基于声表面波的埋入式钢筋锈蚀传感器研究

Corrosion of reinforcing steel is the primary factor causing concrete deterioration. Study on corrosion monitoring sensor, making prediction about residual life of the concrete structure, and giving advice about maintenance decision are of great significance for protecting the safety of civil engineering. However, a direct, quantitative, and long-term sensing method to characterize the corrosion of reinforcing steels has not been proposed until now. Therefore, this project develops a novel embedded sensing method based on surface acoustic wave (SAW). The corrosion of the reinforcing steels can change the impedance of the reflecting grating on the SAW device, and then make a conversion of the SAW signal. Accordingly, the SAW signal can be sensed to characterize the corrosion of the reinforcing steels. This method has many outstanding advantages, such as simple structure, good reliability, excellent interference immunity, passive operation and wireless communication. Thus, the corrosion monitoring sensor can be embedded in the concrete structure for direct and long-term sensing. The major research contents are the sensing theory based on SAW, the structure design, the suppression of interference, the fabrication process, and the test experiment of the corrosion monitoring sensor. In conclusion, the corrosion sensing technology based on SAW can realize the direct, quantitative, real-time, and long-term corrosion monitoring of the reinforcing steels in concrete effectively. The presented sensor has great potentials for engineering application. The project's research results can provide a novel idea for the development of structural health monitoring technology.

钢筋锈蚀是影响钢混结构耐久性的首要因素，开展钢筋锈蚀感测技术研究，进而预测结构的剩余寿命，指导结构的维护决策，对保障工程设施的运营安全具有重要意义。然而目前，还没有一个可长期、直接、定量地表征钢筋锈蚀程度的传感方法。对此，本项目提出一种基于声表面波的埋入式钢筋锈蚀感测方法。该方法利用钢筋锈蚀引起声表面波器件反射栅阻抗的变化，进而导致声表面波信号的变化，实现对钢筋锈蚀的感测。该方法的突出优势是传感器结构简单、可靠性好、抗干扰性强、可无源工作无线传输，因此，可将传感器埋入钢混结构内直接对钢筋锈蚀进行长期监测。主要研究内容包括基于声表面波的钢筋锈蚀感测机理研究；传感器的结构设计理论研究；传感器的干扰抑制技术研究；传感器的制造与测试方法研究。总之，该技术可有效地实现对钢筋锈蚀进行长期、直接、定量、实时感测，非常利于实际工程应用，其研究潜力巨大，该研究成果可为结构健康监测技术的发展提供一种新思路。

钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的首要因素，开展钢筋锈蚀感测技术研究，进而预测结构的剩余寿命，指导结构的维护决策，对保障土木工程的运营安全具有重要意义。为此，本项目提出一种基于声表面波的新型钢筋锈蚀传感器，其利用钢筋锈蚀引起声表面波器件反射栅阻抗的变化，进而导致声表面波信号的变化，实现对钢筋锈蚀的感测。该传感器结构简单、可靠性好、抗干扰性强、可无源工作无线传输，因此，可埋入钢筋混凝土结构内直接对钢筋锈蚀进行长期监测。主要研究工作如下：.① 建立SAW变换器件的模型，设计了其结构参数。基于耦合模理论和P矩阵级联方法得到了器件的耦合模模型，利用MATLAB进行仿真分析，并通过实际器件测试验证了模型分析的准确性；分析叉指换能器和反射栅结构参数对SAW变换器件性能的影响，从而得到优化的器件结构参数。.② 分析感测电极的敏感特性，确定了感测电极的结构。通过理论分析感测电极电容值与钢筋锈层厚度之间的关系，有限元仿真得到了感测电极的敏感特性；利用耦合模模型分析声表面波钢筋锈蚀传感器的灵敏度，得到感测电极的敏感范围，确定感测电极的结构，并通过实验验证了感测电极结构的合理性。.③ 基于MEMS工艺试制了传感器样品。利用光刻胶剥离方法在压电基片表面上制备梳齿电极图形，并进行划片得到单个SAW变换器件；利用制板方法制作感测电极，并在其表面涂一层绿油保护层；将感测电极埋入混凝土内部，与封装好的SAW变换器件电气连接，完成了传感器的制作。.④ 搭建钢筋锈蚀测试系统，测试了传感器样品的性能。通过电化学方法加速钢筋混凝土结构锈蚀，得到了不同锈蚀程度的混凝土试件；使用网络分析仪采集传感器在不同试件下的S11参数，对其进行时域转换，得到传感器回波信号的振幅与相位，测得了传感器的灵敏度，即钢筋锈蚀率每变化1%，则传感器回波相位变化10.4°，非线性误差为1.43%。