一种适用于三种磁传感器的钢筋锈蚀装置及标定方法

技术领域

本发明涉及钢筋混凝土试验中的钢筋标定装置及标定方法，特别涉及一种适用于三种磁传感器的钢筋锈蚀装置及标定方法。

背景技术

混凝土材料作为如今使用最广泛的建筑材料，普遍应用于土木工程领域。钢筋腐蚀则是引起混凝土结构锈裂失效的主要原因，钢筋锈蚀导致的钢筋混凝土结构锈胀开裂是结构承载力下降和服役性能降低的重要原因。据中科院海洋所公布的数据：每年我国腐蚀损失高达1.6万亿元，其中基础设施和建筑的腐蚀损失高达5000亿元。

因此，钢筋混凝土结构服役后对钢筋进行长期监测显得尤为重要，若能在钢筋生锈导致结构开裂前期监测发现，及时进行维修，能够极大延长结构服役寿命。

基于以上背景，中国专利授权公告号CN109374726A，授权公告日为2019年2月22日，名称为“基于磁场的混凝土中钢筋锈蚀无损动态监测传感器及系统”、中国专利授权公告号CN208420791U，授权公告日为2019年1月22日，名称为“一种钢筋锈蚀电磁场变响应装置”、中国专利授权公告号CN110646505A，授权公告日为2020年1月3日，名称为“基于电磁场原理的外置式钢筋锈蚀无损监测传感器及测试方法”以及中国专利授权公告号CN112034033A，授权公告日为2020年12月4日，名称为“基于磁场原理的分离式钢筋非均匀锈蚀监测传感器及测试方法”，以上专利提出了几种基于磁场原理的钢筋锈蚀监测传感器及其监测方法，用于钢筋混凝土结构内部钢筋锈蚀情况监测。

锈蚀监测传感器一般用于钢筋原位监测。在传感器的实验室验证阶段，需对锈蚀钢筋进行标定确定锈蚀程度。标定过程如下：使用传感器读取待测钢筋磁感应强度后，将钢筋移位称重，随后对钢筋进行人工通电锈蚀，人工锈蚀结束后，再次称重并使用传感器测量同一位置的磁感应强度，获取钢筋锈蚀前后重量、磁感应强度数据后根据公式确定钢筋锈蚀程度。故磁感应强度准确度将极大影响标定精度。

钢筋标定时遇到了如下问题：其一，钢筋标定需要较高精度，在对钢筋移位称重、人工锈蚀后，需调整钢筋与传感器测头相对位置，使钢筋测点与测头相对位置与移位前完全一致，才能够进行磁感应读数。借助夹具、刻度尺等辅助工具校正，操作难度较大，难以保证试验精度；其二，标定验证的传感器主要有内置式、分离式和外置式三种类型，单一夹具无法同时满足各种型号传感器的标定需求。考虑到传感器实际应用过程中分离式、内置式传感器的构件需预埋混凝土中，如何在实验室阶段将传感器预埋部分固定，确保其保持固定也需考虑；其三，实验室包括工程应用阶段，钢筋直径由14mm至20mm不等，人工校正无法保证不同尺寸钢筋的标定精度。

可行的替代方案有使用可称重钢筋夹具，夹具装置能够同时实现钢筋固定及称重的功能。基于这种理论，中国专利申请公布号CN111392574A，申请公布日为2020年7月10日，名称为“一种可称重钢筋夹具”，此发明主要涉及物料转移运输，能够实现钢筋自动夹取与称重。但是该专利主要用作建筑施工阶段的钢筋运输，对实验室钢筋标定而言仅作参考。

更进一步，考虑到钢筋混凝土耐久性研究是近几年的热门领域，国内许多实验室均在进行钢筋锈蚀研究。一个适用于各尺寸钢筋的标定装置，将为试验提供诸多便利。

以上问题亟待解决。因此，专门研发一种可适用于各尺寸钢筋、各类型传感器的钢筋标定装置，具有十分重要的工程价值，可大幅度提高对实验室钢筋锈蚀试验的效率，帮助研究顺利进行。

