專利名稱：鋼混結構用無線自集能腐蝕傳感器的能量供給單元的制作方法
技術領域：
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構健康監(jiān)測中，能夠為惡劣服役環(huán)境下腐蝕監(jiān)測傳感器系統(tǒng)提供能源的單元及其制備方法。
背景技術：
過去的研究表明鋼筋腐蝕是造成鋼混結構損傷以及失效的原因之一，全世界對腐蝕結構的維護維修以及更換構件投入了大量的費用，在土木工程中鋼筋腐蝕的監(jiān)測是結構健康監(jiān)測以及全壽命設計的重要組成部分。隨著鋼混結構鋼筋腐蝕問題引起全世界的廣泛關注，國內(nèi)外針對耦合腐蝕作用下的材料、構件到結的性能進行了大量、系統(tǒng)的研究，這些研究建立了腐蝕狀態(tài)與材料、構件及結構性能之間寶貴的數(shù)據(jù)庫。鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)一旦成功構建，將在結構腐蝕狀態(tài)與結構服役性能之間架設“橋梁”，實時掌握結構的耐久性狀態(tài)，并最終為結構服役安全性的評定、合理化腐蝕控制措施與維修加固方案的提出及全壽命設計等提供科學依據(jù)。國內(nèi)外針對耦合腐蝕作用下的材料、構件到結構的性能進行了大量地研究，建立了腐蝕狀態(tài)與材料、構件及結構性能之間寶貴的數(shù)據(jù)庫。一旦成功構建鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，將在結構腐蝕狀態(tài)與結構服役性能之間架設“橋梁”，能夠實時掌握結構的耐久性狀態(tài)，并最終為結構服役安全性的評定、合理化腐蝕控制措施與維修加固方案的提出及全壽命設計等提供科學依據(jù)。因此，鋼筋腐蝕監(jiān)測研究工作的開展勢在必行，這一工作具有顯著的經(jīng)濟效益和潛在的、重要的社會效益。土木工程中絕大多數(shù)(除了部分高溫氧化反應外)鋼材的腐蝕過程都是電化學過程，所以電化學方法成為監(jiān)測結構中鋼材腐蝕的最本質(zhì)的方法。近些年來國內(nèi)外的科研工作者采用電化學方法對腐蝕科學問題進行了大量的研究，通過穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)電化學方法的研究，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過程的更詳細的信息，如極化電阻、雙電層電容、擴散過程、點蝕的發(fā)生過程等等。這些參數(shù)的測量能夠為腐蝕監(jiān)測提供更加可靠的依據(jù)。過去數(shù)十年來，國內(nèi)外基于電化學原理對金屬的腐蝕問題進行了大量、深入地研究。不難發(fā)現(xiàn)，這些研究主要集中在實驗室狀態(tài)下，鋼混體系腐蝕電化學反應與鋼混結構的特殊性決定了以往的研究對實現(xiàn)大規(guī)模鋼混結構鋼筋腐蝕監(jiān)測還存在較大距離。需要創(chuàng)新發(fā)展能夠滿足重大鋼混基礎結構腐蝕監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)重大工程結構多點、分布式監(jiān)測，為腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的最終工程應用提供關鍵技術。顯然，重大鋼混結構的設計服役年限達幾十年甚至上百年，因此腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的服役年限至少不能低于結構的設計年限，這就要求持續(xù)為腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)絡提供能量供給以維持結構健康監(jiān)測系統(tǒng)的運轉。過去的幾十年里，風能、太陽能等已經(jīng)能夠為傳感器系統(tǒng)提供能量供給，但其需要大量的導線接入到傳感器上，這大大提高了系統(tǒng)成本以及施工的難度，實踐表明大量導線的接入進一步嚴重降低了傳感器的成活率。此外，受日光強度、風場分布的影響，所提供的能源還存在穩(wěn)定性的問題。因此，需要針對鋼混結構腐蝕監(jiān)測的特殊性，提供更加穩(wěn)定、簡便的能量供給途經(jīng)。本專利應用對侵蝕環(huán)境敏感的材料，構建能量供給單元，在鋼混結構處于鈍化狀態(tài)下，能量供給單元沒有能量輸出，傳感器網(wǎng)絡處于靜默狀態(tài)；一旦鋼混結構受到環(huán)境的侵蝕，能量供給單元開始輸出能量，為傳感器網(wǎng)絡提供穩(wěn)定的能源供給，從而通過腐蝕傳感器網(wǎng)絡實現(xiàn)重大鋼混結構腐蝕狀態(tài)信號的采集、傳輸與識別。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供用于重大鋼混結構無線自集能腐蝕監(jiān)測傳感器系統(tǒng)的能量供給單元。常規(guī)能量存儲設備難以滿足結構健康監(jiān)測的要求，如電池、電容器等都存在服役壽命短，使用過程中需要進行多次充電。采用本發(fā)明的無線傳感器能量供給單元，能夠在結構未發(fā)生廣義損傷時為睡眠狀態(tài)，傳感器不被激活。一旦結構出現(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反應所產(chǎn)生的能量供給無線傳感器平臺。