一种嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置的制作方法

本实用新型属于钢筋锈蚀监测技术领域，具体涉及一种嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置，可以对混凝土结构中的钢筋锈状况进行实时、长期监测。

背景技术：
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在钢筋混凝土结构中，钢筋的锈蚀是影响建筑工程结构的安全性和耐久性的重要因素之一；钢筋锈蚀时，体积发生膨胀，钢筋与混凝土之间的粘结力下降，混凝土保护层剥落，进而导致建筑结构强度降低，钢筋锈蚀发生在建筑结构的内部，肉眼很难察觉，对于钢筋锈蚀引发的轻度损坏的建筑物，对其进行修补时，存在工作量大、造价高和效益差的问题，当建筑物的破坏较严重时，将对人们的生命和财产安全带来不可估量的损失；所以，监测混凝土内钢筋的锈蚀状态并掌握建筑物结构的内部情况十分有必要，以便在建筑物发生损坏之前进行预警，使损失降至最低。

目前，钢筋锈蚀监测的方法包括物理方法和化学方法：物理法分为电阻探针法和光纤传感法，前者是将一个与结构钢筋材质相同的探针埋入到混凝土结构中，实时监测并根据探针电阻的变化推断钢筋锈蚀的速率和锈蚀的程度；后者是基于钢筋生锈后其表面膨胀产生膨胀应力，光纤受应力影响产生应变，光在光纤中传播的相位、频率、波长、偏振都会发生改变的原理进行钢筋锈蚀的监测，光纤传感器的耐久性好、耐锈蚀和抗干扰能力强，并且光纤传感器能够进行空间连续性监测，缺点是光纤传感技术工艺要求很高，造价高昂。化学法分为半电池电位法、交流阻抗方法和线性极化法，半电池电位法的原理是钢筋发生锈蚀时，其阳极区和阴极区存在电位差，通过所测得的电流、电压值来评定钢筋锈蚀程度；交流阻抗法是对目标体系发出一段微小的电流，测量目标体系对这段微小电流的反应，对所测量到的交变电流谱来进行分析；线性极化法是一种动态的测量方法，但测量仪器非常昂贵，且受外界影响较大，后期数据处理也相当困难。

中国专利201420660839.3公开的一种基于超声导波原理的传感器包括薄壁钢管、两个圆形压电陶瓷片和若干导线，两个圆形压电陶瓷片分别嵌入薄壁钢管两端，并与钢管壁紧固连接，两个压电陶瓷片的正、负电极用导线接出，其中一个压电片作为驱动器，当在圆形压电陶瓷片厚度方向，即圆形压电陶瓷片的表面上施加高频窄带脉冲电压时，其产生对称的沿轴向传播的纵向导波在薄壁钢管中传播，另外一个压电片作为传感器，接收到自钢管壁传来的导波，根据导波信号特征判断钢管锈蚀状况，从而判断周围环境、结构或其他对象的锈蚀情况，其采用薄壁空心钢管模拟实际工程中的钢筋，与工程中的实心钢筋锈蚀状况不相符，监测结果误差大；中国专利201220615624.0公开的一种混凝土结构中钢筋锈蚀监测装置包括光纤光栅应变传感器、信号处理单元、不锈钢斜面支架、至少三只光纤光栅应变传感器及导线，光纤光栅应变传感器依次布设在斜面支架的斜面上，各光纤光栅应变传感器采集所得信号经由导线送至信号处理单元，其将光纤光栅传感器固定于不锈钢三角斜面支架上，在浇筑混凝土的过程中，该装置易受损坏，不具备实用性，通过光纤光栅应变传感器测定混凝土保护层中由于钢筋锈蚀产物产生的锈胀力引起的拉应变，进而推导出钢筋锈蚀速率及钢筋锈蚀初始腐蚀时间，实为一种间接监测方法，存在一定的误差；中国专利201120123546.8公开的嵌入式钢筋腐蚀监测系统包括由单阳极、单阴极和PVC管组成的传感器，支架以及导线，单阳极和单阴极交替连接，PVC管设置在单阳极和单阴极之间，单阳极和单阴极均与导线相连，支架与传感器和导线相连，其分为4层，每一层含有4个阴极和4个阳极，总共需要引出32根导线，装置复杂、接线众多，制作困难且后期需测的数据众多。因此，研发设计一种易于操作的嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置，实时监测和评定混凝土结构中钢筋的锈蚀状况，具有较好的社会、经济效益，应用前景广阔。

