基于无线传感的混凝土中钢筋腐蚀智能监测关键问题研究

Based on advanced wireless sensing technique, a new class of the wireless sensor for monitoring corrosion of reinforcing steel which can be permanently embedded in concrete structures is presented. And the packaging method, the reliability and durability of the sensor are investigated by laboratory tests. The working process of the sensor is simulated and the design parameters are optimized using software of circuit simulation. And the correlation between the response of the sensor and the corrosion degree of reinforcing steel is established by circuit simulation and accelerating corrosion tests. By defining two design variables of cost and spacing of sensors, and making two objective functions of total cost of monitoring system and their performance, the optimization arrangement model of sensors is built with the multi-objective optimization theory.. This project will be expected to overcome the shortcomings of present techniques for corrosion detection, and further promote the development of the wireless monitoring technique for the corrosion of reinforcing steel in concrete structures.

基于先进的无线传感技术，提出可永久埋设的混凝土中钢筋腐蚀无线传感器机理及结构构造。通过试验研究传感器封装及提高传感器可靠性和耐久性的方法。利用电路仿真软件，考虑实际工程的环境条件，仿真传感器在混凝土中的工作过程，优化传感器设计参数。通过仿真分析和加速腐蚀试验，建立传感器响应与钢筋腐蚀率的定量关系。将传感器间距和传感器单价作为设计变量,构造无线传感器系统成本和性能两个目标函数，利用多目标优化理论，建立混凝土中钢筋腐蚀无线传感器的优化布置模型。. 本项目有望突破钢筋腐蚀现有检测方法的技术瓶颈，促进混凝土结构中钢筋腐蚀无线监测技术的发展。

钢筋腐蚀是导致混凝土结构耐久性不足的主要因素之一。准确有效地监测钢筋腐蚀可以为结构耐久性评估、剩余使用寿命预测提供重要的依据。混凝土结构中钢筋腐蚀监测应向智能、实时在线和无线化方向发展。因此研究利用无线传感器监测混凝土结构中的钢筋腐蚀，具有重要科学意义和工程应用价值。.本项目基于无线射频原理，将不同直径钢丝锈断等效为钢筋腐蚀过程，研究钢筋腐蚀无线传感器机理，设计传感器结构构造，优化传感器尺寸。研究传感器电路的封装方法。对钢筋腐蚀无线传感器进行耐久性试验，包括抗盐溶液侵蚀、耐高温湿热、耐低温和抗冲击试验。试验验证传感器的可靠性和稳定性。设计了两组预埋无线传感器钢筋混凝土梁试验。一组为钢筋混凝土梁静载预裂试验，另一组是针对预裂后的混凝土梁进行干湿循环加速腐蚀试验。.采用电路仿真软件对传感器电路进行数值模拟，从理论上分析传感器灵敏度和电感的关系，确定了使得传感器达到最高灵敏度时最优电感参数。利用电路仿真软件，搭建了钢筋腐蚀无线传感器的电路模型，研究了单钢丝和细中粗三钢丝无线传感器检测钢筋腐蚀的可行性及基本参数。考虑了实际监测时混凝土的电学特性对传感器电路的影响，推导了钢丝/混凝土界面的等效电路谐振频率理论公式，并对考虑混凝土电学特性的传感器电路进行了仿真研究。.制作钢筋腐蚀无线传感器并埋入混凝土试件，进行加速腐蚀试验，根据试验结果修正仿真分析得到的传感器响应与断开钢丝直径的理论关系。设计了钢筋加载装置，通过试验研究不同直径钢丝锈断时受力状态下不同直径钢筋的腐蚀率。建立腐蚀断开钢丝直径与钢筋腐蚀率的定量关系，最终得到传感器响应与钢筋腐蚀率的定量关系。.基于遗传粒子群优化算法，以系统检测的可靠度为约束条件，传感器的造价为目标函数，提出了传感器的优化布置方法，并编制计算程序。.该项目研究结果表明，无线传感器监测混凝土中钢筋的腐蚀是可行的，且具有良好的耐久性和稳定性；确定了传感器达到最高灵敏度时最优电感参数；建立了传感器响应与钢筋腐蚀率的定量关系；提出了钢筋腐蚀传感器优化布置模型。该项目突破钢筋腐蚀现有检测方法的技术瓶颈，将促进混凝土结构中钢筋腐蚀无线监测技术的发展。该传感器具有广阔的应用前景。