一种预埋型钢筋锈蚀率监测传感器及方法
阅读说明：本技术 一种预埋型钢筋锈蚀率监测传感器及方法 (Embedded type steel bar corrosion rate monitoring sensor and method ) 是由 肖德文 杨楠 宋宇 张萌 赵保才 于 2021-08-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于工程监测技术领域,尤其涉及一种预埋型钢筋锈蚀率监测传感器及方法；包括温度传感器阵列、电阻率传感器、加热模块、环境温度检测器和监测主机；使用电阻率传感器和温度传感器共同作用,监测钢筋的导热特性和电阻率特性随温度的变化规律,当锈蚀率达到一定程度时,电阻率随温度的变化特性会发生变化,同时由于钢筋的成分变化,被氧化后钢筋的导热特性也会变化,由此监测钢筋的锈蚀率更加精准；由于系统的巧妙设计,仅仅需要在钢筋表面设置温度传感器即可,结构简单,稳定性好,比设置光纤传感器更能克服外界的干扰,适应性强,成本更低。(The invention belongs to the technical field of engineering monitoring, and particularly relates to a pre-embedded type steel bar corrosion rate monitoring sensor and a method; the system comprises a temperature sensor array, a resistivity sensor, a heating module, an environment temperature detector and a monitoring host; the heat conduction characteristic and the change rule of the resistivity characteristic along with the temperature of the steel bar are monitored by using the combined action of the resistivity sensor and the temperature sensor, when the corrosion rate reaches a certain degree, the change characteristic of the resistivity along with the temperature changes, and meanwhile, the heat conduction characteristic of the oxidized steel bar also changes due to the change of the components of the steel bar, so that the corrosion rate of the steel bar is monitored more accurately; due to the ingenious design of the system, only the temperature sensor needs to be arranged on the surface of the steel bar, the structure is simple, the stability is good, the external interference can be overcome compared with the arrangement of the optical fiber sensor, the adaptability is strong, and the cost is lower.)
技术领域
本发明属于工程监测技术领域，尤其涉及一种预埋型钢筋锈蚀率监测传感器及方法。
背景技术
