基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统及方法

本技术涉及钢筋腐蚀检测技术，尤其涉及一种基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统及方法。

背景技术：

1、钢筋混凝土作为现代建筑中广泛应用的一种主要结构形式,其长期耐久性对建筑物的安全性和使用寿命至关重要。钢筋混凝土结构早期被破坏最常见的原因是钢筋的腐蚀。腐蚀通常由氯化物作为盐水和防冻试剂的组成部分以及化学工业的产物引起。混凝土的碳化也是混凝土钢筋腐蚀的常见原因。所以当钢筋长期暴露在混凝土内部的复杂环境中，极易受到腐蚀性介质如水分、盐分、化学品等的侵蚀,进而产生表面腐蚀、局部损伤甚至断裂等。这些隐藏在混凝土内部的钢筋缺陷一旦发展到临界状态,都可能引发建筑物的局部或整体失效，危及居民的生命财产安全。因此,如何实现对钢筋腐蚀状况的及时准确检测，成为确保混凝土结构安全性的关键所在。老化钢筋混凝土结构数量的增加需要更频繁的常规和劳动密集型的腐蚀检查，以进行及时的维护策略。然而，由于缺乏对钢筋腐蚀条件的有效评估，手工调查无法达到钢筋混凝土结构的一些关键区域，工程师必须采取保守的补救行动来修复结构。因此，开发一种小尺寸、低成本和可嵌入的传感器系统是非常可取的，部署在钢筋混凝土结构的分布式位置，以监测钢筋腐蚀。

2、传统的钢筋腐蚀检测方法通常需要对混凝土结构进行破坏性检测，如取芯检测、电化学测试等，不仅费时费力，而且会对建筑物造成一定程度的损坏。随着检测技术的不断进步，一些新型的无损检测方法逐步得到应用，如利用电磁感应原理的电磁法、基于声波传播特性的超声波法等。这些无损检测技术能够通过对钢筋电磁或声学特性的分析，间接评估钢筋的腐蚀状态，避免了对结构的直接破坏。也有文献提出振动多普勒雷达测量方法，通过测量钢筋在混凝土中激振卷的振动能力，定量评估钢筋腐蚀。以及使用非线性超声波技术来检测模型钢筋混凝土构件中由于钢腐蚀引起的微裂纹的发生。但现有的电磁或声波检测系统普遍存在需要外部电源供电、监测时间短等问题，限制了其在实际工程中的推广应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术首先提供一种基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，该系统将腐蚀检测和无线传能巧妙地集成在同一套电磁耦合电路中,实现了硬件电路的互补利用，通过优化电路设计,在混凝土结构中预埋一个小型的传感器，搭载不同粗细的钢丝来等效替代混凝土中钢筋，当这些钢丝发生断裂时会导致电路的谐振频率发生变化，根据这个变化可以间接监测钢筋的腐蚀状况。此外，在系统的发射端引入自激振荡逆变器，系统在混凝土环境下的谐振频率自动跟踪和零电压软开关调控，从而提高系统在混凝土环境中的传输功率和传输效率。

2、为了实现上述目的，本技术的技术方案如下：

3、一种基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，其关键在于，包括：埋入式传感器、外部检测电路、无线收发器和中央控制系统，其中：

4、所述埋入式传感器包括感应线圈、副边补偿电容、传感器负载电路以及多个腐蚀检测补偿电容和对应多根粗细不同的腐蚀检测样本钢丝；所述感应电感和所述副边补偿电容构成副边并联谐振回路为所述传感器负载电路拾取无线能量，每个腐蚀检测补偿电容和对应的一根腐蚀检测样本钢丝串接为一条检测支路并联在所述常规补偿电容的两端；

5、所述外部检测电路包括直流电源、自激振荡逆变器、原边补偿电容、读取线圈和信号采集电路；所述直流电源经过所述自激振荡逆变器后在所述原边补偿电容和所述读取线圈构成的原边并联谐振回路上产生高频振荡电流；并通过读取线圈和感应线圈之间的电磁耦合实现无线传能；所述信号采集电路用于采集所述高频振荡电流并经过所述无线收发器上传至所述中央控制系统，所述中央控制系统通过分析所述高频振荡电流的频率确定钢筋腐蚀程度。

6、可选地，所述自激振荡逆变器包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、三极管q1、三极管q2、功率开关管m1、功率开关管m2、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、扼流电感lchoke1、扼流电感lchoke2，其中：

7、直流电源经过电阻r1接三极管q1的基极和二极管d3的正极，三极管q1的集电极接直流电源，三极管q1的发射极接二极管d1的正极，二极管d1的负极和二极管d1的负极同时接所述原边并联谐振回路的b端，三极管q1的发射极还经过电阻r3接地；

8、直流电源经过电阻r2接三极管q2的基极和二极管d4的正极，三极管q2的集电极接直流电源，三极管q2的发射极接二极管d2的正极，二极管d4的负极和二极管d2的负极同时接所述原边并联谐振回路的a端，三极管q2的发射极还经过电阻r4接地；

9、在直流电源与原边并联谐振回路的a端之间还串接有扼流电感lchoke1，在直流电源与原边并联谐振回路的b端之间还串接有扼流电感lchoke2；在原边并联谐振回路的a端与接地端之间设置有功率开关管m1，且功率开关管m1的驱动端连接在三极管q1的发射极上，在原边并联谐振回路的b端与接地端之间设置有功率开关管m2，且功率开关管m2的驱动端连接在三极管q2的发射极上。

