腐蚀监测传感器的原理如图1所示,其中电感L1与L2构成耦合线圈,M为互感,右侧为需埋入混凝土结构中的腐蚀监测传感器,主要由电感、电容、钢丝等组成LC电磁振荡回路。将封装好的腐蚀监测传感器中的钢丝暴露在混凝土中的钢筋附近,利用钢丝的通断即可判断钢筋的腐蚀信息。前期,本课题组已经对钢筋腐蚀监测传感器进行了相关方面的研究,本文仅对其参数进行优化仿真设计。通过计算读取电感L1两端电压的频率特性,可以定性地画出其幅频特性,如图2所示。 以步进固定的正弦扫频波为信号源,通过单片机对读取电感两端的电压进行A/D转换并计算出电压值极小值Umin,然后对照扫频源的频率即可得出谐振频率。当钢丝导通与断开时,LC谐振频率发生变化,据此可判断出混凝土中钢筋的腐蚀信息。 互感或耦合系数,反映线圈之间通过磁场变化相互耦合的程度,它们取决于线圈的匝数、几何尺寸、磁介质和线圈之间的相对位置,同时耦合系数k直接影响传感器性能参数△f和Dip的大小。我们期望在保证两线圈之间较远的距离的前提下,能够有较大的耦合系数。另外,考虑到为了不影响混凝土结构的性能,腐蚀监测传感器尺寸不能太大。 ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件,能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的分析,有着广泛的应用领域。本文采用ANSYS10.0版本进行仿真。 为了使读取电路准确地测量出钢筋的腐蚀状态信息,需主要关注以下性能参数: 1)钢丝导通与断开时LC回路的谐振频率f2以及两者之差△f2:通过检测电压幅度的极小值Umin来判断谐振频率点f2,进而确定钢筋腐蚀的信息;同时谐振频率差△f2的值决定了判断钢筋腐蚀的难易程度,△f2越大,越容易判断。 2)Dip的大小以及f2与f1之间的差值△f:Dip越大,对读取电路监测灵敏度要求越低;△f越大,扫频源的扫频步进越大,监测速度越快。如果参数设置不好,有可能会漏掉谐振点上的电压极小值,造成监测失败。
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