本發(fā)明屬于鋼筋銹蝕監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種嵌入式鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測裝置，可以對混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋銹狀況進行實時、長期監(jiān)測。

背景技術(shù)：
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在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋的銹蝕是影響建筑工程結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性的重要因素之一；鋼筋銹蝕時，體積發(fā)生膨脹，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力下降，混凝土保護層剝落，進而導致建筑結(jié)構(gòu)強度降低，鋼筋銹蝕發(fā)生在建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，肉眼很難察覺，對于鋼筋銹蝕引發(fā)的輕度損壞的建筑物，對其進行修補時，存在工作量大、造價高和效益差的問題，當建筑物的破壞較嚴重時，將對人們的生命和財產(chǎn)安全帶來不可估量的損失；所以，監(jiān)測混凝土內(nèi)鋼筋的銹蝕狀態(tài)并掌握建筑物結(jié)構(gòu)的內(nèi)部情況十分有必要，以便在建筑物發(fā)生損壞之前進行預(yù)警，使損失降至最低。

目前，鋼筋銹蝕監(jiān)測的方法包括物理方法和化學方法：物理法分為電阻探針法和光纖傳感法，前者是將一個與結(jié)構(gòu)鋼筋材質(zhì)相同的探針埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中，實時監(jiān)測并根據(jù)探針電阻的變化推斷鋼筋銹蝕的速率和銹蝕的程度；后者是基于鋼筋生銹后其表面膨脹產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，光纖受應(yīng)力影響產(chǎn)生應(yīng)變，光在光纖中傳播的相位、頻率、波長、偏振都會發(fā)生改變的原理進行鋼筋銹蝕的監(jiān)測，光纖傳感器的耐久性好、耐銹蝕和抗干擾能力強，并且光纖傳感器能夠進行空間連續(xù)性監(jiān)測，缺點是光纖傳感技術(shù)工藝要求很高，造價高昂?；瘜W法分為半電池電位法、交流阻抗方法和線性極化法，半電池電位法的原理是鋼筋發(fā)生銹蝕時，其陽極區(qū)和陰極區(qū)存在電位差，通過所測得的電流、電壓值來評定鋼筋銹蝕程度；交流阻抗法是對目標體系發(fā)出一段微小的電流，測量目標體系對這段微小電流的反應(yīng)，對所測量到的交變電流譜來進行分析；線性極化法是一種動態(tài)的測量方法，但測量儀器非常昂貴，且受外界影響較大，后期數(shù)據(jù)處理也相當困難。