技术实现要素：
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本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺陷，研发一种嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置，能够实时精确监测和评定混凝土结构中钢筋的锈蚀状况。

为了实现上述目的，本实用新型涉及的嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置主体结构包括连接件、塑料套、U形槽、导线管、连接台、螺栓孔、阶段元、固定棒、橡胶套和螺栓组件；矩形结构的连接件的内侧面等间距设置有6个内空式圆形结构的塑料套，连接件的外侧面开设U形槽，内空式圆柱形结构的导线管设置在U形槽中并伸出连接件的一端，塑料套与导线管连通，连接件的另一端设置有连接台，连接台开设有贯穿连接台的螺栓孔，6根圆柱形结构的阶段元的两端分别插入2根连接件的塑料套中，6根阶段元的方向一致并互相平行，塑料套的直径比阶段元的外壁直径大1mm，阶段元与连接件的接触面用环氧树脂填充密封，以使阶段元与连接件紧密接触并固定连接，阶段元伸入塑料套的长度为3-5mm，6根阶段元与2根连接件构成阶梯形状的框架，管状结构的固定棒上开设2个圆形结构的螺栓孔，固定棒的外侧包覆有内空式圆柱形结构的橡胶套，螺栓组件通过螺栓孔将连接件与固定棒连接。

本实用新型涉及的阶段元的主体结构包括钢筋、发射用压电陶瓷柱、发射用屏蔽导线、接收用压电陶瓷柱、接收用屏蔽导线、环氧树脂层和银浆屏蔽层；圆柱形结构的钢筋的一端设置有圆柱形结构的发射用压电陶瓷柱，圆柱形结构的发射用屏蔽导线从发射用压电陶瓷柱的内部延伸至发射用压电陶瓷柱的外部，钢筋的另一端设置有圆柱形结构的接收用压电陶瓷柱，圆柱形结构的接收用屏蔽导线从接收用压电陶瓷柱的内部延伸至接收用压电陶瓷柱的外部，钢筋通过环氧树脂分别与发射用压电陶瓷柱和接收用压电陶瓷柱粘接式固定连接，钢筋的轴心与发射用压电陶瓷柱和接收用压电陶瓷柱的轴心在同一条直线上，发射用压电陶瓷柱和接收用压电陶瓷柱的外侧均包覆有圆柱形结构的环氧树脂层，环氧树脂层的外侧涂覆有银浆屏蔽层。

本实用新型涉及的连接件和固定棒的材质均为AISI 316型不锈钢；塑料套的内径比阶段元的银浆屏蔽层的外径大1mm，以使塑料套与阶段元紧密插接式连接，阶段元的两端插入塑料套后，塑料套的边缘与钢筋的边缘平齐，塑料套的作用是防止连接件与钢筋接触；导线管用于集中发射用屏蔽导线或接收用屏蔽导线；钢筋的长度为100-200mm，钢筋的材质与被测钢筋的材质相同、发射用压电陶瓷柱、发射用屏蔽导线、接收用压电陶瓷柱和接收用屏蔽导线分别集中穿设在导线管中；银浆屏蔽层用于屏蔽外界环境对发射用压电陶瓷柱和收用压电陶瓷柱的干扰，确保并提高钢筋锈蚀监测的准确性。

