一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)主要由埋入式傳感器和外部電路組成。埋入式傳感器基于LC振蕩電路，通過不同粗細(xì)鋼絲的通斷情況，使諧振頻率發(fā)生變化，從而判斷鋼筋的腐蝕情況，該模塊具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、無線、無源，便于工程安裝實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。外部電路以MSP430P149為主處理芯片，由DDS、無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片NRP905等電路實(shí)現(xiàn)，該電路能夠?qū)崟r(shí)采集埋入式傳感器的諧振頻率變化信息，并具有通訊距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)。
【專利說明】一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 木發(fā)明公開了 一種無線傳感器節(jié)點(diǎn)，特別是一種應(yīng)用于混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測的無線傳感器節(jié)點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]過去的研究表明鋼筋腐蝕是造成鋼混結(jié)構(gòu)損傷以及失效的原因之一，全世界對腐蝕結(jié)構(gòu)的維護(hù)維修以及更換構(gòu)件投入了大量的費(fèi)用，在土木工程中鋼筋腐蝕的監(jiān)測是結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測以及全壽命設(shè)計(jì)的重要組成部分。隨著鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕問題引起全世界的廣泛關(guān)注，國內(nèi)外針對耦合腐蝕作用下的材料、構(gòu)件到結(jié)的性能進(jìn)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(gòu)件及結(jié)構(gòu)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(gòu)建，將在結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)與結(jié)構(gòu)服役性能之間架設(shè)“橋梁”，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)，并最終為結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)等提供科學(xué)依據(jù)。鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)研究工作的開展勢在必行，這一工作具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和潛在的、重要的社會(huì)效益。
[0003]國內(nèi)外針對耦合腐蝕作用下的材料、構(gòu)件到結(jié)構(gòu)的性能進(jìn)行了大量地研究，建立了腐蝕狀態(tài)與材料、構(gòu)件及結(jié)構(gòu)性能之間寶貴的數(shù)據(jù)庫。一旦成功構(gòu)建鋼筋腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，將在結(jié)構(gòu)腐蝕狀態(tài)與結(jié)構(gòu)服役性能之間架設(shè)“橋梁”，能夠?qū)崟r(shí)掌握結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)，并最終為結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)等提供科學(xué)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(jì)效益和潛在的、重要的社會(huì)效益。
[0004]我國的喬國富、孫國棟、歐進(jìn)萍等發(fā)明了重大鋼混結(jié)構(gòu)用無線自集能腐蝕監(jiān)測傳感器網(wǎng)絡(luò)，本發(fā)明采用嵌入腐蝕控制電路的無線自集能傳感器節(jié)點(diǎn)，感知腐蝕電化學(xué)信息，進(jìn)而在腐蝕監(jiān)測傳感網(wǎng)中，采用Micaz節(jié)點(diǎn)或其它無線傳感器節(jié)點(diǎn)連接布置于鋼混結(jié)構(gòu)內(nèi)部，多個(gè)Micaz節(jié)點(diǎn)或其它無線傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線鏈路構(gòu)成自組織的無線通信網(wǎng)絡(luò)，基于廣播的技術(shù)建立節(jié)點(diǎn)鄰居節(jié)點(diǎn)關(guān)系，然后使用框架設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)路由協(xié)議來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)重大工程結(jié)構(gòu)多點(diǎn)、分布式監(jiān)測，實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的耐久性狀態(tài)，并最終為結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)等提供科學(xué)依據(jù)，為腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)的提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明公開了一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)主要由埋入式傳感器和外部電路組成。