專(zhuān)利名稱(chēng)：鋼混結(jié)構(gòu)用無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器的能量供給單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種能量供給單元，具體涉及用在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中，能夠?yàn)閻毫臃郗h(huán)境下腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)提供能源的單元及其制備方法。
背景技術(shù)：
過(guò)去的研究表明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(duì)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，在土木工程中鋼筋腐蝕的監(jiān)測(cè)是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)以及全壽命設(shè)計(jì)的重要組成部分。隨著鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕問(wèn)題引起全世界的廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外針對(duì)耦合腐蝕作用下的材料、構(gòu)件到結(jié)的性能進(jìn)行了大量、系統(tǒng)的研究，這些研究建立了腐蝕狀態(tài)與材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)性能之間寶貴的數(shù)據(jù)庫(kù)。鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一旦成功構(gòu)建，將在結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)與結(jié)構(gòu)服役性能之間架設(shè)“橋梁”，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)，并最終為結(jié)構(gòu)服役安全性的評(píng)定、合理化腐蝕控制措施與維修加固方案的提出及全壽命設(shè)計(jì)等提供科學(xué)依據(jù)。國(guó)內(nèi)外針對(duì)耦合腐蝕作用下的材料、構(gòu)件到結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了大量地研究，建立了腐蝕狀態(tài)與材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)性能之間寶貴的數(shù)據(jù)庫(kù)。一旦成功構(gòu)建鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將在結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)與結(jié)構(gòu)服役性能之間架設(shè)“橋梁”，能夠?qū)崟r(shí)掌握結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)，并最終為結(jié)構(gòu)服役安全性的評(píng)定、合理化腐蝕控制措施與維修加固方案的提出及全壽命設(shè)計(jì)等提供科學(xué)依據(jù)。因此，鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)研究工作的開(kāi)展勢(shì)在必行，這一工作具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和潛在的、重要的社會(huì)效益。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(guò)程都是電化學(xué)過(guò)程，所以電化學(xué)方法成為監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)中鋼材腐蝕的最本質(zhì)的方法。近些年來(lái)國(guó)內(nèi)外的科研工作者采用電化學(xué)方法對(duì)腐蝕科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，通過(guò)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(guò)程的更詳細(xì)的信息，如極化電阻、雙電層電容、擴(kuò)散過(guò)程、點(diǎn)蝕的發(fā)生過(guò)程等等。這些參數(shù)的測(cè)量能夠?yàn)楦g監(jiān)測(cè)提供更加可靠的依據(jù)。過(guò)去數(shù)十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外基于電化學(xué)原理對(duì)金屬的腐蝕問(wèn)題進(jìn)行了大量、深入地研究。不難發(fā)現(xiàn)，這些研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下，鋼混體系腐蝕電化學(xué)反應(yīng)與鋼混結(jié)構(gòu)的特殊性決定了以往的研究對(duì)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕監(jiān)測(cè)還存在較大距離。需要?jiǎng)?chuàng)新發(fā)展能夠滿(mǎn)足重大鋼混基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)重大工程結(jié)構(gòu)多點(diǎn)、分布式監(jiān)測(cè)，為腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終工程應(yīng)用提供關(guān)鍵技術(shù)。顯然，重大鋼混結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)服役年限達(dá)幾十年甚至上百年，因此腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的服役年限至少不能低于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)年限，這就要求持續(xù)為腐蝕監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)提供能量供給以維持結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。