[發(fā)明專利]收集鋼筋腐蝕能的無線傳感器節(jié)點

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• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN103697938A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設計）人: 喬國富;孫國棟;李惠;歐進萍;關(guān)新春
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: G01D21/02
• 分類號: G01D21/02;G01J1/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及的是一種收集鋼筋腐蝕能的無線傳感器節(jié)點。

背景技術(shù)

鋼混結(jié)構(gòu)是現(xiàn)今及以后相當長的時間內(nèi)仍將采用的主要結(jié)構(gòu)型式之一，鋼筋腐蝕是引起鋼混結(jié)構(gòu)耐久性降低的最主要原因。美國國家材料顧問委員會調(diào)查表明，近253000座混凝土橋面板出現(xiàn)嚴重腐蝕現(xiàn)象；日本約有21.4％的鋼混結(jié)構(gòu)損壞是由鋼筋腐蝕引起的；我國2002年底僅公路危橋就達9597座，而耗資4000萬元的山東某汽車站，更是在建成5年后的2009年即成危樓，其中鋼筋腐蝕是引起結(jié)構(gòu)服役性能嚴重劣化的主要原因之一。近期，我國再次投入數(shù)以萬億計的資金發(fā)展了基礎設施建設，占據(jù)相當比例的鋼混結(jié)構(gòu)的耐久性問題，勢必成為影響國民經(jīng)濟發(fā)展和社會和諧穩(wěn)定的戰(zhàn)略性課題。鋼筋腐蝕的危害之大出乎意料，隨著全球氣候與環(huán)境的惡化，這一問題勢必呈現(xiàn)出日益加劇的態(tài)勢，鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕問題正引起全世界廣泛關(guān)注。

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)構(gòu)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(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“橋梁”，實時掌握結(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計等提供科學依據(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)濟效益和潛在的、重要的社會效益。

在線監(jiān)測與實時控制，是土木工程機構(gòu)健康監(jiān)測與控制的前沿研究領(lǐng)域。顯然，無線傳感器及其網(wǎng)絡在諸多方面的巨大優(yōu)勢決定其在監(jiān)控一體化系統(tǒng)中正起到關(guān)鍵支撐平臺的作用。通常，無線傳感器與網(wǎng)絡的能量供給來源于電池、電網(wǎng)等傳統(tǒng)方式。事實上，在現(xiàn)階段廣泛應用于土木工程領(lǐng)域的無線傳感器及其網(wǎng)絡絕大多數(shù)都采用上述能源供給方式。這就造成了無線傳感器及其網(wǎng)絡“信號傳輸無線，能源供給有線”的尷尬局面，使得無線傳感器與網(wǎng)絡的本應具備的巨大優(yōu)勢大打折扣。這主要是土木工程領(lǐng)域與航天、軍事領(lǐng)域需求的重要區(qū)別所致，土木工程結(jié)構(gòu)的設計服役年限可從幾十年至上百年，這就要求無線監(jiān)控系統(tǒng)的有效服役年限不能低于結(jié)構(gòu)的服役年限，顯然目前無線節(jié)點與網(wǎng)絡的能源供給只能頻繁更換電池或接入電網(wǎng)。

就結(jié)構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)而言，如果無線傳感器節(jié)點能從其所監(jiān)控的結(jié)構(gòu)本身提取能量用于供給自身，那么將大大提升其服役壽命和服役性能。事實上，近些年基于諸如風能、太陽能、振動能和流動能等無線自集能傳感器節(jié)點已被構(gòu)建。就鋼混結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測與控制而言，腐蝕本質(zhì)上是系列電化學反應過程，這一過程是能量的緩慢釋放過程。所釋放的能量來源于鋼鐵冶煉過程中所消耗的煤炭能。顯然，鋼鐵冶煉過程中，F(xiàn)e從鐵礦石中的無序狀態(tài)轉(zhuǎn)化為鋼鐵內(nèi)的晶態(tài)，煤炭等產(chǎn)生的熱能用于實現(xiàn)這一從無序到有序的過程。鋼鐵的腐蝕過程恰恰是從有序到無序的過程，F(xiàn)e的晶格結(jié)構(gòu)被打破，能量以腐蝕產(chǎn)生的微弱電能的方式逐漸釋放在自然界中。這無疑為用于重大鋼混結(jié)構(gòu)腐蝕監(jiān)測的無線傳感器及其網(wǎng)絡的能量供給提供了非常光明的契機。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種收集鋼筋腐蝕能的無線傳感器節(jié)點，該無線傳感器節(jié)點采用鋼混結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕過程中產(chǎn)生的微弱電能供給。

本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種收集鋼筋腐蝕能的無線傳感器節(jié)點，包括鋼筋腐蝕能量源、超低功率升壓器、超級電容器和無線傳感器節(jié)點，所述的鋼筋腐蝕能量源采用Q235碳鋼鋼板和石墨板構(gòu)成對電極，兩者間加入模擬被侵蝕后的混凝土溶液，鋼筋腐蝕能量源連接超低功率升壓器，超低功率升壓器連接超級電容器，超級電容器連接無線傳感器節(jié)點，通過超低功率升壓電路將電池能存儲在超級電容器中，進而在超級電容器電壓達到無線節(jié)點的工作電壓后，無線節(jié)點開始對各種環(huán)境參數(shù)進行采集和傳輸。

本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征：

1.所述的鋼筋腐蝕能量源還包括實際鋼混結(jié)構(gòu)本身的鋼筋網(wǎng)。

2.所述的Q235碳鋼鋼板或采用腐蝕敏感性材料，包括Mg、Zn、Al或基于此三者所制備的合金的粉末或板材作為能量產(chǎn)生的來源。

3.所述的鋼筋腐蝕能對電極中腐蝕系統(tǒng)中的陽極體系可用作鋼筋網(wǎng)的對電極。

4.所述的超低功率升壓器為Bq25504升壓電路。

5.所述的無線傳感器節(jié)點為Telosb節(jié)點。