中國專利201420660839.3公開的一種基于超聲導波原理的傳感器包括薄壁鋼管、兩個圓形壓電陶瓷片和若干導線，兩個圓形壓電陶瓷片分別嵌入薄壁鋼管兩端，并與鋼管壁緊固連接，兩個壓電陶瓷片的正、負電極用導線接出，其中一個壓電片作為驅(qū)動器，當在圓形壓電陶瓷片厚度方向，即圓形壓電陶瓷片的表面上施加高頻窄帶脈沖電壓時，其產(chǎn)生對稱的沿軸向傳播的縱向?qū)Рㄔ诒”阡摴苤袀鞑?，另外一個壓電片作為傳感器，接收到自鋼管壁傳來的導波，根據(jù)導波信號特征判斷鋼管銹蝕狀況，從而判斷周圍環(huán)境、結(jié)構(gòu)或其他對象的銹蝕情況，其采用薄壁空心鋼管模擬實際工程中的鋼筋，與工程中的實心鋼筋銹蝕狀況不相符，監(jiān)測結(jié)果誤差大；中國專利201220615624.0公開的一種混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕監(jiān)測裝置包括光纖光柵應(yīng)變傳感器、信號處理單元、不銹鋼斜面支架、至少三只光纖光柵應(yīng)變傳感器及導線，光纖光柵應(yīng)變傳感器依次布設(shè)在斜面支架的斜面上，各光纖光柵應(yīng)變傳感器采集所得信號經(jīng)由導線送至信號處理單元，其將光纖光柵傳感器固定于不銹鋼三角斜面支架上，在澆筑混凝土的過程中，該裝置易受損壞，不具備實用性，通過光纖光柵應(yīng)變傳感器測定混凝土保護層中由于鋼筋銹蝕產(chǎn)物產(chǎn)生的銹脹力引起的拉應(yīng)變，進而推導出鋼筋銹蝕速率及鋼筋銹蝕初始腐蝕時間，實為一種間接監(jiān)測方法，存在一定的誤差；中國專利201120123546.8公開的嵌入式鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)包括由單陽極、單陰極和PVC管組成的傳感器，支架以及導線，單陽極和單陰極交替連接，PVC管設(shè)置在單陽極和單陰極之間，單陽極和單陰極均與導線相連，支架與傳感器和導線相連，其分為4層，每一層含有4個陰極和4個陽極，總共需要引出32根導線，裝置復雜、接線眾多，制作困難且后期需測的數(shù)據(jù)眾多。因此，研發(fā)設(shè)計一種易于操作的嵌入式鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測裝置，實時監(jiān)測和評定混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕狀況，具有較好的社會、經(jīng)濟效益，應(yīng)用前景廣闊。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，研發(fā)一種嵌入式鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測裝置，能夠?qū)崟r精確監(jiān)測和評定混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋的銹蝕狀況。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明涉及的嵌入式鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測裝置主體結(jié)構(gòu)包括連接件、塑料套、U形槽、導線管、連接臺、螺栓孔、階段元、固定棒、橡膠套和螺栓組件；矩形結(jié)構(gòu)的連接件的內(nèi)側(cè)面等間距設(shè)置有6個內(nèi)空式圓形結(jié)構(gòu)的塑料套，連接件的外側(cè)面開設(shè)U形槽，內(nèi)空式圓柱形結(jié)構(gòu)的導線管設(shè)置在U形槽中并伸出連接件的一端，塑料套與導線管連通，連接件的另一端設(shè)置有連接臺，連接臺開設(shè)有貫穿連接臺的螺栓孔，6根圓柱形結(jié)構(gòu)的階段元的兩端分別插入2根連接件的塑料套中，6根階段元的方向一致并互相平行，塑料套的直徑比階段元的外壁直徑大1mm，階段元與連接件的接觸面用環(huán)氧樹脂填充密封，以使階段元與連接件緊密接觸并固定連接，階段元伸入塑料套的長度為3-5mm，6根階段元與2根連接件構(gòu)成階梯形狀的框架，管狀結(jié)構(gòu)的固定棒上開設(shè)2個圓形結(jié)構(gòu)的螺栓孔，固定棒的外側(cè)包覆有內(nèi)空式圓柱形結(jié)構(gòu)的橡膠套，螺栓組件通過螺栓孔將連接件與固定棒連接。

本發(fā)明涉及的階段元的主體結(jié)構(gòu)包括鋼筋、發(fā)射用壓電陶瓷柱、發(fā)射用屏蔽導線、接收用壓電陶瓷柱、接收用屏蔽導線、環(huán)氧樹脂層和銀漿屏蔽層；圓柱形結(jié)構(gòu)的鋼筋的一端設(shè)置有圓柱形結(jié)構(gòu)的發(fā)射用壓電陶瓷柱，圓柱形結(jié)構(gòu)的發(fā)射用屏蔽導線從發(fā)射用壓電陶瓷柱的內(nèi)部延伸至發(fā)射用壓電陶瓷柱的外部，鋼筋的另一端設(shè)置有圓柱形結(jié)構(gòu)的接收用壓電陶瓷柱，圓柱形結(jié)構(gòu)的接收用屏蔽導線從接收用壓電陶瓷柱的內(nèi)部延伸至接收用壓電陶瓷柱的外部，鋼筋通過環(huán)氧樹脂分別與發(fā)射用壓電陶瓷柱和接收用壓電陶瓷柱粘接式固定連接，鋼筋的軸心與發(fā)射用壓電陶瓷柱和接收用壓電陶瓷柱的軸心在同一條直線上，發(fā)射用壓電陶瓷柱和接收用壓電陶瓷柱的外側(cè)均包覆有圓柱形結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂層，環(huán)氧樹脂層的外側(cè)涂覆有銀漿屏蔽層。

