一种混凝土、砂浆电阻率传感器的制作方法

本发明属于电阻率传感器技术领域，具体涉及一种混凝土、砂浆电阻率传感器。

背景技术：

电阻率是材料重要的电性能参数，对于通常的体材料，其电阻率测量在国际和国内都有规范和标准，且许多常用材料的电阻率都可在相关的数据手册中查询。但对于混凝土材料来说，其内部结构十分复杂，具有多相、多孔的结构特点，表现出高度不均匀性。混凝土的导电性能是水泥浆体孔隙液中离子流动时发生的电解过程，工程中经常用混凝土的电阻率来衡量混凝土的导电性能。混凝土的电阻率变化范围很大，可以从干燥时的10¹¹ω·cm变化到饱水时的10³ω·cm。在自然环境中，混凝土含水率为20％～100％都是可能的，相应的其电阻率分别可以为6×10⁶～7×10²ω·cm。因此，测量环境条件不同，混凝土的电阻率也会表现出很大差异。

混凝土电阻率测量方法已有多种，传统的二电极测量方法较为简单,但无论是用伏安法还是数字万用表进行测量，二电极法都无法消除接触电阻对测量结果的影响,测得的电阻值不仅包括混凝土材料本身的电阻值,还包括导线与测量仪器、导线与电极、电极与混凝土的接触电阻，因而不能较为真实地反映混凝土材料本身的电阻情况。四电极法可以较好地降低接触电阻的影响，但电极制作非常麻烦。使用直流电测量时会导致电极出现极化效应，得到的电阻率数据稳定性不好。使用交流电测量较复杂，且采用固定频率的激励时，测试结果有时会不精确且重现性一般。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有测量方法易受接触电阻的影响以及测试结果不精确的问题，提供了一种混凝土、砂浆电阻率传感器。

本发明一种混凝土、砂浆电阻率传感器包括第一组电极、第二组电极、第三组电极、第四组电极和尼龙基座；其中第一组电极、第二组电极、第三组电极和第四组电极均由两个半环电极组成，第一组的两个半环电极是由内径为8.0mm、外径为24.0mm、厚度为8.7mm的金属圆环等分而成；第二组的两个半环电极由内径为24mm、外径为33mm、厚度为7.7mm的金属圆环等分而成；第三组的两个半环电极由33.0mm、外径为40.0mm、厚度为6.7mm的金属圆环等分而成；第四组的两个半环电极由内径为40mm、外径为46mm、厚度为6.0mm的金属圆环等分而成；

尼龙基座由四层绝缘圈叠置而成，且沿尼龙基座轴向方向，每层绝缘圈的直径逐层减小，每组电极分别套在每层的绝缘圈上；每一个半环电极均连接电极导线，每一根电极导线均从尼龙基座底部穿出。

本发明的混凝土、砂浆电阻率传感器对混凝土或砂浆电阻率的测试分别通过埋置在不同深度的相邻的两个半环电极完成，电阻率值通过对称的两组电极的测量值进行校验和均值处理，一方面可以获得与深度相关的保护层电阻，另一方面还能提高测试精度并减少偶然误差。同时，电阻率传感器不仅可以用于新建混凝土工程中，还可以通过在已建混凝土结构上钻取一定直径和深度的孔隙，将电阻率传感器进行埋置，实现对保护层电阻的实时监测。

本发明的有益效果是：1、本发明采用了范围在0.1～20khz之间的交流频率范围对混凝土电阻率进行测试，降低了混凝土自身的非均质性以及混凝土与传感器电极间的界面性质对测试结果的影响；2、本发明采用多组电极同时测量，电极的测量值进行校验和均值处理，消除了由于粗骨料存在而产生的误差，提高了测试精度；3、本发明可预埋于混凝土和砂浆内，还可以通过在已建结构上钻取一定直径和深度的孔隙，将本传感器进行埋置，实现对混凝土和砂浆电阻率的实时测量。