過(guò)去的幾十年里，風(fēng)能、太陽(yáng)能等已經(jīng)能夠?yàn)閭鞲衅飨到y(tǒng)提供能量供給，但其需要大量的導(dǎo)線(xiàn)接入到傳感器上，這大大提高了系統(tǒng)成本以及施工的難度，實(shí)踐表明大量導(dǎo)線(xiàn)的接入進(jìn)一步嚴(yán)重降低了傳感器的成活率。此外，受日光強(qiáng)度、風(fēng)場(chǎng)分布的影響，所提供的能源還存在穩(wěn)定性的問(wèn)題。因此，需要針對(duì)鋼混結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測(cè)的特殊性，提供更加穩(wěn)定、簡(jiǎn)便的能量供給途經(jīng)。本專(zhuān)利應(yīng)用對(duì)侵蝕環(huán)境敏感的材料，構(gòu)建能量供給單元，在鋼混結(jié)構(gòu)處于鈍化狀態(tài)下，能量供給單元沒(méi)有能量輸出，傳感器網(wǎng)絡(luò)處于靜默狀態(tài)；一旦鋼混結(jié)構(gòu)受到環(huán)境的侵蝕，能量供給單元開(kāi)始輸出能量，為傳感器網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的能源供給，從而通過(guò)腐蝕傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)重大鋼混結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)信號(hào)的采集、傳輸與識(shí)別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供用于重大鋼混結(jié)構(gòu)無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)的能量供給單元。常規(guī)能量存儲(chǔ)設(shè)備難以滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的要求，如電池、電容器等都存在服役壽命短，使用過(guò)程中需要進(jìn)行多次充電。采用本發(fā)明的無(wú)線(xiàn)傳感器能量供給單元，能夠在結(jié)構(gòu)未發(fā)生廣義損傷時(shí)為睡眠狀態(tài)，傳感器不被激活。一旦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了廣義損傷，能量供給單元被侵蝕性介質(zhì)觸發(fā)，利用敏感材料的電化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的能量供給無(wú)線(xiàn)傳感器平臺(tái)。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種鋼混結(jié)構(gòu)用無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器的能量供給單元，包括石墨板和鎂板，石墨板和鎂板為帶有多個(gè)正方形凸起的結(jié)構(gòu)，石墨板和鎂板的正方形凸起采用國(guó)際象棋棋盤(pán)式相互間隔設(shè)置，石墨板和鎂板之間采用PVC板絕緣，分別在石墨板和鎂板上焊接銅導(dǎo)線(xiàn)；石墨板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器電源插槽的負(fù)極，鎂板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器的電源插槽的正極。本發(fā)明還有如下技術(shù)特征1、一種鋼混結(jié)構(gòu)用無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器的能量供給單元的制備方法，采用高為22mm,邊長(zhǎng)為120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50個(gè)高17mm，邊長(zhǎng)IOmm的正方形石墨凸起，并且每個(gè)臨邊的石墨凸起與石墨板的外邊距離為1mm，每個(gè)石墨凸起與其相鄰的石墨凸起的間距為14mm ；采用厚度為2mm的PVC材料，加工成兩個(gè)長(zhǎng)120mm、寬120mm的并具有100個(gè)鏤空的PVC墊，每個(gè)鏤空為邊長(zhǎng)為IOmm的正方形，使石墨凸起能夠套在鏤空的網(wǎng)格內(nèi)，每個(gè)鏤空的PVC網(wǎng)格的寬度為2mm，將第一 PVC墊套在加工后的石墨板上；將高為15mm，長(zhǎng)120mm，寬120mm的鎂板加工出50個(gè)高10mm，邊長(zhǎng)IOmm的正方形鎂板凸起，并且每個(gè)臨邊的鎂板凸起與鎂板的外邊距離為1mm，每個(gè)鎂板凸起與其相鄰的鎂板凸起的間距為14mm，將加工后的鎂板套在上述套有第一 PVC墊的石墨板上，并使每個(gè)鎂板凸起與石墨凸起如國(guó)際象棋棋盤(pán)式相互間隔設(shè)置，然后將第二 PVC墊套在鎂板上，使石墨凸起與鎂板凸起相對(duì)固定，最后，分別在石墨板和鎂板上焊接銅導(dǎo)線(xiàn)；石墨板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器電源插槽的負(fù)極，鎂板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器的電源插槽的正極。2、所述的鎂板替換為鋅板。本發(fā)明的基本原理是根據(jù)金屬腐蝕過(guò)程是電化學(xué)過(guò)程，可利用腐蝕所釋放的電能供給無(wú)線(xiàn)傳感器工作。進(jìn)而在腐蝕監(jiān)測(cè)傳感網(wǎng)中，采用MicaZ節(jié)點(diǎn)或其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)連接布置于鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)部，多個(gè)MicaZ節(jié)點(diǎn)或其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路構(gòu)成自組織的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)腐蝕特征信號(hào)的采集與傳輸。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠通過(guò)調(diào)整能量供給單元的材料屬性，設(shè)計(jì)其幾何構(gòu)形，滿(mǎn)足重大工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際需求。