本發(fā)明涉及的連接件和固定棒的材質(zhì)均為AISI 316型不銹鋼；塑料套的內(nèi)徑比階段元的銀漿屏蔽層的外徑大1mm，以使塑料套與階段元緊密插接式連接，階段元的兩端插入塑料套后，塑料套的邊緣與鋼筋的邊緣平齊，塑料套的作用是防止連接件與鋼筋接觸；導線管用于集中發(fā)射用屏蔽導線或接收用屏蔽導線；鋼筋的長度為100-200mm，鋼筋的材質(zhì)與被測鋼筋的材質(zhì)相同、發(fā)射用壓電陶瓷柱、發(fā)射用屏蔽導線、接收用壓電陶瓷柱和接收用屏蔽導線分別集中穿設(shè)在導線管中；銀漿屏蔽層用于屏蔽外界環(huán)境對發(fā)射用壓電陶瓷柱和收用壓電陶瓷柱的干擾，確保并提高鋼筋銹蝕監(jiān)測的準確性。

本發(fā)明涉及的的嵌入式鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測裝置使用時，首先將嵌入式鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測裝置澆筑在混凝土結(jié)構(gòu)中，具體的工藝過程為：根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的厚度選取連接件與階段元構(gòu)成的階梯形框架的傾斜度，其傾斜度能夠通過螺栓組件深入固定棒的長度調(diào)節(jié)，將發(fā)射用屏蔽導線和接收用屏蔽導線分別集中穿設(shè)在導線管中，用環(huán)氧樹脂膠密封U形槽，U形槽封閉后能夠防止發(fā)射用壓電陶瓷柱、發(fā)射用屏蔽導線、接收用壓電陶瓷柱和接收用屏蔽導線在澆筑混凝土時受到損壞，將固定棒和垂直高度最低的階段元上的塑料套與兩根待測鋼筋捆綁連接，兩根待測鋼筋平行，完成混凝土的澆筑；然后將穿設(shè)發(fā)射用屏蔽導線的導線管與信號發(fā)射器電連接，將穿設(shè)接收用屏蔽導線的導線管與信號接收器電連接；最后，通過信號發(fā)射器為發(fā)射用壓電陶瓷柱施加高頻窄帶脈沖電壓，電壓產(chǎn)生沿軸向傳播的縱向超聲導波在鋼筋中傳播，部分超聲導波在鋼筋與混凝土的界面位置處發(fā)生折射與透射，當鋼筋發(fā)生銹蝕后體積膨脹，鋼筋周圍的混凝土出現(xiàn)細微裂縫，此時，透射進入混凝土的超聲導波減少，通過鋼筋的超聲導波增加，隨著腐蝕程度的加深和混凝土裂縫的變大，由鋼筋透射入混凝土的超聲導波持續(xù)減小，信號接收器接收到的超聲導波的幅值逐漸變大，接收用壓電陶瓷柱接收從鋼筋傳來的超聲導波并將其轉(zhuǎn)化成電壓信號，根據(jù)電壓信號的變化，通過與信號接收器連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和示波器顯示的超聲導波的特征變化分析鋼筋和待測鋼筋的銹蝕程度。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，發(fā)射用壓電陶瓷柱和接收用壓電陶瓷柱采用的壓電陶瓷是土木工程界廣泛研究和應(yīng)用的智能材料，其傳感和驅(qū)動功能良好，具有響應(yīng)速度快、線性關(guān)系好、范圍寬、能耗低、易剪裁、造價低廉和易加工成型的優(yōu)點，采用發(fā)射用屏蔽導線、接收用屏蔽導線和銀漿屏蔽層的保護設(shè)施，保證了信號發(fā)射、傳遞和接受的準確性與穩(wěn)定性，采用傾斜的階梯形框架式主體結(jié)構(gòu)，通過調(diào)節(jié)螺栓組件伸入固定棒的長度來調(diào)整連接件的傾斜度，使得嵌入式鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測裝置不受凝土保護層厚度的限制，能夠用于保護層厚度不同的各種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，通過分析鋼筋銹蝕前后的超聲導波信號幅值差的發(fā)生時間，判斷混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋的初始銹蝕時間和鋼筋的銹蝕程度；其結(jié)構(gòu)簡單，整體剛度大，具有質(zhì)量輕、體積小、易于綁扎操作的優(yōu)勢，在埋置于混凝土內(nèi)部時，受混凝土澆筑的影響小，能夠用于多種監(jiān)測環(huán)境，監(jiān)測結(jié)果準確可靠，適用范圍廣。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為本發(fā)明的主體結(jié)構(gòu)局部放大示意圖。