本实用新型涉及的的嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置使用时，首先将嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置浇筑在混凝土结构中，具体的工艺过程为：根据混凝土结构的厚度选取连接件与阶段元构成的阶梯形框架的倾斜度，其倾斜度能够通过螺栓组件深入固定棒的长度调节，将发射用屏蔽导线和接收用屏蔽导线分别集中穿设在导线管中，用环氧树脂胶密封U形槽，U形槽封闭后能够防止发射用压电陶瓷柱、发射用屏蔽导线、接收用压电陶瓷柱和接收用屏蔽导线在浇筑混凝土时受到损坏，将固定棒和垂直高度最低的阶段元上的塑料套与两根待测钢筋捆绑连接，两根待测钢筋平行，完成混凝土的浇筑；然后将穿设发射用屏蔽导线的导线管与信号发射器电连接，将穿设接收用屏蔽导线的导线管与信号接收器电连接；最后，通过信号发射器为发射用压电陶瓷柱施加高频窄带脉冲电压，电压产生沿轴向传播的纵向超声导波在钢筋中传播，部分超声导波在钢筋与混凝土的界面位置处发生折射与透射，当钢筋发生锈蚀后体积膨胀，钢筋周围的混凝土出现细微裂缝，此时，透射进入混凝土的超声导波减少，通过钢筋的超声导波增加，随着腐蚀程度的加深和混凝土裂缝的变大，由钢筋透射入混凝土的超声导波持续减小，信号接收器接收到的超声导波的幅值逐渐变大，接收用压电陶瓷柱接收从钢筋传来的超声导波并将其转化成电压信号，根据电压信号的变化，通过与信号接收器连接的数据采集系统和示波器显示的超声导波的特征变化分析钢筋和待测钢筋的锈蚀程度。

本实用新型与现有技术相比，发射用压电陶瓷柱和接收用压电陶瓷柱采用的压电陶瓷是土木工程界广泛研究和应用的智能材料，其传感和驱动功能良好，具有响应速度快、线性关系好、范围宽、能耗低、易剪裁、造价低廉和易加工成型的优点，采用发射用屏蔽导线、接收用屏蔽导线和银浆屏蔽层的保护设施，保证了信号发射、传递和接受的准确性与稳定性，采用倾斜的阶梯形框架式主体结构，通过调节螺栓组件伸入固定棒的长度来调整连接件的倾斜度，使得嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置不受凝土保护层厚度的限制，能够用于保护层厚度不同的各种钢筋混凝土结构中，通过分析钢筋锈蚀前后的超声导波信号幅值差的发生时间，判断混凝土结构内钢筋的初始锈蚀时间和钢筋的锈蚀程度；其结构简单，整体刚度大，具有质量轻、体积小、易于绑扎操作的优势，在埋置于混凝土内部时，受混凝土浇筑的影响小，能够用于多种监测环境，监测结果准确可靠，适用范围广。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型的主体结构局部放大示意图。

图3为本实用新型涉及的阶段元的结构原理示意图。

图4为本实用新型涉及的阶段元的剖面结构原理示意图。

图5为本实用新型涉及的阶段元的剖面结构局部放大示意图。

图6为本实用新型的使用状态示意图。

具体实施方式：

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步详细说明。

实施例1：

本实施例涉及的嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置的主体结构包括连接件1、塑料套2、U形槽3、导线管4、连接台5、螺栓孔6、阶段元7、固定棒8、橡胶套9和螺栓组件10；矩形结构的连接件1的内侧面等间距设置有6个内空式圆形结构的塑料套2，连接件1的外侧面开设U形槽3，内空式圆柱形结构的导线管4设置在U形槽3中并伸出连接件1的一端，塑料套2与导线管4连通，连接件1的另一端设置有连接台5，连接台5开设有贯穿连接台5的螺栓孔6，6根圆柱形结构的阶段元7的两端分别插入2根连接件1的塑料套2中，6根阶段元7的方向一致并互相平行，塑料套2的直径比阶段元7的外壁直径大1mm，阶段元7与连接件1的接触面用环氧树脂填充密封，以使阶段元7与连接件1紧密接触并固定连接，阶段元7伸入塑料套2的长度为3-5mm，6根阶段元7与2根连接件1构成阶梯形状的框架，管状结构的固定棒8上开设2个圆形结构的螺栓孔6，固定棒8的外侧包覆有内空式圆柱形结构的橡胶套9，螺栓组件10通过螺栓孔6将连接件1与固定棒8连接。