附图说明

图1为本发明一种混凝土、砂浆电阻率传感器的结构示意图；

图2为本实施例电阻测试单元在混凝土、砂浆中的等效电路；

图3为本实施例传感器的半环电极在kcl溶液中电极的阻抗行为；其中a为e1-e2，b为e2-e3，c为e3-e4；

图4为本实施例传感器的半环电极对e1-e2在砂浆中的阻抗行为示意图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种混凝土、砂浆电阻率传感器包括第一组电极1、第二组电极2、第三组电极3、第四组电极4和尼龙基座；其中第一组电极1、第二组电极2、第三组电极3和第四组电极4均由两个半环电极组成，第一组的两个半环电极是由内径为8.0mm、外径为24.0mm、厚度为8.7mm的金属圆环等分而成；第二组的两个半环电极由内径为24mm、外径为33mm、厚度为7.7mm的金属圆环等分而成；第三组的两个半环电极由33.0mm、外径为40.0mm、厚度为6.7mm的金属圆环等分而成；第四组的两个半环电极由内径为40mm、外径为46mm、厚度为6.0mm的金属圆环等分而成；

尼龙基座由四层绝缘圈5叠置而成，且沿尼龙基座轴向方向，每层绝缘圈5的直径逐层减小，每组电极分别套在每层的绝缘圈5上；每一个半环电极均连接电极导线，每一根电极导线均从尼龙基座底部穿出。

本实施方式的混凝土、砂浆电阻率传感器对混凝土或砂浆电阻率的测试分别通过埋置在不同深度的相邻的两个半环电极完成，电阻率值通过对称的两组电极的测量值进行校验和均值处理，一方面可以获得与深度相关的保护层电阻，另一方面还能提高测试精度并减少偶然误差。同时，电阻率传感器不仅可以用于新建混凝土工程中，还可以通过在已建混凝土结构上钻取一定直径和深度的孔隙，将电阻率传感器进行埋置，实现对保护层电阻的实时监测。

本实施方式的有益效果是：1、本实施方式采用了范围在0.1～20khz之间的交流频率范围对混凝土电阻率进行测试，降低了混凝土自身的非均质性以及混凝土与传感器电极间的界面性质对测试结果的影响；2、本实施方式采用多组电极同时测量，电极的测量值进行校验和均值处理，消除了由于粗骨料存在而产生的误差，提高了测试精度；3、本实施方式可预埋于混凝土和砂浆内，还可以通过在已建结构上钻取一定直径和深度的孔隙，将本传感器进行埋置，实现对混凝土和砂浆电阻率的实时测量。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的金属圆环是由不锈钢或钛制成，其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：第一组电极1、第二组电极2、第三组电极3和第四组电极4的暴露面积均为334mm²，其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：上下相邻的两组电极分别作为辅助电极和工作电极使用，其他与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：混凝土、砂浆电阻率传感器使用过程中施加频率范围在0.1～20khz的交流电进行信号激励，其他与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：混凝土、砂浆电阻率传感器使用前在20℃条件下采用具有标准电阻率的kcl溶液标定几何尺寸系数，其他与具体实施方式一至五之一相同。

具体标定的方法为：将传感器置于kcl溶液中，测出传感器电阻r后，利用已知的kcl溶液的电阻率ρ，根据计算公式：电阻r＝电阻率ρ×l/s；其中l/s为几何系数k(cm)，l为长度、s为面积，计算得到传感器的几何系数k。

采用以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例一：一种混凝土、砂浆电阻率传感器包括第一组电极1e1、第二组电极2e2、第三组电极3e3、第四组电极4e4和尼龙基座；其中第一组电极1、第二组电极2、第三组电极3和第四组电极4均由两个半环电极组成，第一组的两个半环电极是由内径为8.0mm、外径为24.0mm、厚度为8.7mm的金属圆环等分而成；第二组的两个半环电极由内径为24mm、外径为33mm、厚度为7.7mm的金属圆环等分而成；第三组的两个半环电极由33.0mm、外径为40.0mm、厚度为6.7mm的金属圆环等分而成；第四组的两个半环电极由内径为40mm、外径为46mm、厚度为6.0mm的金属圆环等分而成；