圖3為本發(fā)明涉及的階段元的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖4為本發(fā)明涉及的階段元的剖面結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖5為本發(fā)明涉及的階段元的剖面結(jié)構(gòu)局部放大示意圖。

圖6為本發(fā)明的使用狀態(tài)示意圖。

具體實施方式：

下面結(jié)合附圖并通過實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

實施例1：

本實施例涉及的嵌入式鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測裝置的主體結(jié)構(gòu)包括連接件1、塑料套2、U形槽3、導線管4、連接臺5、螺栓孔6、階段元7、固定棒8、橡膠套9和螺栓組件10；矩形結(jié)構(gòu)的連接件1的內(nèi)側(cè)面等間距設(shè)置有6個內(nèi)空式圓形結(jié)構(gòu)的塑料套2，連接件1的外側(cè)面開設(shè)U形槽3，內(nèi)空式圓柱形結(jié)構(gòu)的導線管4設(shè)置在U形槽3中并伸出連接件1的一端，塑料套2與導線管4連通，連接件1的另一端設(shè)置有連接臺5，連接臺5開設(shè)有貫穿連接臺5的螺栓孔6，6根圓柱形結(jié)構(gòu)的階段元7的兩端分別插入2根連接件1的塑料套2中，6根階段元7的方向一致并互相平行，塑料套2的直徑比階段元7的外壁直徑大1mm，階段元7與連接件1的接觸面用環(huán)氧樹脂填充密封，以使階段元7與連接件1緊密接觸并固定連接，階段元7伸入塑料套2的長度為3-5mm，6根階段元7與2根連接件1構(gòu)成階梯形狀的框架，管狀結(jié)構(gòu)的固定棒8上開設(shè)2個圓形結(jié)構(gòu)的螺栓孔6，固定棒8的外側(cè)包覆有內(nèi)空式圓柱形結(jié)構(gòu)的橡膠套9，螺栓組件10通過螺栓孔6將連接件1與固定棒8連接。

本實施例涉及的階段元7的主體結(jié)構(gòu)包括鋼筋11、發(fā)射用壓電陶瓷柱12、發(fā)射用屏蔽導線13、接收用壓電陶瓷柱14、接收用屏蔽導線15、環(huán)氧樹脂層16和銀漿屏蔽層17；圓柱形結(jié)構(gòu)的鋼筋11的一端設(shè)置有圓柱形結(jié)構(gòu)的發(fā)射用壓電陶瓷柱12，圓柱形結(jié)構(gòu)的發(fā)射用屏蔽導線13從發(fā)射用壓電陶瓷柱12的內(nèi)部延伸至發(fā)射用壓電陶瓷柱12的外部，鋼筋11的另一端設(shè)置有圓柱形結(jié)構(gòu)的接收用壓電陶瓷柱14，圓柱形結(jié)構(gòu)的接收用屏蔽導線15從接收用壓電陶瓷柱14的內(nèi)部延伸至接收用壓電陶瓷柱14的外部，鋼筋11通過環(huán)氧樹脂分別與發(fā)射用壓電陶瓷柱12和接收用壓電陶瓷柱14粘接式固定連接，鋼筋11的軸心與發(fā)射用壓電陶瓷柱12和接收用壓電陶瓷柱14的軸心在同一條直線上，發(fā)射用壓電陶瓷柱12和接收用壓電陶瓷柱14的外側(cè)均包覆有圓柱形結(jié)構(gòu)的環(huán)氧樹脂層16，環(huán)氧樹脂層16的外側(cè)涂覆有銀漿屏蔽層17。