埋入式傳感器基于LC振蕩電路，通過不同粗細(xì)鋼絲的通斷情況，使諧振頻率發(fā)生變化，從而判斷鋼筋的腐蝕情況，該模塊具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、無線、無源，便于工程安裝實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。外部電路以MSP430P149為主處理芯片，由DDS、無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片NRP905等電路實(shí)現(xiàn)，該電路能夠?qū)崟r(shí)采集埋入式傳感器的諧振頻率變化信息，并具有通訊距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定等特點(diǎn)。[0006]前述的一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，該設(shè)備主要由埋入式傳感器和外部電路組成。埋入式傳感器基于LC振蕩電路，通過不同粗細(xì)鋼絲的通斷情況，使諧振頻率發(fā)生變化，從而判斷鋼筋的腐蝕情況；
前述的一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于所說的埋入式傳感器基于LC振蕩電路，通過不同粗細(xì)鋼絲的通斷情況，使諧振頻率發(fā)生變化，從而判斷鋼筋的腐蝕情況；
前述的一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于所說的外部電路以MSP430P149為主處理芯片，由DDS、無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片NRP905等電路實(shí)現(xiàn)；
前述的一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于所說的埋入式傳感器電路，封裝好后埋置于混凝土結(jié)構(gòu)中待監(jiān)測鋼筋附近。除了鋼絲(在電路中用開關(guān)代替)之外，傳感器的其余部分都進(jìn)行了封裝，而鋼絲則暴露在待監(jiān)測鋼筋附近的混凝土中。
[0007]本發(fā)明的有益效果在于，世界上的基礎(chǔ)設(shè)施仍是以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主，腐蝕為影響其耐久性的主導(dǎo)因素。1981年調(diào)查的華南地區(qū)18座海港鋼筋混凝土碼頭中，鋼筋腐蝕破壞或不耐久的就占89%,基本完好的只有2座，最短的使用時(shí)間僅為7年。據(jù)專家估計(jì)，由混凝土和鋼筋的腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占國民收人的1.25%，通過混凝土中鋼筋腐蝕在線監(jiān)測實(shí)時(shí)掌握結(jié)構(gòu)的腐蝕情況，可以幫助在役混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行耐久性評定和剩余壽命預(yù)測，不僅可以揭示潛在危險(xiǎn)，及時(shí)作出維修或拆除決策，避免重大事故的發(fā)生，而且研究成果可直接用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對于提高下程的設(shè)計(jì)水平和施下質(zhì)量也有一定的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)的總體結(jié)構(gòu)圖。
[0009]圖2是鋼筋腐蝕檢測原理電路圖。
[0010]圖3是主程序流程圖。
具體實(shí)施方案
[0011]下面根據(jù)附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0012]如圖2所示右半部分是埋人式傳感器電路，封裝好后埋置于混凝土結(jié)構(gòu)中待監(jiān)測鋼筋附近。除了鋼絲(在電路中用開關(guān)代替)之外，傳感器的其余部分都進(jìn)行了封裝，而鋼絲則暴露在待監(jiān)測鋼筋附近的混凝土中。左半部分是外部檢測電路，固定在混凝土結(jié)構(gòu)表面，用于測量傳感器的諧振頻率。當(dāng)混凝土中鋼筋腐蝕時(shí)，埋人式傳感器中鋼絲依次斷開，在電路中表現(xiàn)即為開關(guān)依次斷開，外部檢測電路的諧振頻率相應(yīng)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)鋼筋腐蝕信號在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外的無線傳輸。另外，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳感器無需電源，可以實(shí)現(xiàn)長期監(jiān)測，該傳感器具有無線、無源、廉價(jià)的優(yōu)點(diǎn)。