圖1為本發(fā)明能量供給單元的實(shí)施例1主視圖；圖2為本發(fā)明能量供給單元的實(shí)施例1側(cè)視圖3為Si板發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的電極電位；圖4為Si板發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的電流密度。其中1、石墨板，2、鎂板，3、第二 PVC墊，4、第一 PVC墊。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)的描述采用諸如Mg、Zn等對(duì)侵蝕環(huán)境敏感的材料，或者鋼混結(jié)構(gòu)本身所具備的鋼筋網(wǎng)作為能量供給材料，對(duì)無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器網(wǎng)絡(luò)提供能源供給，采用MicaZ節(jié)點(diǎn)或其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)連接布置于鋼混結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，多個(gè)MicaZ節(jié)點(diǎn)或其它無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線(xiàn)鏈路構(gòu)成自組織的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，在沒(méi)有腐蝕發(fā)生的情況下，能量供給單元沒(méi)有能量輸入到無(wú)線(xiàn)自集能傳感網(wǎng)內(nèi)，從而傳感網(wǎng)處于靜默狀態(tài)，一旦侵蝕環(huán)境導(dǎo)致能量供給單元發(fā)生腐蝕，能量將傳輸?shù)綗o(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器，進(jìn)而傳感器實(shí)現(xiàn)腐蝕特征信號(hào)的采集與傳輸。實(shí)施例1 如圖1-2所示，采用高為22mm，邊長(zhǎng)為120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50個(gè)高17mm，邊長(zhǎng)IOmm的正方形石墨凸起，并且每個(gè)臨邊的石墨凸起與石墨板的外邊距離為1mm，每個(gè)石墨凸起與其相鄰的石墨凸起的間距為14mm ；采用厚度為2mm的PVC材料，加工成兩個(gè)長(zhǎng)120mm、寬120mm的并具有100個(gè)鏤空的PVC墊，每個(gè)鏤空為邊長(zhǎng)為IOmm的正方形，使石墨凸起能夠套在鏤空的網(wǎng)格內(nèi)，每個(gè)鏤空的PVC網(wǎng)格的寬度為2mm，將第一 PVC墊套在加工后的石墨板上；將高為15mm，長(zhǎng)120mm，寬120mm的鎂板加工出50個(gè)高10mm，邊長(zhǎng)IOmm的正方形鎂板凸起，并且每個(gè)臨邊的鎂板凸起與鎂板的外邊距離為1mm，每個(gè)鎂板凸起與其相鄰的鎂板凸起的間距為14mm，將加工后的鎂板套在上述套有第一 PVC墊的石墨板上，并使每個(gè)鎂板凸起與石墨凸起如國(guó)際象棋棋盤(pán)式相互間隔設(shè)置，然后將第二 PVC墊套在鎂板上，使石墨凸起與鎂板凸起相對(duì)固定，最后，分別在石墨板和鎂板上焊接銅導(dǎo)線(xiàn)；石墨板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器電源插槽的負(fù)極，鎂板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器的電源插槽的正極。實(shí)施例2:采用高為22mm，邊長(zhǎng)為120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50個(gè)高17mm，邊長(zhǎng)IOmm的正方形石墨凸起，并且每個(gè)臨邊的石墨凸起與石墨板的外邊距離為1mm，每個(gè)石墨凸起與其相鄰的石墨凸起的間距為14mm;采用厚度為2mm的PVC材料，加工成兩個(gè)長(zhǎng)120mm、寬120mm的并具有100個(gè)鏤空的PVC墊，每個(gè)鏤空為邊長(zhǎng)為IOmm的正方形，使石墨凸起能夠套在鏤空的網(wǎng)格內(nèi)，每個(gè)鏤空的PVC網(wǎng)格的寬度為2mm，將第一 PVC墊套在加工后的石墨板上；將高為15mm，長(zhǎng)120mm，寬120mm的鋅板加工出50個(gè)高10mm，邊長(zhǎng)IOmm的正方形鋅板凸起，并且每個(gè)臨邊的鋅板凸起與鋅板的外邊距離為1mm，每個(gè)鋅板凸起與其相鄰的鋅板凸起的間距為14mm，將加工后的鋅板套在上述套有第一 PVC墊的石墨板上，并使每個(gè)鋅板凸起與石墨凸起如國(guó)際象棋棋盤(pán)式相互間隔設(shè)置，然后將第二 PVC墊套在鋅板上，使石墨凸起與鋅板凸起相對(duì)固定，最后，分別在石墨板和鋅板上焊接銅導(dǎo)線(xiàn)；石墨板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器電源插槽的負(fù)極，鋅板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器的電源插槽的正極。Zn 板材在模擬混凝土 孔溶液 05 ° 0. 6mol/L Κ0Η+0. 2mol/L NaOH+ 飽和Ca(0H)2+lmol/L NaCl)中，產(chǎn)生的能量如圖3_4所示。由圖可知，采用Si板時(shí)，每平方厘米的面積上能夠產(chǎn)生KT3A的電流，從而滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)工作的需求。