钢筋锈蚀对混凝土结构的耐久性和安全性影响极大。钢筋混凝土是当代土建、水利及道路工程上使用最广泛的建筑材料。钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀往往危害建筑物的安全,并且所造成的危害很难修补挽回,会造成巨大的损失。钢筋锈蚀引起的钢筋混凝土结构耐久性问题越来越受到工程界的关注和重视。因此，有必要对混凝土结构中钢筋锈蚀进行监测，发现问题及时处理，减小事故的发生。
传统的钢筋锈蚀一般都是使用压点传感器或者光纤传感器，这类的传感器成本高，且极容易受到外界环境的影响，由于钢筋的性质和其温度有一定的关系，这类传感器也不能监测出温度，误差比较大。
发明内容
针对上述内容，为解决上述问题，本发明提供一种预埋型钢筋锈蚀率监测传感器系统及方法，使用电阻率传感器和温度传感器共同作用，监测钢筋的导热特性和电阻率特性随温度的变化规律，当锈蚀率达到一定程度时，电阻率随温度的变化特性会发生变化，同时由于钢筋的成分变化，被氧化后钢筋的导热特性也会变化，由此监测钢筋的锈蚀率更加精准；由于系统的巧妙设计，仅仅需要在钢筋表面设置温度传感器即可，结构简单，稳定性好，比设置光纤传感器更能克服外界的干扰，适应性强，成本更低。
一种预埋型钢筋锈蚀率监测传感器系统，包括温度传感器阵列、电阻率传感器2、加热模块3、环境温度检测器和监测主机；其中
温度传感器阵列为沿着钢筋延伸方向设置的多个温度传感器1，且同一根钢筋上温度传感器1之间的间距相同，记为L，且与一个温度传感器1和另一根钢筋上距离该温度传感器1最近的温度传感器1之间的距离也相同，均记为L；
加热模块3设置在具有温度传感器阵列的一条钢筋的两端，电阻率传感器2设置在 另一条具有温度传感器阵列的钢筋两端；
监测主机连接温度传感器阵列、电阻率传感器2、加热模块3和环境温度检测器，从而控制温度传感器阵列、电阻率传感器2、加热模块3和环境温度检测器工作并收集数据。
所述温度传感器阵列中的每个温度传感器1均贴附在钢筋的表面，且在温度传感器1与钢筋接触位置涂覆有导热材料。
所述电阻率传感器2包括设置在同一根钢筋两端的电压计和电流计。
所述加热模块3为恒温加热器。
一种使用上述监测传感器系统监测钢筋锈蚀率的方法，包括如下步骤：
步骤一、系统标定；
选取两根钢筋，其中第1根钢筋和第2根钢筋上均设有温度传感器阵列，且第1根钢筋的两端设有加热模块3，第2根钢筋的端部为电阻率传感器2；
监测主机收集环境温度检测器的温度数值，根据环境温度T将加热模块3的加热温度设置为T+M；其中M为预先设置在监测主机内的环境温度与加热温度的温差；
监测主机同时收集温度传感器阵列的温度初始值T0ij并记录，其中T0ij表示第i根钢筋上的第j个温度传感器1的温度初始值；
电阻率传感器2将检测到的电压和电流值发送给监测主机，由监测主机根据电压和电流值计算电阻率R0，并将R0 作为初始电阻率记录；
步骤二、加热测量；
第1根钢筋上的加热模块3开始升温，监测主机同时收集温度传感器阵列检测到的温度值Tnij，其中Tnij表示第i根钢筋上的第j个温度传感器1第n秒的温度值数据；
在第1根钢筋加热过程中监测主机根据第2根钢筋上电阻率传感器2传输的电压和电流值计算并记录电阻率Rn，并记录其随时间的变化，同时建立温度-电阻率曲线，其中Rn表示第n秒监测主机计算并记录的电阻率数据，单位为Ω/m；
步骤三、锈蚀率分析；
监测主机先将温度传感器阵列的温度值数据Tnij和温度值初始数据T0ij进行差分，即求出△Tnij＝Tnij-T0ij；
当Tn1j＝T+M时，△Tj＝(△Tn1j-△Tn2j)-(△Tn1j-△Tn1(j+1))＝△Tn1(j+1)-△Tn2j即为Tn1j＝T+M时第1根钢筋上第j个温度传感器1到第j+1个温度传感器1由钢筋热传导导致的温度变化；其中T n 1j为第n秒第1根钢筋上第j个温度传感器1的温度值，Tn2j 第n秒第2根钢筋上第j个温度传感器1的温度值；
监测主机计算温度变化系数Qj＝△Tj/L；然后将第1根钢筋上的全部温度传感器1的温度变化系数计算出来，并求出其平均值Q，作为第1根钢筋的温度变化系数；
监测主机计算并记录每一秒第2根钢筋的平均温度，即对每一秒计算第2根钢筋上的全部温度传感器1测得的温度平均值进行计算并记录，然后计算该时刻第2根钢筋的电阻 率；然后以平均温度为横坐标，第2根钢筋的电阻率R为纵坐标绘制第2根钢筋的温度-电阻率曲线；