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種鋼混結構用無線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正方形凸起的結構，石墨板和鎂板的正方形凸起采用國際象棋棋盤式相互間隔設置，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線；石墨板上的銅導線連接到傳感器電源插槽的負極，鎂板上的銅導線連接到傳感器的電源插槽的正極。本發(fā)明還有如下技術特征1、一種鋼混結構用無線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,邊長為120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50個高17mm，邊長IOmm的正方形石墨凸起，并且每個臨邊的石墨凸起與石墨板的外邊距離為1mm，每個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，加工成兩個長120mm、寬120mm的并具有100個鏤空的PVC墊，每個鏤空為邊長為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120mm，寬120mm的鎂板加工出50個高10mm，邊長IOmm的正方形鎂板凸起，并且每個臨邊的鎂板凸起與鎂板的外邊距離為1mm，每個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，并使每個鎂板凸起與石墨凸起如國際象棋棋盤式相互間隔設置，然后將第二 PVC墊套在鎂板上，使石墨凸起與鎂板凸起相對固定，最后，分別在石墨板和鎂板上焊接銅導線；石墨板上的銅導線連接到傳感器電源插槽的負極，鎂板上的銅導線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)金屬腐蝕過程是電化學過程，可利用腐蝕所釋放的電能供給無線傳感器工作。進而在腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)中，采用MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點連接布置于鋼混結構內(nèi)部，多個MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點通過無線鏈路構成自組織的無線通信網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)腐蝕特征信號的采集與傳輸。本發(fā)明結構簡單，能夠通過調(diào)整能量供給單元的材料屬性，設計其幾何構形，滿足重大工程結構的實際需求。


圖1為本發(fā)明能量供給單元的實施例1主視圖；圖2為本發(fā)明能量供給單元的實施例1側視圖3為Si板發(fā)生電化學反應過程中的電極電位；圖4為Si板發(fā)生電化學反應過程中產(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。
具體實施方案下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細的描述采用諸如Mg、Zn等對侵蝕環(huán)境敏感的材料，或者鋼混結構本身所具備的鋼筋網(wǎng)作為能量供給材料，對無線自集能腐蝕傳感器網(wǎng)絡提供能源供給，采用MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點連接布置于鋼混結構的內(nèi)部，多個MicaZ節(jié)點或其它無線傳感器節(jié)點通過無線鏈路構成自組織的無線通信網(wǎng)絡，在沒有腐蝕發(fā)生的情況下，能量供給單元沒有能量輸入到無線自集能傳感網(wǎng)內(nèi)，從而傳感網(wǎng)處于靜默狀態(tài)，一旦侵蝕環(huán)境導致能量供給單元發(fā)生腐蝕，能量將傳輸?shù)綗o線自集能腐蝕傳感器，進而傳感器實現(xiàn)腐蝕特征信號的采集與傳輸。實施例1 如圖1-2所示，采用高為22mm，邊長為120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50個高17mm，邊長IOmm的正方形石墨凸起，并且每個臨邊的石墨凸起與石墨板的外邊距離為1mm，每個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，加工成兩個長120mm、寬120mm的并具有100個鏤空的PVC墊，每個鏤空為邊長為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120mm，寬120mm的鎂板加工出50個高10mm，邊長IOmm的正方形鎂板凸起，并且每個臨邊的鎂板凸起與鎂板的外邊距離為1mm，每個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，并使每個鎂板凸起與石墨凸起如國際象棋棋盤式相互間隔設置，然后將第二 PVC墊套在鎂板上，使石墨凸起與鎂板凸起相對固定，最后，分別在石墨板和鎂板上焊接銅導線；石墨板上的銅導線連接到傳感器電源插槽的負極，鎂板上的銅導線連接到傳感器的電源插槽的正極。