實(shí)際工程中，無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器需要采用植入混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的方式進(jìn)行布設(shè)，從而實(shí)現(xiàn)能量供給與信號(hào)傳輸?shù)恼嬲饬x上的無(wú)線(xiàn)化?；炷敛牧暇哂袕?qiáng)烈的多相、非均質(zhì)特性，此外，實(shí)際鋼混工程結(jié)構(gòu)的服役情況復(fù)雜，混凝土保護(hù)層易存在缺陷，如裂紋、較大的孔隙等。因此，為了確保侵蝕粒子作用下，能量供給單元向無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)定的能量，能量供給單元采用了電極陣列相間的構(gòu)造形式，此種構(gòu)造形式一方面確保了復(fù)雜服役條件下能量供給的穩(wěn)定性，如50個(gè)Mg或Si陽(yáng)極單元中的個(gè)別單元能夠在侵蝕粒子作用下產(chǎn)生的能量，就足以供給無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)工作；此外，電極陣列相間的構(gòu)造形式，提高了能量供給單元的發(fā)電效率，由于陰、陽(yáng)極直接相間，電流可以直接通過(guò)混凝土孔隙液導(dǎo)通，從而減小了電流在傳輸過(guò)程中的損耗；第三，電極陣列相間的構(gòu)造形式，也為無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的布設(shè)提供了方便，如果采用大面積的兩塊陰、陽(yáng)極，勢(shì)必增加了無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的體積，此外在施工過(guò)程中兩塊大面積電極之間很難填入密實(shí)的混凝土介質(zhì)，從而影響能量供給單元的發(fā)電效率。
權(quán)利要求
1.一種鋼混結(jié)構(gòu)用無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器的能量供給單元，包括石墨板和鎂板，其特征在于石墨板和鎂板為帶有多個(gè)正方形凸起的結(jié)構(gòu)，石墨板和鎂板的正方形凸起采用國(guó)際象棋棋盤(pán)式相互間隔設(shè)置，石墨板和鎂板之間采用PVC板絕緣，分別在石墨板和鎂板上焊接銅導(dǎo)線(xiàn)；石墨板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器電源插槽的負(fù)極，鎂板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器的電源插槽的正極。
2.一種鋼混結(jié)構(gòu)用無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器的能量供給單元的制備方法，其特征在于采用高為22mm，邊長(zhǎng)為120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50個(gè)高17mm，邊長(zhǎng)IOmm的正方形石墨凸起，并且每個(gè)臨邊的石墨凸起與石墨板的外邊距離為1mm，每個(gè)石墨凸起與其相鄰的石墨凸起的間距為14mm;采用厚度為2mm的PVC材料，加工成兩個(gè)長(zhǎng)120mm、寬120mm的并具有100個(gè)鏤空的PVC墊，每個(gè)鏤空為邊長(zhǎng)為IOmm的正方形，使石墨凸起能夠套在鏤空的網(wǎng)格內(nèi)，每個(gè)鏤空的PVC網(wǎng)格的寬度為2mm，將第一 PVC墊套在加工后的石墨板上；將高為15mm，長(zhǎng)120mm，寬120mm的鎂板加工出50個(gè)高10mm，邊長(zhǎng)IOmm的正方形鎂板凸起，并且每個(gè)臨邊的鎂板凸起與鎂板的外邊距離為1mm，每個(gè)鎂板凸起與其相鄰的鎂板凸起的間距為14mm，將加工后的鎂板套在上述套有第一 PVC墊的石墨板上，并使每個(gè)鎂板凸起與石墨凸起如國(guó)際象棋棋盤(pán)式相互間隔設(shè)置，然后將第二 PVC墊套在鎂板上，使石墨凸起與鎂板凸起相對(duì)固定，最后，分別在石墨板和鎂板上焊接銅導(dǎo)線(xiàn)；石墨板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器電源插槽的負(fù)極，鎂板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器的電源插槽的正極。
3.如權(quán)利要求1所述的一種鋼混結(jié)構(gòu)用無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器的能量供給單元，其特征在于所述的鎂板替換為鋅板。
4.如權(quán)利要求2所述的一種鋼混結(jié)構(gòu)用無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器的能量供給單元的制備方法，其特征在于所述的鎂板替換為鋅板。
5.一種鋼混結(jié)構(gòu)用無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器的能量供給單元如權(quán)利要求2所述的制備方法制得的。
全文摘要
一種鋼混結(jié)構(gòu)用無(wú)線(xiàn)自集能腐蝕傳感器的能量供給單元，包括石墨板和鎂板，石墨板和鎂板為帶有多個(gè)正方形凸起的結(jié)構(gòu)，石墨板和鎂板的正方形凸起采用國(guó)際象棋棋盤(pán)式相互間隔設(shè)置，石墨板和鎂板之間采用PVC板絕緣，分別在石墨板和鎂板上焊接銅導(dǎo)線(xiàn)；石墨板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器電源插槽的負(fù)極，鎂板上的銅導(dǎo)線(xiàn)連接到傳感器的電源插槽的正極。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠通過(guò)調(diào)整能量供給單元的材料屬性，設(shè)計(jì)其幾何構(gòu)形，可利用腐蝕所釋放的電能供給無(wú)線(xiàn)傳感器工作，從而滿(mǎn)足重大工程結(jié)構(gòu)的實(shí)際需求。
文檔編號(hào)G01N17/02GK102564937SQ201110441100
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者喬國(guó)富, 孫國(guó)棟, 歐進(jìn)萍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)