專利名稱：無線自集能腐蝕傳感器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土木工程技術(shù)，具體說就是一種無線自集能腐蝕傳感器及其制作方 法。
背景技術(shù)：
在土木工程中鋼筋腐蝕是造成鋼混結(jié)構(gòu)損傷以及失效的原因之一，全世界對腐蝕 結(jié)構(gòu)的維護(hù)維修以及更換構(gòu)件投入了大量的費(fèi)用，鋼筋腐蝕的監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及全 壽命設(shè)計的重要組成部分。在混凝土環(huán)境下，由于混凝土的多孔性，水分與氧氣可以沿著孔 隙和裂紋遷移，這恰好是低碳鋼和高強(qiáng)度合金鋼等鋼材腐蝕的必要條件。在大多數(shù)情形下 沒有發(fā)生腐蝕的原因是這些孔隙中由于水泥的水化過程形成了高濃度的鈣、鈉和鉀的氫氧 化物，從而保持了 PH值在12-13之間，這一高堿度環(huán)境是鋼材鈍化，形成致密的Y型氧化 鐵防止了鋼材的快速腐蝕。然而當(dāng)cr(來自除冰鹽或者海水)經(jīng)過混凝土表面在鋼筋表 面進(jìn)行聚集或者由于co2(來自大氣，也是造成全球氣候變暖的重要因素之一)的作用使孔 溶液PH值降低的情況下，鈍化膜遭到破壞，混凝土對鋼筋的保護(hù)作用失效，在02以及H20充 足的情況下鋼筋截面積減小或者出現(xiàn)蝕點(diǎn)。土木工程中絕大多數(shù)(除了部分高溫氧化反應(yīng)外)鋼材的腐蝕過程都是電化學(xué)過 程，所以電化學(xué)方法成為監(jiān)測結(jié)構(gòu)中鋼材腐蝕的最本質(zhì)的方法。近些年來國內(nèi)外的科研工 作者采用電化學(xué)方法對腐蝕科學(xué)問題進(jìn)行了大量的研究，通過穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)電化學(xué)方法的研 究，不但能夠獲得諸如腐蝕電流密度、腐蝕速率這樣的基本參數(shù)，還能夠得知揭示腐蝕電化 學(xué)過程的更詳細(xì)的信息，如極化電阻、雙電層電容、擴(kuò)散過程、點(diǎn)蝕的發(fā)生過程等等。這些參 數(shù)的測量能夠?yàn)楦g監(jiān)測提供更加可靠的依據(jù)。建立基于電化學(xué)技術(shù)的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)能夠 實(shí)時、準(zhǔn)確掌握鋼筋的腐蝕狀態(tài)，為大規(guī)模鋼混結(jié)構(gòu)的安全評定及全壽命設(shè)計提供科學(xué)依 據(jù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用于大規(guī)模鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕監(jiān)測的無線自集能腐 蝕傳感器及其制作方法。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的所述的無線自集能腐蝕傳感器，它是由高惰性輔助 電極、工作電極、傳感單元和無線平臺組成的，傳感單元連接無線平臺，無線平臺密封于無 線自集能腐蝕傳感器殼體內(nèi)，高惰性輔助電極和工作電極的所在部露于大氣中。本發(fā)明一種無線自集能腐蝕傳感器的制作方法，步驟如下步驟一高惰性輔助電極的制備采用三靶EB-PVD設(shè)備制備梳狀基體為不銹鋼的輔助電極，制備的惰性層為Pt或 者其它高惰性膜層，基體不銹鋼梳狀電極按序列放置于靶盤上，通過調(diào)整靶基距控制鈍化 膜層的厚度，為了保證服役期內(nèi)傳感器的有效性，膜層厚度大于500 ym;步驟二 工作電極的加工