监测主机将第1根钢筋的温度变化系数Q与监测主机内的阈值进行对比，判断其是否超出阈值范围，如果超出阈值范围，则在监测主机上进行警报；监测主机将第2根钢筋的温度-电阻率曲线与监测主机内预先存储的标准曲线进行比对，计算其与标准曲线上数据的方差或者标准差，如果方差或者标准差的值超过阈值，则监测主机上进行警报。
本发明的有益效果为：
本发明使用电阻率传感器2和温度传感器1共同作用，监测钢筋的导热特性和电阻率特性随温度的变化规律，当锈蚀率达到一定程度时，电阻率随温度的变化特性会发生变化，同时由于钢筋的成分变化，被氧化后钢筋的导热特性也会变化，由此监测钢筋的锈蚀率更加精准；由于系统的巧妙设计，仅仅需要在钢筋表面设置温度传感器1即可，结构简单，稳定性好，比设置光纤传感器更能克服外界的干扰，适应性强，成本更低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，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，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的系统架构示意图。
图2为本发明的监测原理图。
其中：1-温度传感器；2-电阻率传感器；3-加热模块；4-混凝土。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1和图2所示，一种预埋型钢筋锈蚀率监测传感器系统，包括温度传感器阵列、电阻率传感器2、加热模块3、环境温度检测器和监测主机；其中
钢筋为混凝土建筑中位于混凝土内的多条钢筋，温度传感器阵列设置在其中至少两条钢筋上；温度传感器阵列为沿着钢筋延伸方向设置的多个温度传感器1，且同一根钢筋上温度传感器1之间的间距相同，记为L，且与一个温度传感器1和另一根钢筋上距离该温度传感器1最近的温度传感器1之间的距离也相同，均记为L；
即：同一根钢筋上温度传感器1之间的间距为L，且一个温度传感器1A与同一根钢筋上距离自身最近的温度传感器1B之间的距离L等于温度传感器1A与另一根钢筋上距离温度传感器1A最近的温度传感器1C之间的距离；
加热模块3设置在具有温度传感器阵列的一条钢筋的两端，电阻率传感器2设置在 另一条具有温度传感器阵列的钢筋两端；使得两条钢筋一条用于监测导热特性，另一条用于监测电阻率特性；
监测主机连接温度传感器阵列、电阻率传感器2、加热模块3和环境温度检测器，从而控制温度传感器阵列、电阻率传感器2、加热模块3和环境温度检测器工作并收集数据。
监测主机根据收集的导热特性和电阻率特性分析钢筋锈蚀率。
温度传感器阵列是在制作混凝土时预先埋设到钢筋表面的，使用金属丝固定，温度传感器1与钢筋接触位置涂覆有导热材料；
电阻率传感器2、加热模块3、环境温度检测器和监测主机为外接的监测模块，由外界供电；温度传感器阵列的数据信号由线束导出。
沿着同一方向，温度传感器1的标号分别为S11、S12、S13、…、Sij；其中i、j表示第i根钢筋上的第j个传感器；
加热模块3设置于钢筋两端，加热模块3为恒温加热模块3；电阻率传感器2包括设置在钢筋两端的电压计和电流计，用于测量整个钢筋的电阻，并根据钢筋的长度计算钢筋的单位长度的电阻率R，单位为Ω/m。
环境温度检测器用于检测环境的温度，用于给加热模块3提供环境温度的参考。
所述温度传感器阵列中的每个温度传感器1均贴附在钢筋的表面，且在温度传感器1与钢筋接触位置涂覆有导热材料。
所述电阻率传感器2包括设置在同一根钢筋两端的电压计和电流计。
所述加热模块3为恒温加热器。
一种使用上述监测传感器系统监测钢筋锈蚀率的方法，包括如下步骤：
步骤一、系统标定；
选取两根钢筋，其中第1根钢筋和第2根钢筋上均设有温度传感器阵列，且第1根钢筋的两端设有加热模块3，第2根钢筋的端部为电阻率传感器2(即电阻率传感器2的电压计和电流计分别设置在第2根钢筋的两端端部)；
监测主机收集环境温度检测器的温度数值，根据环境温度T将加热模块3的加热温度设置为T+M；其中M为预先设置在监测主机内的环境温度与加热温度的温差；
监测主机同时收集温度传感器阵列的温度初始值T0ij并记录，其中T0ij表示第i根钢筋上的第j个温度传感器1的温度初始值；