本实施例涉及的阶段元7的主体结构包括钢筋11、发射用压电陶瓷柱12、发射用屏蔽导线13、接收用压电陶瓷柱14、接收用屏蔽导线15、环氧树脂层16和银浆屏蔽层17；圆柱形结构的钢筋11的一端设置有圆柱形结构的发射用压电陶瓷柱12，圆柱形结构的发射用屏蔽导线13从发射用压电陶瓷柱12的内部延伸至发射用压电陶瓷柱12的外部，钢筋11的另一端设置有圆柱形结构的接收用压电陶瓷柱14，圆柱形结构的接收用屏蔽导线15从接收用压电陶瓷柱14的内部延伸至接收用压电陶瓷柱14的外部，钢筋11通过环氧树脂分别与发射用压电陶瓷柱12和接收用压电陶瓷柱14粘接式固定连接，钢筋11的轴心与发射用压电陶瓷柱12和接收用压电陶瓷柱14的轴心在同一条直线上，发射用压电陶瓷柱12和接收用压电陶瓷柱14的外侧均包覆有圆柱形结构的环氧树脂层16，环氧树脂层16的外侧涂覆有银浆屏蔽层17。

本实施例涉及的连接件1和固定棒8的材质均为AISI(美国钢铁学会标准)316型不锈钢；塑料套2的内径比阶段元7的银浆屏蔽层17的外径大1mm，以使塑料套2与阶段元7紧密插接式连接，阶段元7的两端插入塑料套2后，塑料套2的边缘与钢筋11的边缘平齐，塑料套2的作用是防止连接件1与钢筋11接触；导线管4用于集中发射用屏蔽导线13或接收用屏蔽导线15；钢筋11的长度为100-200mm，钢筋11的材质与被测钢筋20的材质相同、发射用压电陶瓷柱12、发射用屏蔽导线13、接收用压电陶瓷柱14和接收用屏蔽导线15分别集中穿设在导线管4中；银浆屏蔽层17用于屏蔽外界环境对发射用压电陶瓷柱12和接收用压电陶瓷柱14的干扰，确保并提高钢筋锈蚀监测的准确性。

本实施例涉及的嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置使用时，首先将嵌入式钢筋锈蚀超声监测装置浇筑在混凝土结构中，具体的工艺过程为：根据混凝土结构的厚度选取连接件1与阶段元7构成的阶梯形框架的倾斜度，其倾斜度能够通过螺栓组件10深入固定棒8的长度调节，将发射用屏蔽导线13和接收用屏蔽导线15分别集中穿设在导线管4中，用环氧树脂胶密封U形槽3，U形槽3封闭后能够防止发射用压电陶瓷柱12、发射用屏蔽导线13、接收用压电陶瓷柱14和接收用屏蔽导线15在浇筑混凝土时受到损坏，将固定棒8和垂直高度最低的阶段元7上的塑料套2与两根待测钢筋20捆绑连接，两根待测钢筋20平行，完成混凝土的浇筑；然后将穿设发射用屏蔽导线13的导线管4与信号发射器30电连接，将穿设接收用屏蔽导线15的导线管4与信号接收器40电连接；最后，通过信号发射器30为发射用压电陶瓷柱12施加高频窄带脉冲电压，电压产生沿轴向传播的纵向超声导波在钢筋11中传播，部分超声导波在钢筋11与混凝土的界面位置处发生折射与透射，当钢筋11发生锈蚀后体积膨胀，钢筋11周围的混凝土出现细微裂缝，此时，透射进入混凝土的超声导波减少，通过钢筋11的超声导波增加，随着腐蚀程度的加深和混凝土裂缝的变大，由钢筋11透射入混凝土的超声导波持续减小，信号接收器40接收到的超声导波的幅值逐渐变大，接收用压电陶瓷柱14接收从钢筋11传来的超声导波并将其转化成电压信号，根据电压信号的变化，通过与信号接收器40连接的数据采集系统和示波器显示的超声导波的特征变化分析钢筋11和待测钢筋20的锈蚀程度。