工作電極的尺寸與高惰性輔助電極完全相同，所采用的材料與監(jiān)測對象完全相 同；采用自動拋光機(jī)將工作電極表面拋光；步驟三傳感單元的封裝在高惰性輔助電極和工作電極的預(yù)留孔上焊接導(dǎo)線，然后將電極放置于預(yù)先制備 的漿料成型模具中，進(jìn)而將牙粉漿料注入到模具，采用振動臺振動模具，以保證牙粉密實(shí)。 然后將模具放置于空氣中5h后脫模；步驟四無線自集能腐蝕傳感器的組裝將傳感單元的導(dǎo)線與無線平臺的導(dǎo)線接口連接，然后采用密封殼體將無線平臺完 全密封，僅將輔助電極與工作電極所在部露于大氣中。步驟五無線自集能腐蝕傳感器的保存為了保證無線自集能腐蝕傳感器在正式服役前的有效性，所制備的傳感單元采用 醫(yī)用酒精擦拭，然后用醫(yī)用棉團(tuán)包裹密封在真空盒中，真空盒一經(jīng)打開，無線自集能腐蝕傳 感器需立即安裝在所需監(jiān)測的結(jié)構(gòu)位置，無線自集能腐蝕傳感器進(jìn)入服役期。本發(fā)明無線自集能腐蝕傳感器及其制作方法，無需外界工業(yè)電能或者電池電能供 給以維持傳感器工作，無線自集能腐蝕傳感器靠微弱的腐蝕能量激發(fā)無線平臺并采集、存 儲及傳輸數(shù)據(jù)。無線平臺嵌入電化學(xué)噪聲技術(shù)的電化學(xué)發(fā)射譜測試方法，采用基于頻域、 小波等先進(jìn)數(shù)據(jù)解析方法，能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地掌握鋼筋的腐蝕狀態(tài)。無線自集能腐蝕傳感器 能夠按一定規(guī)則組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的分布式、多點(diǎn)實(shí)時在線監(jiān)測。本發(fā)明具有無線功能，避免 了實(shí)際工程中大規(guī)模布線的不便以及由于布線對結(jié)構(gòu)本身造成的損傷；自集能的技術(shù)突破 解決了無線傳感器的能源供給問題，從而從根本上解決了無線傳感器各種算法中的節(jié)能限 制，進(jìn)而真正實(shí)現(xiàn)了對大規(guī)模土木工程結(jié)構(gòu)腐蝕的無線監(jiān)測。先進(jìn)的數(shù)據(jù)測試及解析方法 能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確掌握鋼筋腐蝕狀態(tài)；多點(diǎn)、分布式無線自集能腐蝕監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的安 全評定及全壽命設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。


圖1為本發(fā)明的電化學(xué)腐蝕能量釋放示意圖；圖2為本發(fā)明的2進(jìn)小波分解示意圖；圖3為本發(fā)明的EB-PVD設(shè)備示意圖；圖4為本發(fā)明無線自集能腐蝕傳感器實(shí)物圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1 本發(fā)明無線自集能腐蝕傳感器及其制作方法，所述的無線自集能腐蝕 傳感器，它是由高惰性輔助電極、工作電極、傳感單元和無線平臺組成的，傳感單元連接無 線平臺，無線平臺密封于無線自集能腐蝕傳感器殼體內(nèi)，高惰性輔助電極和工作電極的所 在部露于大氣中。本發(fā)明一種無線自集能腐蝕傳感器的制作方法，步驟如下步驟一高惰性輔助電極的制備采用三靶EB-PVD設(shè)備制備梳狀基體為不銹鋼的輔助電極，制備的惰性層為Pt或者其它高惰性膜層，基體不銹鋼梳狀電極按序列放置于靶盤上，通過調(diào)整靶基距控制鈍化 膜層的厚度，為了保證服役期內(nèi)傳感器的有效性，膜層厚度大于500 ym;步驟二 工作電極的加工工作電極的尺寸與高惰性輔助電極完全相同，所采用的材料與監(jiān)測對象完全相 同；采用自動拋光機(jī)將工作電極表面拋光；步驟三傳感單元的封裝在高惰性輔助電極和工作電極的預(yù)留孔上焊接導(dǎo)線，然后將電極放置于預(yù)先制備 的漿料成型模具中，進(jìn)而將牙粉漿料注入到模具，采用振動臺振動模具，以保證牙粉密實(shí)。 然后將模具放置于空氣中5h后脫模；步驟四無線自集能腐蝕傳感器的組裝將傳感單元的導(dǎo)線與無線平臺的導(dǎo)線接口連接，然后采用密封殼體將無線平臺完 全密封，僅將輔助電極與工作電極所在部露于大氣中。