电阻率传感器2将检测到的电压和电流值发送给监测主机，由监测主机根据电压和电流值计算电阻率R0，并将R0 作为初始电阻率记录；
步骤二、加热测量；
第1根钢筋上的加热模块3开始升温，控制温度恒定在T+M，监测主机同时收集温度传感器阵列检测到的温度值Tnij，并记录温度值随时间的变化，记录多组数据，其中Tnij表示第i根钢筋上的第j个温度传感器1第n秒的温度值数据；并将Tnij记录在监测主机内；
在第1根钢筋加热过程中监测主机根据第2根钢筋上电阻率传感器2传输的电压和电流值计算并记录电阻率Rn，并记录其随时间的变化，同时建立温度-电阻率曲线，其中Rn表示第n秒监测主机计算并记录的电阻率数据，单位为Ω/m；
步骤三、锈蚀率分析；
监测主机先将温度传感器阵列的温度值数据Tnij和温度值初始数据T0ij进行差分，即求出△Tnij＝Tnij-T0ij，以排除初始温度的影响；
将温度传感器1的标号分别记为S11、S12、S13、…、Sij；其中Sij表示第i根钢筋上的第j个温度传感器1，并将同一根钢筋上相邻的两个温度传感器1之间的间距设为L，故由于温度传感器1的编码是连续的，也就是S1j与S1(j+1)之间的距离为L，S1j与S2j之间的距离也是L；也就是说S1j与S1(j+1)的温度差反应了钢筋和混凝土传递温度的共同作用结果，而S1j与S2j的温度差反应了混凝度传递温度的作用结果，从而可以得到：
当Tn1j＝T+M时，△Tj＝(△Tn1j-△Tn2j)-(△Tn1j-△Tn1(j+1))＝△Tn1(j+1)-△Tn2j即为Tn1j＝T+M时第1根钢筋上第j个温度传感器1到第j+1个温度传感器1由钢筋热传导导致的温度变化；其中T n 1j为第n秒第1根钢筋上第j个温度传感器1的温度值，Tn2j 第n秒第2根钢筋上第j个温度传感器1的温度值；
监测主机计算温度变化系数Qj＝△Tj/L；然后将第1根钢筋上的全部温度传感器1的温度变化系数即每一个温度传感器1对应的Qj 计算出来，并求出其平均值Q，作为第1根钢筋的温度变化系数，温度变化系数其反应了第1根钢筋的导热特性；
监测主机计算并记录每一秒第2根钢筋的平均温度，即对每一秒计算第2根钢筋上的全部温度传感器1测得的温度平均值进行计算并记录，然后计算该时刻第2根钢筋的电阻 率；然后以平均温度为横坐标，第2根钢筋的电阻率R为纵坐标绘制第2根钢筋的温度-电阻率曲线；
监测主机将第1根钢筋的温度变化系数Q与监测主机内的阈值进行对比，判断其是否超出阈值范围，如果超出阈值范围，则在监测主机上进行警报；监测主机将第2根钢筋的温度-电阻率曲线与监测主机内预先存储的标准曲线进行比对，计算其与标准曲线上数据的方差或者标准差，如果方差或者标准差的值超过阈值，则监测主机上进行警报。
实施例1：
一种预埋型钢筋锈蚀率监测传感器系统，包括温度传感器阵列、电阻率传感器2、加热模块3、环境温度检测器和监测主机。
钢筋为混凝土建筑中位于混凝土内的多条钢筋，温度传感器阵列设置在至少两条钢筋上；温度传感器1贴附在钢筋的表面，温度传感器阵列包括多个温度传感器1沿着钢筋的延伸方向设置，且同一根钢筋上的温度传感器1的间距为L，一个温度传感器1A与同一根钢筋上距离自身最近的温度传感器1B的距离L等于A其与另一根钢筋上距离A最近的温度传感器1C的距离L；
加热模块3设置在具有温度传感器阵列的一条钢筋的两端，电阻率传感器2设置在另一条具有温度传感器阵列的钢筋两端；使得两条钢筋一条用于监测导热特性，一条用于监测电阻率特性；
监测主机连接温度传感器阵列、电阻率传感器2、加热模块3和环境温度检测器，从而控制温度传感器阵列、电阻率传感器2、加热模块3和环境温度检测器工作并收集数据；
监测主机根据收集的导热特性和电阻率特性分析钢筋锈蚀率。
温度传感器阵列是在制作混凝土时预先埋设到钢筋表面的，使用金属丝固定，温度传感器1与钢筋接触位置涂覆有导热材料；
电阻率传感器2、加热模块3、环境温度检测器和监测主机为外接的监测模块，由外界供电；温度传感器阵列的数据信号由线束导出。
沿着同一方向，温度传感器1的标号分别为S11、S12、S13、…、Sij；其中i、j表示第i根钢筋上的第j个传感器；
加热模块3包括设置于钢筋两端的加热模块3，加热模块3为恒温加热模块3；电阻率传感器2包括设置在钢筋两端的电压计和电流计，用于测量整个钢筋的电阻，并根据钢筋的长度计算钢筋的单位长度的电阻率R，单位为Ω/m。