本實施例涉及的連接件1和固定棒8的材質(zhì)均為AISI(美國鋼鐵學會標準)316型不銹鋼；塑料套2的內(nèi)徑比階段元7的銀漿屏蔽層17的外徑大1mm，以使塑料套2與階段元7緊密插接式連接，階段元7的兩端插入塑料套2后，塑料套2的邊緣與鋼筋11的邊緣平齊，塑料套2的作用是防止連接件1與鋼筋11接觸；導線管4用于集中發(fā)射用屏蔽導線13或接收用屏蔽導線15；鋼筋11的長度為100-200mm，鋼筋11的材質(zhì)與被測鋼筋20的材質(zhì)相同、發(fā)射用壓電陶瓷柱12、發(fā)射用屏蔽導線13、接收用壓電陶瓷柱14和接收用屏蔽導線15分別集中穿設(shè)在導線管4中；銀漿屏蔽層17用于屏蔽外界環(huán)境對發(fā)射用壓電陶瓷柱12和接收用壓電陶瓷柱14的干擾，確保并提高鋼筋銹蝕監(jiān)測的準確性。

本實施例涉及的嵌入式鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測裝置使用時，首先將嵌入式鋼筋銹蝕超聲監(jiān)測裝置澆筑在混凝土結(jié)構(gòu)中，具體的工藝過程為：根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的厚度選取連接件1與階段元7構(gòu)成的階梯形框架的傾斜度，其傾斜度能夠通過螺栓組件10深入固定棒8的長度調(diào)節(jié)，將發(fā)射用屏蔽導線13和接收用屏蔽導線15分別集中穿設(shè)在導線管4中，用環(huán)氧樹脂膠密封U形槽3，U形槽3封閉后能夠防止發(fā)射用壓電陶瓷柱12、發(fā)射用屏蔽導線13、接收用壓電陶瓷柱14和接收用屏蔽導線15在澆筑混凝土時受到損壞，將固定棒8和垂直高度最低的階段元7上的塑料套2與兩根待測鋼筋20捆綁連接，兩根待測鋼筋20平行，完成混凝土的澆筑；然后將穿設(shè)發(fā)射用屏蔽導線13的導線管4與信號發(fā)射器30電連接，將穿設(shè)接收用屏蔽導線15的導線管4與信號接收器40電連接；最后，通過信號發(fā)射器30為發(fā)射用壓電陶瓷柱12施加高頻窄帶脈沖電壓，電壓產(chǎn)生沿軸向傳播的縱向超聲導波在鋼筋11中傳播，部分超聲導波在鋼筋11與混凝土的界面位置處發(fā)生折射與透射，當鋼筋11發(fā)生銹蝕后體積膨脹，鋼筋11周圍的混凝土出現(xiàn)細微裂縫，此時，透射進入混凝土的超聲導波減少，通過鋼筋11的超聲導波增加，隨著腐蝕程度的加深和混凝土裂縫的變大，由鋼筋11透射入混凝土的超聲導波持續(xù)減小，信號接收器40接收到的超聲導波的幅值逐漸變大，接收用壓電陶瓷柱14接收從鋼筋11傳來的超聲導波并將其轉(zhuǎn)化成電壓信號，根據(jù)電壓信號的變化，通過與信號接收器40連接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和示波器顯示的超聲導波的特征變化分析鋼筋11和待測鋼筋20的銹蝕程度。