[0013]電路中的電感或電容的變化會(huì)引起電路的諧振頻率的變化,這個(gè)變化可以通過圖2虛線框中的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，其中開關(guān)Kl，K2，K3為不同粗細(xì)的鋼絲，Kl最粗，K3最細(xì)，它們的腐蝕斷開次序?yàn)镵3，K2，Kl0當(dāng)開關(guān)K1，K2，K3都閉合時(shí)，即腐蝕情況尚未呈現(xiàn)，諧振頻率取決于四個(gè)電容之和，即總電容C=C0+C1+C2+C3;當(dāng)開關(guān)K3打開時(shí)，電容C3就從電路中去除了，此時(shí)腐蝕程度較輕微,即總電容C=C0+C1+C2，造成了諧振頻率的升高；依次類推，當(dāng)鋼筋腐蝕情況逐漸加深時(shí)，K2，Kl依次斷開，總電容逐漸減小，從而諧振頻率逐漸升高。這樣，電路的諧振頻率就取決于開關(guān)的狀態(tài)，通過諧振頻率的測量，可以確定各開關(guān)的狀態(tài)，從而確定混凝土中鋼筋的腐蝕情況。
[0014]如圖3，(a)為傳感器節(jié)點(diǎn)的主程序，(b)為中斷服務(wù)子程序。主程序主要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中包括對主控制芯片MSP430F149，DDS交流掃頻激勵(lì)源(主要是AD9850 )以及無線收發(fā)電路(主要是nRF905 )的初始化。為了降低節(jié)點(diǎn)功耗，當(dāng)節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)將其置于低功耗模式，其中MSP430的低功耗模式為LPM工作模式，對應(yīng)nRF905的為掉電模式。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到，轉(zhuǎn)到中斷服務(wù)子程序中開始運(yùn)行。
[0015]中斷服務(wù)子程序首先設(shè)定DDS掃頻激勵(lì)源的頻率，通過對AD9850的4個(gè)端口進(jìn)行寫人操作控制使其初始頻率為I MHz，然后控制MSP430F149的內(nèi)部12位A/D轉(zhuǎn)換器對前端采集到的電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。為了提高準(zhǔn)確性，采用將32次A/D采樣結(jié)果進(jìn)行平均求和的力一式進(jìn)行數(shù)字濾波，并將結(jié)果保存，接著以IOOHz為步進(jìn)逐漸增加AD9850的輸出頻率，不斷采集各個(gè)頻率點(diǎn)的電壓信息直到輸出頻率大于5 MHz，對比采集到400個(gè)的電壓值，取出其電壓極小值時(shí)的頻率，也即諧振頻率，然后通過SPI 口控制nRF905的下作模式，使其進(jìn)人ShockBurst TX模式并開始向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成處于空閑狀態(tài)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)低功耗，重新使系統(tǒng)各模塊進(jìn)人低功耗模式，開中斷開中斷然后跳出中斷服務(wù)子程序進(jìn)入定時(shí)等待狀態(tài)。
[0016]然后跳出中斷服務(wù)子程序進(jìn)人定時(shí)等待狀態(tài)。
[0017]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對發(fā)明作任何形式上的限制，凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)和方法對以上實(shí)施例所做的任何修改，等同變化與修飾，仍屬于本發(fā)明的技術(shù)方案的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，該設(shè)備主要由埋入式傳感器和外部電路組成；埋入式傳感器基于LC振蕩電路，通過不同粗細(xì)鋼絲的通斷情況，使諧振頻率發(fā)生變化，從而判斷鋼筋的腐蝕情況。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，所述的埋入式傳感器基于LC振蕩電路，通過不同粗細(xì)鋼絲的通斷情況，使諧振頻率發(fā)生變化，從而判斷鋼筋的腐蝕情況。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，所述的外部電路以MSP430P149為主處理芯片，由DDS、無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片NRP905等電路實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種混凝土中鋼筋腐蝕監(jiān)測無線傳感器節(jié)點(diǎn)，其特征在于，所述的埋入式傳感器電路，封裝好后埋置于混凝土結(jié)構(gòu)中待監(jiān)測鋼筋附近；除了鋼絲之外，傳感器的其余部分都進(jìn)行了封裝，而鋼絲則暴露在待監(jiān)測鋼筋附近的混凝土中。
【文檔編號】G01N27/00GK103852488SQ201210516277
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月6日
【發(fā)明者】劉婷婷, 郭富 申請人:天津市醫(yī)學(xué)堂科技有限公司