尼龙基座由四层绝缘圈5叠置而成，且沿尼龙基座轴向方向，每层绝缘圈5的直径逐层减小，每组电极分别套在每层的绝缘圈5上；每一个半环电极均连接电极导线，每一根电极导线均从尼龙基座底部穿出。

图1为本实施例混凝土、砂浆电阻率传感器的结构示意图。

图2为本电阻率传感器描述的半环电极在混凝土(砂浆)中界面行为的等效电路，由代表混凝土电阻的元件rs与并联的两个电阻—电容(r-c)电路串联而成。其中，低频部分的(<1hz)时间常数描述传荷过程，由半环电极的极化电阻rp(或称腐蚀反应电荷传递电阻)与代表双电层电容的常相位角元件cpe2并联而成；中频部分的(1hz～1khz)时间常数描述阳极表面的氧化还原反应过程，由半环电极/混凝土界面电阻r1与代表混凝土电容的常相位角元件cpe1组成。混凝土与半环电极间不连续的、非均质的界面行为，使其具有常相位角元件(cpe)所具有的一些特性。在测定混凝土电阻率过程中，需标定半环电极的几何尺寸系数k，以对数据进行换算。由于电阻率测试单元的特殊构型，其几何尺寸系数k需要在已知电阻率的溶液中标定。

在本实施例中，交流阻抗测试采用rst5200测试系统，测量频率从0.1khz到50khz，正弦交流振幅为10mv，测量时相邻的两个电极半环分别作为辅助电极和工作电极；半环电极几何尺寸系数采用标准电阻率的0.01mol/lkcl溶液在20℃下进行标定，具体方法为：将传感器置于kcl溶液中，测出e1—e2电阻r后，利用已知的0.01mol/lkcl溶液的电阻率ρ，根据计算公式：电阻r＝电阻率ρ×l/s；其中l/s为几何系数k(cm)，l为长度、s为面积，计算得到e1—e2的几何系数k，用此方法分别计算e2—e3和e3—e4的几何系数。

图3描述了频率介于0.1～50khz之间半环电极在氯化钾溶液中的阻抗行为，传感器中对应半环电极对在0.01mol/lkcl溶液中的几何系数如表1所示。

表1传感器中对应半环电极对在0.01mol/lkcl溶液中的几何系数

电阻率测试单元埋置在砂浆试件(10cm×10cm×10cm)中，其中半环电极e1距离砂浆上部暴露面的距离为15mm。将砂浆试样放置在温度20±1℃、相对湿度95％的环境下养护28d后，进行砂浆电阻的测试。测试之前，将砂浆试件进行真空饱水处理，以消除砂浆内部的湿度梯度。

图4是电极e1-e2的阻抗曲线，为两个不完整的半弧。采用100hz～20khz的频率范围进行交流阻抗测试并选取合适的线性段进行回归分析，可以在z"＝0处计算出砂浆保护层的电阻值；将左右对称的电极对量测到的混凝土电阻进行平均处理，电阻率值由相应电极对的几何尺寸系数k进行换算。据此，测得砂浆试件的电阻率如下表2所示，砂浆的电阻率约为17000±1000ω·cm。

表2砂浆电阻与电阻率测试结果

由此可知，本实施例采用了范围在0.1～20khz之间的交流频率范围对混凝土电阻率进行测试，降低了混凝土自身的非均质性以及混凝土与传感器电极间的界面性质对测试结果的影响；采用多组电极同时测量，电极的测量值进行校验和均值处理，提高了测试精度；此外本实施例的电阻传感器可预埋于混凝土和砂浆内，还可以通过在已建结构上钻取一定直径和深度的孔隙，将本传感器进行埋置，实现对混凝土和砂浆电阻率的实时测量。