环境温度检测器用于检测环境的温度，用于给加热模块3提供环境温度的参考。
实施例2：
一种使用实施例1中的监测传感器系统监测钢筋锈蚀率的方法，包括如下步骤：
步骤一、系统标定；
第1根钢筋和第2根钢筋上均设有温度传感器阵列，且第1根钢筋的两端设有加热模块3，第2根钢筋的两端设有电阻率传感器2；
监测主机收集环境温度检测器的温度数值，根据环境温度T将加热模块3的加热温度设置为T+M；其中M为预先设置在监测主机内的环境温度与加热温度的温差；
监测主机同时收集温度传感器阵列的温度初始值T0ij并记录，其中T0ij表示第i根钢筋上的第j个温度传感器1的温度初始值；
电阻率传感器2检测第2根钢筋的电阻率R0，并将其发送给监测主机，监测主机将R0作为初始电阻率记录；
步骤二、加热测量；
第1根钢筋上的加热模块3开始升温，控制温度恒定在T+M，监测主机同时收集温度传感器阵列的温度值Tnij，并记录温度值随时间的变化，记录多组数据，其中Tnij表示第i根钢筋上的第j个温度传感器1第n秒的温度值数据；并将Tnij记录在监测主机内；
在第1根钢筋加热过程中记录第2根钢筋上的电阻率传感器2检测到的电阻率Rn，并记录其随时间的变化，其中Rn表示第n秒记录的电阻率数据，单位为Ω/m；
步骤三、锈蚀率分析；
监测主机先将温度传感器阵列的温度值数据Tnij和温度值初始数据T0ij进行差分，即求出△Tnij＝Tnij-T0ij，以排除初始温度的影响；
将温度传感器1的标号分别记为S11、S12、S13、…、Sij；其中Sij表示第i根钢筋上的第j个温度传感器1，并将同一根钢筋上相邻的两个温度传感器1之间的间距均设为L，故由于温度传感器1的编码是连续的，也就是S1j与S1(j+1)之间的距离为L，S1j与S2j之间的距离也是L；也就是说S1j与S1(j+1)的温度差反应了钢筋和混凝土传递温度的共同作用结果，而S1j与S2j的温度差反应了混凝度传递温度的作用结果，从而可以得到
当Tn1j＝T+M时，△Tj＝(△Tn1j-△Tn2j)-(△Tn1j-△Tn1(j+1))＝△Tn1(j+1)-△Tn2j即为Tn1j＝T+M时第1根钢筋上第j个温度传感器1到第j+1个温度传感器1由钢筋热传导导致的温度变化；其中Tn1j为第n秒第1根钢筋上第j个温度传感器1的温度值；
监测主机计算温度变化系数Qj＝△Tj/L；然后将第1根钢筋上的全部温度传感器1的温度变化系数即每一个温度传感器1对应的Qj计算出来，并求出其平均值Q，作为第1根钢筋的温度变化系数，温度变化系数其反应了第1根钢筋的导热特性；
监测主机记录第2根钢筋的平均温度，即在每一秒计算第二根钢筋上的温度传感器1的温度的平均值，即对第2根钢筋上的全部温度传感器1测得的温度平均值进行计算，然后测量该时刻的第2根钢筋的电阻率；然后以平均温度为横坐标，第2根钢筋的电阻率R为纵坐标绘制第2根钢筋的温度-电阻率曲线；
监测主机将第1根钢筋的温度变化系数Q与监测主机内的阈值进行对比，判断是否超出阈值范围，如果超出阈值范围，则在监测主机上进行警报；监测主机将第2根钢筋的温度-电阻率曲线与监测主机内的预先存储的标准曲线进行比对，计算其与标准曲线上数据的方差或者标准差，如果方差或者标准差的值超过阈值，则监测主机上进行警报。
在进行监测前，在实验室制作与待监测钢筋材质相同的钢筋，并利用电化学腐蚀方式进行梯度锈蚀；得到一组锈蚀后的钢筋，并将其分为有效钢筋和失效钢筋，失效钢筋为不能保证混凝土强度符合国标的钢筋；将不同锈蚀率的钢筋做成钢筋混凝土，制作时埋入温度传感器阵列；
利用上述方法测定实验室的不同锈蚀率的钢筋混凝土的温度变化系数Q和温度-电阻率曲线；然后将没有锈蚀的有效钢筋的温度-电阻率曲线作为标准曲线，将最低锈蚀率的失效钢筋的温度-电阻率曲线与标准曲线的方差最小值作为曲线的比较阈值；将有效钢筋的温度变化系数Q的范围作为对Q判断的阈值范围。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明的保护范围并不局限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。