩線圈之間較遠的距離的前提下，能夠有較大的耦合系數。另外，考慮到為了不影響混凝土結構的性能，腐蝕監(jiān)測傳感器尺寸不能太大。
    ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的大型通用有限元分析軟件，能夠進行包括結構、熱、聲、流體以及電磁場等學科的分析，有著廣泛的應用領域。本文采用ANSYS10．0版本進行仿真。
2．1 仿真步驟
    為了保證在較高的頻率范圍內進行腐蝕監(jiān)測，同時提高耦合系數，采用磁導率為2800軟磁鐵氧體磁棒為磁芯。通過ANSYS仿真，希望能夠得出磁棒的尺寸、線圈的匝數、線圈之間的相對位置等參數。
    ANSYS磁場分析分為5個步驟：創(chuàng)建物理環(huán)境、建立模型、加邊界條件和載荷、求解、后處理查看計算結果。本文采用plane53單元建立1／2軸對稱實體模型；為了更加真實的模擬線圈周圍的真實磁場，在模型的周圍建立20 cm的空氣模型；另外為了提高計算的精度和兼顧計算機處理時間，設置自動網格劃分精度Smart Size為3；在空氣四周添加平行邊界條件；利用二維靜態(tài)磁場分析，為耦合線圈添加名義電流，采用Lmatrix宏來計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 磁棒尺寸的仿真設計
    假設磁棒1、2的半徑和高度分別為r1、r2、h1、h2，匝數分別為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k的影響，結果如圖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r1的值，觀察k的變化，結果如圖5所示。

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

    根據以上的分析，取r1=35 mm、r2=25 mm、N1=N2=30匝、h1=h2=20 mm。進行耦合電感的繞制，此時電感的大小為L1=200 μH、L2=140 μH。
    改變兩線圈之間的距離s，得到不同的k值，為下面進行其他參數仿真設計提供依據，其結果如圖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。所以在實際工程使用時，為了保證線圈之間的較高的耦合效率，的大小要適度。

3 其他元件參數的仿真設計
    PSpice作為計算機輔助分析設計軟件，具有強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制作功能，被公認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。通過改變掃頻源電壓幅值U、電阻R1、耦合系數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計中，采用單片機作為主控芯片，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，結果如表1所示。

    從表1可以看出，△f隨著電容的增加，和Dip沒有顯著的變化，只是諧振頻率跟著相應的改變。但由于電感自身存在分布電容，同時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，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)測需要的時間越久，綜合考慮各個因素后，取C1=200 pF，C2=200 pF，此時鋼絲通斷時諧振頻率分別為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，觀察鋼絲完好時和Dip的變化情況，其結果如表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)測的準確度，降低設計難度，同時兼顧監(jiān)測速度，取R1=200 Ω。
    取U=2．5 V，C1=C2=200 pF，R1=200，改變k的大小(分別對應兩線圈間的距離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)測靈敏度，當Dip≥0．5 V時，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和點數，即監(jiān)測時間，可以通過在讀取電路程序設計中來縮短采樣時間，綜上分析，兩線圈之間的距離可以達到70 mm，滿足實際工程的要求。

4 結束語
    文中利用ANSYS和PSpice軟件仿真了混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器模型，為實際制作傳感器提供了重要的參數依據。但這里僅考慮了鋼筋是否腐蝕這兩種情況，后期可以對鋼筋腐蝕監(jiān)測傳感器加以改進，增加不同粗細的鋼絲和電容的個數，以期可以監(jiān)測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，但其對腐蝕監(jiān)測傳感器中電容的大小設置也有著重要的影響，還需要進一步研究。