钢筋腐蚀监测系统的设计与实现

论文摘要

钢筋在混凝土的高碱性环境中呈钝态,不受腐蚀。但随着建筑物质老化和环境污染加重等因素导致钢筋锈蚀,将会影响结构的承载能力,严重时甚至导致结构破坏,而钢筋的腐蚀检测/监测可以为钢筋混凝土结构的剩余载荷和结构的耐久性提供基础数据。因此,钢筋混凝土的腐蚀检测/监测有着重大的社会意义和经济效益。传统的钢筋混凝土腐蚀检测/监测方法主要是取样法和线性极化法。取样法的缺点是破坏混凝土结构、暂时性阻碍交通营运以及个人的劳动强度较大。而基于无损测量的线性极化技术,则存在混凝土的高电阻率对其测试结果有较大影响的限制。CoulMonitor腐蚀监测系统是一种基于电荷脉冲极化测量原理的测量装置。它是用已知电量激励被测体系,断电测量极化电位,并分析其在这种扰动下的瞬态过程随时间的变化,从而获得电化学信息参数的一种暂态测试方法。通过单片机控制腐蚀测量模块连续、定时测量腐蚀体系的电化学参数,来实现对金属腐蚀的监测。本监测装置应用在钢筋混凝土领域,不仅能够消除混凝土高电阻率影响,还具备远程监控功能,可自动采集多点数据。另外还考虑到现场安装使用的适应性,系统设计上减轻了重量、尽量缩小体积,以及扩展供电方式的多种性。因此,基于恒电量原理的钢筋混凝土腐蚀监测装置,就有可能实现在跨海大桥、港工码头、高层建筑、大坝、泄洪道、高塔等重要或重大的钢筋混凝土构筑物上进行腐蚀监测的应用。本文改进了恒电量测量模块的硬件。结合单片机技术,采用C8051F020为核心的主控单元控制定时、连续的恒电量腐蚀。最终实现了对钢筋混凝土的腐蚀监测。整套系统在设计和开发中的主要创新和特征如下：利用双运放回路提高极化充电的瞬时电压,降低充电回路的时间常数的电路设计,缩短充电过程中极化电荷的转移时间,减少溶液欧姆降的影响,扩展测试范围。设计模拟电路腐蚀电位自动跟踪除去回路,避免利用D/A补偿除去腐蚀电位带来的数字电路和模拟电路之间的干扰问题。采用了Visual C++和Matlab进行混合编程。具备VC运行效率高、操作能力强的优点,又能够享受到Matlab充足的数值计算库函数,大大地减少软件开发的工作量,加快开发速度。并通过动态链接库技术,生成了独立CoulView软件,使用和安装更加方便快捷。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 前言
• 1 绪论
• 1.1 课题研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 物理方法
• 1.2.2 电化学方法
• 1.3 本文研究内容
• 2 钢筋混凝土腐蚀的数理模型及解析方法
• 2.1 钢筋混凝土腐蚀的简化等效电路模型
• 2.2 钢筋混凝土腐蚀的复杂等效电路模型
• 2.3 线性响应方程的理论验证
• 2.4 小结
• 3 CoulMonitor监测装置的设计与实现
• 3.1 监测装置的基本组成
• 3.1.1 设计思路
• 3.1.2 关键技术
• 3.1.3 局部模拟电路设计原理
• 3.2 监测装置的测量原理
• 3.3 监测系统的主控单元
• 3.3.1 日历时钟芯片8563
• 3.3.2 EEPROM芯片AT24WC04
• 3.3.3 串口通信电路
• 3.4 监测系统下位机原理图
• 3.5 现场腐蚀监测单元
• 3.6 现场腐蚀监测单元
• 4 监测与数据解析系统的软件开发
• 4.1 系统上位机软件的功能
• 4.2 系统上位机总体思路
• 4.3 软件开发的途径
• 4.3.1 数据分析功能的实现
• 4.3.2 系统选择功能的实现
• 4.3.3 数据传输功能的实现
• 4.3.4 图形监测功能的实现
• 4.4 恒电量数据解析软件的设计与实现
• 4.4.1 CoulView软件模块的设计
• 4.4.2 混合编程的实现途径
• 4.5 最佳测试条件和数据有效性的判断
• 4.6 系统用户界面
• 4.6.1 系统主菜单界面
• 4.6.2 测量模块用户界面
• 4.7 数据分析模块用户界面
• 4.8 小结
• 5 CoulMonitor监测系统测试和现场应用
• 5.1 系统可靠性的实验验证
• 5.1.1 模拟等效电路的测试与分析
• 5.1.2 模拟等效电路的结果分析
• 5.1.3 实际腐蚀体系的测试与分析结果
• 5.2 钢筋混凝土结构的腐蚀监测
• 5.3 小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 论文发表情况