发明内容

为了克服目前并无专门的钢筋锈蚀标定装置等问题，本发明提供一种操作简便、适用于各尺寸钢筋、精确度高、成本低廉、实验室应用性强的锈蚀钢筋标定装置及其标定方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种适用于三种磁传感器的钢筋锈蚀装置，包括主体单元、第一标定孔单元、第二标定孔单元、第三标定孔单元、第四标定孔单元、第五标定孔单元、第六标定孔单元、第一内置式埋入单元、第一分离式埋入单元、第一垫块单元、第二垫块单元、第三垫块单元、第四垫块单元、第五垫块单元、第一螺纹孔单元、第二螺纹孔单元、第三螺纹孔单元、第四螺纹孔单元、第五螺纹孔单元、第六螺纹孔单元、第七螺纹孔单元、第八螺纹孔单元、第九螺纹孔单元、第十螺纹孔单元、第一螺栓单元、第二螺栓单元、第三螺栓单元、第四螺栓单元、第五螺栓单元、第一刻度线、第二刻度线、第三刻度线、第四刻度线、第五刻度线、第六刻度线。

所述的主体单元上根据第一至第五垫块单元的安装位置设有螺纹孔，与垫块单元上螺纹孔一一对应，用于垫块单元的安装与固定；所述的第一至第六标定孔单元为主体单元上开孔；所述的第一内置式埋入单元为主体单元上开槽；所述的第一内置式埋入单元开槽开口圆心与第二标定孔单元圆心重合；所述的第一分离式埋入单元为主体单元上开槽；所述的第一分离式埋入单元开槽短边与第五标定孔单元圆心相切；所述第一垫块单元、第二垫块单元、第三垫块单元、第四垫块单元、第五垫块单元可拆卸。

进一步，所述的主体单元为透明亚克力材料制成。所述主体单元包括垫块单元由透明亚克力材料制成，标定阶段可透过装置直接观察钢筋，便于实验分析。为提高装置性价比，也可采用其他透明环保轻型材料。

优选的，所述主体单元也可用其他透明环保轻型材料制作，以满足标定装置的性价比要求。

再进一步，所述第一垫块单元、第二垫块单元、第三垫块单元、第四垫块单元、第五垫块单元，用于放置第一、第三、第四、第五、第六标定孔即外置式、分离式传感器的外置部分。

所述主体单元脚部设有五个螺纹孔，用于安装作为拆卸件的第一垫块单元、第二垫块单元、第三垫块单元、第四垫块单元和第五垫块单元。

所述第一垫块单元、第二垫块单元、第三垫块单元、第四垫块单元、第五垫块单元为拆卸件，设有螺纹孔，通过螺栓安装在主体单元上，根据标定需求部分安装。

所述第一标定孔单元、第二标定孔单元、第三标定孔单元、第四标定孔单元、第五标定孔单元和第六标定孔单元为主体单元上圆柱形开孔。可实现建筑领域常用14～20mm直径钢筋的标定。

各个标定孔单元孔边设有刻度线，用于校准钢筋，确保标定精度。

所述第二标定孔单元用于内置式式传感器钢筋标定；所述第一内置式埋入单元为主体单元上开槽，用于安装内置式传感器，内置式传感器即为完整传感器结构，参与钢筋标定；

所述第五标定孔单元用于分离式传感器钢筋标定；所述第一分离式埋入单元为主体单元上开槽，用于安装分离式传感器埋入部分，外置部分安装于垫块单元上，组装成完整的分离式传感器，参与钢筋标定；

所述第一标定孔单元、第三标定孔单元、第四标定孔单元、第六标定孔单元均可用于外置式传感器钢筋标定；所述第一垫块单元、第三垫块单元、第四垫块单元、第六垫块单元各自配合第一标定孔单元、第三标定孔单元、第四标定孔单元、第六标定孔单元用于安装外置式传感器，外置式传感器即为完整传感器结构，参与钢筋标定。

一种适用于三种磁传感器的钢筋锈蚀标定方法，所述标定方法的过程如下：

首先，根据参与标定的传感器选择标定孔；将装置放置于平面上，将垫块单元安装在主体单元上，用螺栓固定；将待测钢筋称重后插入所选择的标定孔中；安装传感器配件：分离式、内置式传感器可将内置构件直接装入装置所设的传感器槽中，分离式、外置式传感器外置部分放置在传感器垫层上；

然后，根据标定孔孔边刻度线所指位置在钢筋上标记；使用传感器读数；取出钢筋进行通电锈蚀；锈蚀完成后称重；将钢筋重新插入标定孔；根据刻度线以及钢筋上标记校正钢筋位置，确保钢筋位置与取出前一致；再次使用传感器进行读数；

最后，根据测得质量变化及磁感应强度变化标定钢筋锈蚀情况。

本发明的有益效果主要表现在：本发明可以克服实验室环境下标定过程操作困难、精度低的缺陷，实现了各尺寸锈蚀钢筋标定过程；标定孔可根据传感器种类调整，可实现各钢筋锈蚀传感器的标定，具有原理清楚、方法简便、定位精准、重复使用和稳定性好等优点，可弥补现在标定装置的空缺。