10、可选地，所述功率开关管m1和所述功率开关管m2为mosfet管。

11、可选地，电阻r1<电阻r3的阻值，电阻r2<电阻r4的阻值。

12、可选地，所述感应线圈和所述读取线圈的自感相同。

13、可选地，所述多个腐蚀检测补偿电容的容值相同。

14、可选地，所述埋入式传感器中设置有大、中、小3根粗细不同的腐蚀检测样本钢丝，系统对应配置有4种腐蚀状态，其中：

15、3根钢丝均无断裂时，检测所得高频振荡电流为第一工作频率，系统检测结果为无腐蚀状态；

16、小号钢丝断裂时，检测所得高频振荡电流为第二工作频率，系统检测结果为轻度腐蚀状态；

17、小号和中号钢丝都断裂时，检测所得高频振荡电流为第三工作频率，系统检测结果为中度腐蚀状态；

18、大、中、小3根钢丝都断裂时，检测所得高频振荡电流为第四工作频率，系统检测结果为严重腐蚀状态。

19、可选地，所述传感器负载电路包括整流电路滤波电路、蓄电池以及利用所述蓄电池供电的其它埋入式传感器模块。

20、可选地，所述中央控制系统包括数据服务端和人机交换界面。

21、此外，本发明还提供一种基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测方法，采用前文所述的系统，其关键在于，包括以下步骤：

22、s1：预先设定系统参数，通过实验建立样本数据，确定不同腐蚀等级对应的高频振荡电流频率；

23、s2：根据预定检测周期，利用外部检测电路靠近埋入式传感器所处位置，检测高频振荡电流频率并上传至中央控制系统；

24、s3：中央控制系统根据检测所得高频振荡电流频率确定钢筋腐蚀程度。

25、本发明的有益效果是：

26、本技术提供了一种基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统及方法，该系统通过在外部检测电路引入自激振荡逆变器将高灵敏度的电磁感应检测技术与无线传能功能巧妙地集成在同一套电路中，在不破坏混凝土结构的前提下，同时实现钢筋腐蚀监测和无线电能传输，提高了系统的实用性，降低了系统成本。它通过利用并-并谐振网络的阻抗频率特性,使功率开关管在零电压时刻开通，实现了零电压软开关,大幅减小了开关损耗。同时它可以自动锁定并跟踪因环境和阻抗变化而引起的谐振频率偏移，避免了传统dds扫频检测系统的高成本和固定频率控制系统在混凝土环境下传能效率降低的问题。此外,感应电路中的电磁耦合能量还可以用于给内置电池充电,为埋入式传感器节点内的其他电路提供长期稳定的电源。这种集成设计不仅提高了检测精度和范围,而且确保了系统的长期可靠运行,大幅提升了整体的便利性和可靠性,为混凝土结构的钢筋健康监测领域带来了崭新的解决方案。

技术特征：

1.一种基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，其特征在于，包括：埋入式传感器、外部检测电路、无线收发器和中央控制系统，其中：

2.根据权利要求1所述的基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，其特征在于，所述自激振荡逆变器包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4、三极管q1、三极管q2、功率开关管m1、功率开关管m2、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、扼流电感lchoke1、扼流电感lchoke2，其中：

3.根据权利要求2所述的基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，其特征在于，所述功率开关管m1和所述功率开关管m2为mosfet管。

4.根据权利要求2所述的基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，其特征在于，电阻r1<电阻r3的阻值，电阻r2<电阻r4的阻值。

5.根据权利要求1所述的基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，其特征在于，所述感应线圈和所述读取线圈的自感相同。

6.根据权利要求1所述的基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，其特征在于，所述多个腐蚀检测补偿电容的容值相同。

7.根据权利要求1-6任一所述的基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，其特征在于，所述埋入式传感器中设置有大、中、小3根粗细不同的腐蚀检测样本钢丝，系统对应配置有4种腐蚀状态，其中：

8.根据权利要求7所述的基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，其特征在于，所述传感器负载电路包括整流电路滤波电路、蓄电池以及利用所述蓄电池供电的其它埋入式传感器模块。

9.根据权利要求8所述的基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统，其特征在于，所述中央控制系统包括数据服务端和人机交换界面。

10.一种基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测方法，采用权利要求1-9任一所述的系统，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本申请涉及一种基于电磁耦合的无线传能钢筋腐蚀监测系统及方法，属于钢筋腐蚀检测技术，系统包括：埋入式传感器、外部检测电路、无线收发器和中央控制系统，其中：埋入式传感器包括感应线圈、副边补偿电容、传感器负载电路以及多个腐蚀检测补偿电容和对应多根粗细不同的腐蚀检测样本钢丝；外部检测电路包括直流电源、自激振荡逆变器、原边补偿电容、读取线圈和信号采集电路。由于不同钢丝的腐蚀断裂会导致电路谐振频率发生变化，因而通过测量谐振频率的变化准确反馈钢筋的腐蚀状态。此外,通过引入自激振荡逆变器，不但实现了谐振频率自动跟踪监测，免去了扫频电路，而且可以高效无线传能给埋入式无线传感器，为系统提供长期稳定的电能。

技术研发人员：于安宁,张辽,陈林梅,向浩,周博,张倩,利节
受保护的技术使用者：重庆科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23