混凝土中钢筋腐蚀监测传感器的设计
如何高效可靠地监测到混凝土中钢筋腐蚀程度，进而对混凝土结构的耐久性做出合理评估，发现潜在危险，避免安全事故发生，越来越受到人们的关注，国内外很多学者进行了大量的行之有效的研究，比如半电池电位法、电化学噪声法、交流阻抗法、光纤传感技术等。但由于技术本身的局限性，这些方法均有自己无法克服的缺陷，比如测试仪器昂贵、工作量大、误差高等。本课题组采用电磁耦合的方法，并结合单片机技术，可以高效地监测出混凝土中钢筋腐蚀信息。该方法无源无引线、成本低廉、安装方便并且不会破坏混凝土结构。其中，腐蚀监测传感器是监测信息来源的最前端，在整个监测系统中占据重要的地位，需要进行详细全面的分析设计。
1 腐蚀监测传感器
美国Texas大学提出的将钢筋等效物监测与电磁耦合技术相结合的方案构建腐蚀监测传感器，为钢筋腐蚀监测指出了一个发展的方向，但由于该方法根据电压相频特性进行监测，采用昂贵的相位检测仪，同时该传感器的耦合效率较低，基于此，本课题组采用电压的幅频特性来判断钢筋的腐蚀信息，由于幅频特性检测容易，不需要复杂的电路，有利于实际工程监测的实现。另外采用高磁导率的磁棒为磁芯来提高传感器的耦合效率，可以更准确地监测钢筋腐蚀。
腐蚀监测传感器的原理如图1所示，其中电感L1与L2构成耦合线圈，M为互感，右侧为需埋入混凝土结构中的腐蚀监测传感器，主要由电感、电容、钢丝等组成LC电磁振荡回路。将封装好的腐蚀监测传感器中的钢丝暴露在混凝土中的钢筋附近，利用钢丝的通断即可判断钢筋的腐蚀信息。前期，本课题组已经对钢筋腐蚀监测传感器进行了相关方面的研究，本文仅对其参数进行优化仿真设计。通过计算读取电感L1两端电压的频率特性，可以定性地画出其幅频特性，如图2所示。
以步进固定的正弦扫频波为信号源，通过单片机对读取电感两端的电压进行A／D转换并计算出电压值极小值Umin，然后对照扫频源的频率即可得出谐振频率。当钢丝导通与断开时，LC谐振频率发生变化，据此可判断出混凝土中钢筋的腐蚀信息。
为了使读取电路准确地测量出钢筋的腐蚀状态信息，需主要关注以下性能参数：
1)钢丝导通与断开时LC回路的谐振频率f2以及两者之差△f2：通过检测电压幅度的极小值Umin来判断谐振频率点f2，进而确定钢筋腐蚀的信息；同时谐振频率差△f2的值决定了判断钢筋腐蚀的难易程度，△f2越大，越容易判断。
2)Dip的大小以及f2与f1之间的差值△f：Dip越大，对读取电路监测灵敏度要求越低；△f越大，扫频源的扫频步进越大，监测速度越快。如果参数设置不好，有可能会漏掉谐振点上的电压极小值，造成监测失败。
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