附图说明

图1为适用于三种磁传感器的钢筋锈蚀装置的整体结构示意图。

图2为适用于三种磁传感器的钢筋锈蚀装置的三视图，其中(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为前视图。

图3为适用于三种磁传感器的钢筋锈蚀装置无垫层三视图，其中(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为前视图。

图4为内置式埋入单元开槽示意图。

图5为分离式埋入单元开槽示意图。

图6为适用于三种磁传感器的钢筋锈蚀装置的三维透视图。

图7为外置式传感器三视图，其中(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为前视图。

图8为分离式传感器三视图，其中(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为前视图。

图9为内置式传感器三视图，其中(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为前视图。

图10为装置工作三视图，其中(a)为主视图，(b)为右视图，(c)为前视图。

附图标记：1、主体单元；21、第一标定孔；22、第二标定孔；23、第三标定孔；24、第四标定孔；25、第五标定孔；26、第六标定孔；31、第一内置式埋入单元；32、第二分离式埋入单元；41、第一垫块单元；42、第二垫块单元；43、第三垫块单元；44、第四垫块单元；45、第五垫块单元；51、第一螺纹孔单元；52、第二螺纹孔单元；53、第三螺纹孔单元；54、第四螺纹孔单元；55、第五螺纹孔单元；61、第六螺纹孔单元；62、第七螺纹孔单元；63、第八螺纹孔单元；64、第九螺纹孔单元；65、第十螺纹孔单元；71、第一螺栓单元；72、第二螺栓单元；73、第三螺栓单元；74、第四螺栓单元；75、第五螺栓单元、81、第一刻度线；82、第二刻度线；83、第三刻度线；84、第四刻度线；85、第五刻度线；86、第六刻度线。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明，需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照图1～图9，一种锈蚀钢筋标定装置，包括主体单元1、第一标定孔单元21、第二标定孔单元22、第三标定孔单元23、第四标定孔单元24、第五标定孔单元25、第六标定孔单元26、第一内置式埋入单元31、第一分离式埋入单元32、第一垫块单元41、第二垫块单元42、第三垫块单元43、第四垫块单元44、第五垫块单元45、第一螺纹孔单元51、第二螺纹孔单元52、第三螺纹孔单元53、第四螺纹孔单元54、第五螺纹孔单元55、第六螺纹孔单元61、第七螺纹孔单元62、第八螺纹孔单元63、第九螺纹孔单元64、第十螺纹孔单元65、第一螺栓单元71、第二螺栓单元72、第三螺栓单元73、第四螺栓单元74、第五螺栓单元75、第一刻度线81、第二刻度线82、第三刻度线83、第四刻度线84、第五刻度线85、第六刻度线86。

所述的主体单元1为亚克力材质，其上根据标定要求开孔开槽；所述的第一标定孔单元21、第二标定孔单元22、第三标定孔单元23、第四标定孔单元24、第五标定孔单元25、第六标定孔单元26为主体单元1上开孔，且开孔深度并未贯通主体单元；每个标定孔单元旁设有刻度线，用于实现钢筋校准；所述的第一内置式埋入单元31、第一分离式埋入单元32为主体单元1上开槽，且开槽位置与标定孔单元相对位置有一定要求；主体单元脚部各自设有第一螺纹孔单元51、第二螺纹孔单元52、第三螺纹孔单元53、第四螺纹孔单元54、第五螺纹孔单元55。

所述的第一垫块单元41、第二垫块单元42、第三垫块单元43、第四垫块单元44、第五垫块单元45上分别设有第六螺纹孔单元61、第七螺纹孔单元62、第八螺纹孔单元63、第九螺纹孔单元64、第十螺纹孔单元65，各个垫块单元使用螺栓安装于主体单元对应位置。

更进一步，第一至第五垫层单元可根据参与标定的传感器类型选择安装，无需一次全部安装在装置上。

一种适用于三种磁传感器的钢筋锈蚀标定方法，过程如下：

1)使用外置式传感器进行钢筋标定

第一、第三、第四以及第六标定孔可用作外置式传感器钢筋标定，以第一标定孔标定为例。

首先将主体单元1放置于无倾斜平面上，将第一垫块单元41上第六螺纹孔单元61与主体单元1第一螺纹孔单元51对准，并用第一螺栓单元71固定，标定装置即安装完成。

将外置式传感器安装在第一垫块单元上；然后将被测钢筋称重后插入第一标定孔单元21中，根据第一刻度线81所指位置在钢筋上标记；使用分离式传感器进行读数；取出钢筋进行通电锈蚀；锈蚀完成后对钢筋再次称重；将钢筋重新插入第一标定孔单元21中；根据第一刻度线81以及钢筋上标记校正钢筋位置，确保钢筋位置与取出前一致；再次使用分离式传感器进行读数；根据测得质量变化及磁感应强度变化标定钢筋锈蚀情况。