實施例2:采用高為22mm，邊長為120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50個高17mm，邊長IOmm的正方形石墨凸起，并且每個臨邊的石墨凸起與石墨板的外邊距離為1mm，每個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，加工成兩個長120mm、寬120mm的并具有100個鏤空的PVC墊，每個鏤空為邊長為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120mm，寬120mm的鋅板加工出50個高10mm，邊長IOmm的正方形鋅板凸起，并且每個臨邊的鋅板凸起與鋅板的外邊距離為1mm，每個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，并使每個鋅板凸起與石墨凸起如國際象棋棋盤式相互間隔設置，然后將第二 PVC墊套在鋅板上，使石墨凸起與鋅板凸起相對固定，最后，分別在石墨板和鋅板上焊接銅導線；石墨板上的銅導線連接到傳感器電源插槽的負極，鋅板上的銅導線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，每平方厘米的面積上能夠產(chǎn)生KT3A的電流，從而滿足無線傳感器節(jié)點工作的需求。
實際工程中，無線自集能腐蝕傳感器需要采用植入混凝土結構內(nèi)部的方式進行布設，從而實現(xiàn)能量供給與信號傳輸?shù)恼嬲饬x上的無線化?；炷敛牧暇哂袕娏业亩嘞?、非均質(zhì)特性，此外，實際鋼混工程結構的服役情況復雜，混凝土保護層易存在缺陷，如裂紋、較大的孔隙等。因此，為了確保侵蝕粒子作用下，能量供給單元向無線傳感器節(jié)點提供穩(wěn)定的能量，能量供給單元采用了電極陣列相間的構造形式，此種構造形式一方面確保了復雜服役條件下能量供給的穩(wěn)定性，如50個Mg或Si陽極單元中的個別單元能夠在侵蝕粒子作用下產(chǎn)生的能量，就足以供給無線傳感器節(jié)點工作；此外，電極陣列相間的構造形式，提高了能量供給單元的發(fā)電效率，由于陰、陽極直接相間，電流可以直接通過混凝土孔隙液導通，從而減小了電流在傳輸過程中的損耗；第三，電極陣列相間的構造形式，也為無線傳感器節(jié)點的布設提供了方便，如果采用大面積的兩塊陰、陽極，勢必增加了無線傳感器節(jié)點的體積，此外在施工過程中兩塊大面積電極之間很難填入密實的混凝土介質(zhì)，從而影響能量供給單元的發(fā)電效率。
權利要求
1.一種鋼混結構用無線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正方形凸起的結構，石墨板和鎂板的正方形凸起采用國際象棋棋盤式相互間隔設置，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線；石墨板上的銅導線連接到傳感器電源插槽的負極，鎂板上的銅導線連接到傳感器的電源插槽的正極。
2.一種鋼混結構用無線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，邊長為120mm的正方形石墨板，在石墨板的上面加工出50個高17mm，邊長IOmm的正方形石墨凸起，并且每個臨邊的石墨凸起與石墨板的外邊距離為1mm，每個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，加工成兩個長120mm、寬120mm的并具有100個鏤空的PVC墊，每個鏤空為邊長為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120mm，寬120mm的鎂板加工出50個高10mm，邊長IOmm的正方形鎂板凸起，并且每個臨邊的鎂板凸起與鎂板的外邊距離為1mm，每個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，并使每個鎂板凸起與石墨凸起如國際象棋棋盤式相互間隔設置，然后將第二 PVC墊套在鎂板上，使石墨凸起與鎂板凸起相對固定，最后，分別在石墨板和鎂板上焊接銅導線；石墨板上的銅導線連接到傳感器電源插槽的負極，鎂板上的銅導線連接到傳感器的電源插槽的正極。
3.如權利要求1所述的一種鋼混結構用無線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.如權利要求2所述的一種鋼混結構用無線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。
5.一種鋼混結構用無線自集能腐蝕傳感器的能量供給單元如權利要求2所述的制備方法制得的。
全文摘要
一種鋼混結構用無線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正方形凸起的結構，石墨板和鎂板的正方形凸起采用國際象棋棋盤式相互間隔設置，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線；石墨板上的銅導線連接到傳感器電源插槽的負極，鎂板上的銅導線連接到傳感器的電源插槽的正極。本發(fā)明結構簡單，能夠通過調(diào)整能量供給單元的材料屬性，設計其幾何構形，可利用腐蝕所釋放的電能供給無線傳感器工作，從而滿足重大工程結構的實際需求。
文檔編號G01N17/02GK102564937SQ201110441100
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權日2011年12月26日
發(fā)明者喬國富, 孫國棟, 歐進萍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學