步驟五無線自集能腐蝕傳感器的保存為了保證無線自集能腐蝕傳感器在正式服役前的有效性，所制備的傳感單元采用 醫(yī)用酒精擦拭，然后用醫(yī)用棉團(tuán)包裹密封在真空盒中，真空盒一經(jīng)打開，無線自集能腐蝕傳 感器需立即安裝在所需監(jiān)測的結(jié)構(gòu)位置，無線自集能腐蝕傳感器進(jìn)入服役期。實(shí)施例2 結(jié)合圖1、圖2，本發(fā)明無線自集能腐蝕傳感器及其制作方法，具有以下 技術(shù)特征采用有限元優(yōu)化設(shè)計輔助電極的構(gòu)形，進(jìn)而應(yīng)用EB-PVD制備表面具有高惰性表 面層的輔助電極，采用與結(jié)構(gòu)相同的材料制備電極對，最終與無線平臺一起構(gòu)成無線自集 能腐蝕傳感器硬件；采用基于電化學(xué)噪聲發(fā)射譜技術(shù)的測試方法，并采用譜分析及小波分 析等先進(jìn)數(shù)據(jù)解析方法對噪聲數(shù)據(jù)解析，構(gòu)成軟件基礎(chǔ)；最終集成硬件以及軟件構(gòu)成無線 自集能腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。采用Pt、石墨、不銹鋼或者各種氣相沉積(如EB-PVD，磁控濺射)、化學(xué)鍍以及電鍍 得到表面具有強(qiáng)惰性層的梳狀或者其它形狀的輔助電極；采用基于電化學(xué)發(fā)射譜的時域、空域以及小波、混沌等電化學(xué)噪聲數(shù)據(jù)解析方法 構(gòu)成軟件基礎(chǔ)；本發(fā)明的基本原理是根據(jù)鋼筋腐蝕過程是電化學(xué)過程，本質(zhì)上是鋼材冶煉過程所 做功的能量的釋放過程，這樣構(gòu)建電偶對，即可利用腐蝕所釋放的能量供給傳感器工作，電 偶對的能量釋放過程簡單示意于圖1，最終設(shè)計出結(jié)構(gòu)合理、能夠適合實(shí)際工程應(yīng)用的無線 自集能腐蝕傳感器。電化學(xué)噪聲(Electrochemical Noise, EN)即在電化學(xué)反應(yīng)動力系統(tǒng)的演化過程 中，系統(tǒng)的電化學(xué)狀態(tài)參量(如電極電位、外測電流)隨時間發(fā)生隨機(jī)的非平衡波動現(xiàn)象。 這種噪聲產(chǎn)生于電化學(xué)系統(tǒng)的本身，從而提供了系統(tǒng)從量變到質(zhì)變的大量的演化信息。電 化學(xué)發(fā)射譜(Electrochemical Emission Spectroscopy, EES)是先進(jìn)的EN測試方法，所產(chǎn) 生的噪聲完全由單一的工作電極產(chǎn)生，較其它對電極測試方法具有較大優(yōu)點(diǎn)。因與均勻腐蝕相聯(lián)系的噪音頻率高于與局部腐蝕相關(guān)的噪音信號，故對鋼混體系 點(diǎn)蝕不同階段的電化學(xué)噪聲數(shù)據(jù)應(yīng)用快速傅里葉變換及最大熵法建立功率密度譜進(jìn)行 頻域分析，基于FFT及MEM的功率譜計算公式如下， 典型的電流暫態(tài)峰可以表示為下式， 這樣就可以根據(jù)FF／得到電流噪聲的PSD計算公式， 根據(jù)PSD分析可以得到譜噪音電阻R．(f)、p系數(shù)、臨界轉(zhuǎn)移頻率f。、孔蝕強(qiáng)度S。和孔蝕趨勢S．等重要參數(shù)，進(jìn)一步研究這些參數(shù)與點(diǎn)蝕過程之間的聯(lián)系。[00533 若測試的電化學(xué)噪聲數(shù)據(jù)中含有強(qiáng)烈的直流漂移及大量暫態(tài)峰的非穩(wěn)態(tài)信號時，在小波域內(nèi)對點(diǎn)蝕不同階段的電化學(xué)噪聲信號進(jìn)行分析，圖2為2進(jìn)小波分解示意圖。[00543 CW／計算每個小波尺度的系數(shù)的相當(dāng)大的工作量，而且它會產(chǎn)生冗余的數(shù)據(jù)，如果選擇2的指數(shù)方的尺度與平移量，即只在2’的尺度與平移量上進(jìn)行分解，則稱該變換為離散小波變換①iSCreteWavelet 7ransfrom，DwT)。在小波域內(nèi)對信號進(jìn)行分解首先要通過父小波函數(shù)甲及母小波函數(shù)＼V的伸縮和平移得到如下分解， 這里 這樣信號 xn(t)，n = 1，2，. . .，N 可以近