具体标定计算公式如下：

1.记录试件质量为m

2.以电流加速锈蚀的方式实现钢筋锈蚀的模拟实验，控制电流密度和通电时间相同，质量为m

3.记录各组钢筋混凝土试件锈蚀后标定钢筋的磁感应强度数据B

分别计算标定钢筋质量变化率Δm

分别计算标定钢筋磁感应强度变化率ΔB

对钢筋质量变化率与霍尔传感器磁感应强度变化率之间的关系进行线性拟合，得到线性关系系数α，标定完成。

2)使用内置式传感器进行钢筋标定：

第二标定孔可用作内置式传感器钢筋标定。

首先将主体单元1放置于无倾斜平面上，标定装置准备完成。

首先将内置式传感器安装在主体单元1上第一内置式埋入单元31所在开槽上；然后将被测钢筋称重后插入第二标定孔单元22中，根据第二刻度线82所指位置在钢筋上标记；使用分离式传感器进行读数；取出钢筋进行通电锈蚀；锈蚀完成后对钢筋再次称重；将钢筋重新插入第二标定孔单元22中；根据第二刻度线82以及钢筋上标记校正钢筋位置，确保钢筋位置与取出前一致；再次使用分离式传感器进行读数；根据测得质量变化及磁感应强度变化标定钢筋锈蚀情况。

具体标定计算公式如下：

1.记录试件质量为m

2.以电流加速锈蚀的方式实现钢筋锈蚀的模拟实验，控制电流密度和通电时间相同，质量为m

3.记录组钢筋混凝土试件锈蚀后标定钢筋的磁感应强度数据B

分别计算标定钢筋质量变化率Δm

分别计算标定钢筋磁感应强度变化率ΔB

对钢筋质量变化率与霍尔传感器磁感应强度变化率之间的关系进行线性拟合，得到线性关系系数α，标定完成。

3)使用分离式传感器进行钢筋标定：

第五标定孔可用作分离式传感器钢筋标定。

首先将主体单元1放置于无倾斜平面上，将第四垫块单元45上第九螺纹孔单元64与主体单元1上第四螺纹孔单元54对准，将第四垫块单元44安装在第五标定孔25位置，并用第四螺栓单元74固定，标定装置即安装完成。

将分离式传感器内置部分安装在主体单元1上第一分离式埋入单元32所在开槽上；将分离式传感器外置部分安装在传感器垫层上指定位置；然后将被测钢筋称重后插入第五标定孔单元25中，根据第五刻度线85所指位置在钢筋上标记；使用分离式传感器进行读数；取出钢筋进行通电锈蚀；锈蚀完成后对钢筋再次称重；将钢筋重新插入第五标定孔单元25中；根据第五刻度线85以及钢筋上标记校正钢筋位置，确保钢筋位置与取出前一致；再次使用分离式传感器进行读数；根据测得质量变化及磁感应强度变化标定钢筋锈蚀情况。

具体标定计算公式如下：

1.记录试件质量为m

2.以电流加速锈蚀的方式实现钢筋锈蚀的模拟实验，控制电流密度和通电时间相同，质量为m

3.记录组钢筋混凝土试件锈蚀后标定钢筋的磁感应强度数据B

分别计算标定钢筋质量变化率Δm

分别计算标定钢筋磁感应强度变化率ΔB

对钢筋质量变化率与霍尔传感器磁感应强度变化率之间的关系进行线性拟合，得到线性关系系数α，标定完成。

综上，针对使用外置式传感器及内置式传感器参与标定的情况下，外置式传感器可用第一标定孔单元21、第三标定孔单元23、第四标定孔单元24、第六标定孔单元26进行标定，操作步骤与分离式传感器相比需在相应垫块单元上安装外置式传感器，无需安装内置部分；内置式传感器可用第二标定孔单元22进行标定，操作步骤与分离式传感器相比需在第一内置式埋入单元31开槽上安装内置式传感器，无需安装垫块单元及传感器外置部分。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。