似表示為下式， 這里Sj,k及‘ k稱為小波系數(shù)。信號被分解為不同尺度下的片段，每個片段具有 低頻的近似信號部分以及高頻的細(xì)節(jié)信號部分& (t)。其中， 信號的整體能量E通過下式計算， j尺度下近似及細(xì)節(jié)“晶胞”的相對能量分別通過式(12)及式(13)計算，
1 n/V(12) 采用正交小波，信號的能量滿足如下方程， 對電化學(xué)噪聲信號進(jìn)行小波變換，掌握信號的局部特征，進(jìn)而得到電化學(xué)噪聲的 能量分布曲線EDP、尺度噪聲電阻REN(j)等小波域內(nèi)電化學(xué)噪聲特征。
權(quán)利要求
一種無線自集能腐蝕傳感器，它是由高惰性輔助電極、工作電極、傳感單元和無線平臺組成的，其特征在于傳感單元連接無線平臺，無線平臺密封于無線自集能腐蝕傳感器殼體內(nèi)，高惰性輔助電極和工作電極的所在部露于大氣中。
2.一種無線自集能腐蝕傳感器的制作方法，其特征在于制作方法步驟如下步驟一高惰性輔助電極的制備采用三靶EB-PVD設(shè)備制備梳狀基體為不銹鋼的輔助電極，制備的惰性層為Pt或者其 它高惰性膜層，基體不銹鋼梳狀電極按序列放置于靶盤上，通過調(diào)整靶基距控制鈍化膜層 的厚度，為了保證服役期內(nèi)傳感器的有效性，膜層厚度大于500μπι;步驟二 工作電極的加工工作電極的尺寸與高惰性輔助電極完全相同，所采用的材料與監(jiān)測對象完全相同，采 用自動拋光機(jī)將工作電極表面拋光；步驟三傳感單元的封裝在高惰性輔助電極和工作電極的預(yù)留孔上焊接導(dǎo)線，然后將電極放置于預(yù)先制備的漿 料成型模具中，進(jìn)而將牙粉漿料注入到模具，采用振動臺振動模具，以保證牙粉密實(shí)，然后 將模具放置于空氣中5h后脫模；步驟四無線自集能腐蝕傳感器的組裝將傳感單元的導(dǎo)線與無線平臺的導(dǎo)線接口連接，然后采用密封殼體將無線平臺完全密 封，僅將輔助電極與工作電極所在部露于大氣中；步驟五無線自集能腐蝕傳感器的保存為了保證無線自集能腐蝕傳感器在正式服役前的有效性，所制備的傳感單元采用醫(yī)用 酒精擦拭，然后用醫(yī)用棉團(tuán)包裹密封在真空盒中，真空盒一經(jīng)打開，無線自集能腐蝕傳感器 需立即安裝在所需監(jiān)測的結(jié)構(gòu)位置，無線自集能腐蝕傳感器進(jìn)入服役期。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于大規(guī)模鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕監(jiān)測的無線自集能腐蝕傳感器及其制作方法。它是由高惰性輔助電極、工作電極、傳感單元和無線平臺組成的，傳感單元連接無線平臺，無線平臺密封于無線自集能腐蝕傳感器殼體內(nèi)，高惰性輔助電極和工作電極的所在部露于大氣中。無線自集能腐蝕傳感器的制作方法步驟高惰性輔助電極的制備；工作電極的加工；傳感單元的封裝；無線自集能腐蝕傳感器的組裝。本發(fā)明具有無線功能，避免了實(shí)際工程中大規(guī)模布線的不便和由于布線對結(jié)構(gòu)本身造成的損傷，自集能技術(shù)解決了無線傳感器的能源供給問題，解決了無線傳感器各種算法中的節(jié)能限制，進(jìn)而真正實(shí)現(xiàn)了對大規(guī)模土木工程結(jié)構(gòu)腐蝕的無線監(jiān)測。
文檔編號G01N27/26GK101893593SQ20091007305
公開日2010年11月24日 申請日期2009年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月13日
發(fā)明者喬國富, 寓言, 歐進(jìn)萍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)