钢筋锈蚀电磁检测系统设计探讨

摘要：针对输电铁塔基础中钢筋锈蚀检测问题，考虑到传统检测方法存在损坏基础结构、电源续航短等缺点，设计了一种基于电磁检测的无源、无引线埋入式传感器系统。该系统依据ＬＣ振荡电路的原理，在铁塔基础的钢筋混凝土结构中预埋入钢丝，然后通过检测其锈蚀断裂的信号来检测铁塔基础中钢筋锈蚀情况。

关键词：电磁检测技术；钢筋锈蚀；铁塔基础；传感器

输电铁塔的基础为钢筋混凝土结构，主要起到抵抗塔体倾覆的作用［１］。基础中钢筋锈蚀是输电线路结构常见的破坏情况之一，直接威胁电网的安全稳定运行［２］。钢筋锈蚀会严重影响混凝土的耐久性，大大缩短输电铁塔的服役年限，目前此问题一直得不到有效解决，至今因基础中钢筋锈蚀而引发的倒杆等事故屡见不鲜［３］。现在使用比较广泛的有源、有引线传感器在安装过程中可能对混凝土结构造成破坏，且电源续航时间短，难以满足现代输电线路运维的要求。为了实现对输电铁塔基础中钢筋腐蚀的长期在线无损检测，本文依据ＬＣ振荡电路的原理，设计了一种基于电磁检测技术的无源、无引线钢筋锈蚀检测系统，此系统简单实用、稳定性较高，比较适用于输电线路的长期在线检测。

１电磁检测技术原理

电磁检测技术主要基于ＬＣ振荡电路原理，主系统由埋入式传感器、外部检测电路等模块组成，工作时由埋入式传感器检测混凝土中钢筋锈蚀的情况，将传感器电路的频率变化信号通过电磁耦合传送给外部检测电路。ＬＣ振荡电路由传感器电路（主要包括ＬＣ振荡电路与钢筋等效物）与外部检测电路（主要包括读取电感与信号发生电路）两个模块构成。工作原理简述如下：信号发生电路发出信号作用在读取电感上，使之生成变化的磁场，当交变磁场的频率和ＬＣ振荡电路的谐振频率相同时，读取电感阻抗最小，这样通过测定读取电感阻抗的最小值就能判断ＬＣ振荡电路的频率，原理图如图１所示由图１可知，线圈Ｌ１中变化的电流Ｉ１产生了变化的磁通量ｄΦｉ／ｄｔ，由电磁感应原理可知，在有变化的磁通量通过的线圈Ｌ２中会生成感应电压Ｕ２［４］，这样就实现了传感器的无源供电。不过此电路的效率不高，为了解决这个问题，可在Ｌ２上并联一个电容Ｃ，这样就形成并联振荡回路，此回路的固有频率通过汤姆逊公式可得出根据以上分析可得出：０＜ω＜ωｏｐ时，Ｚ显感性，｜Ｚ｜随ω的增大而增大；ω＝ωｏｐ时，Ｚ显纯阻性，｜Ｚ｜为极大值；ωｏｐ＜ω＜ωｏｓ时，Ｚ显容性，｜Ｚ｜随ω的增大而减小；ω＝ωｏｓ时，Ｚ＝１，｜Ｚ｜为极小值；ω＞ωｏｓ时，Ｚ显感性，｜Ｚ｜随ω的增大而增大。

２系统方案设计

在实际应用中，传感器要提前埋进混凝土里。本设计把钢筋等效物———钢丝并联一个电容，然后与图１所示的电路结合起来使用，就可对钢筋的锈蚀状态进行检测，电路原理图如图３所示。图３右边电路是预埋进混凝土中的传感器电路，传感器埋入混凝土前要对其实施封装，而钢丝要放置在钢筋附近，所以不必对其进行封装。左边电路是外部检测电路，固定于混凝土的表面，用来检测传感器发出的谐振频率。因为钢丝就埋在钢筋附近，其所处的环境相同，所以会同时发生锈蚀，当锈蚀到一定程度，钢丝断裂，此钢丝所在的回路断开，电路的总电容发生变化，导致电路谐振频率改变（钢丝没有断裂时，谐振频率低，相反钢丝已经断裂时，谐振频率高），这样就达到了基础混凝土中钢筋锈蚀信号无线检测的目的。

３仿真实验与分析

本文以图３所示电路原理图为基础，采用ＮＩＭｕｌｔｉｓｉｍ软件搭建了模拟电路，如图４所示。用如图４所示的电路图进行仿真，模拟实际中钢筋的锈蚀过程。刚开始钢筋没有发生锈蚀，然后钢筋开始慢慢锈蚀，随着锈蚀程度逐渐严重，钢丝断开，在此电路中就以断开电阻Ｒ３来代替，这样与Ｒ３相对应的电容所在的支路也断开。然后只需对Ｒ３是否断开这两种状态进行仿真就可得到读取线圈两端电压的幅频特性曲线，通过观察和分析谐振频率的变化，就能判断钢筋的锈蚀情况。在这里设置读取线圈和传感器线圈的电感都为１５０μＨ，线圈之间的耦合系数Ｍ为０．６，仿真结果如图５所示。由图５可知，随着钢丝锈蚀程度的逐渐加深，电路的谐振频率逐渐增大，和上文分析相符，说明本文设计的电路是可行的。

４结语

本文运用ＬＣ振荡电路的电磁耦合原理设计的输电铁塔基础的钢筋锈蚀检测系统，具有无源无引线的特点，大大地节约了安装成本及后期维修费用。但是此设计只能判断钢筋是否开始锈蚀，目前不能检测钢筋的锈蚀程度，为了克服这个难题，有待进一步研究。

参考文献

［１］李鸿飞．铁塔基础施工质量控制及验收评定分析应用研究［Ｊ］．四川水泥，２０２１（５）：１３１－１３２．

［２］杨芒生，黎凯旻，郭兆华，等．输电线路铁塔基础结构钢筋锈蚀参数监测分析［Ｊ］．土工基础，２０１９，３３（１）：８７－９０．

［３］夏宁，于孝民，任青文．混凝土结构耐久性研究现状［Ｊ］．水利水电科技进展，２００５（４）：６３－６６，７０．

［４］张耀超，胡志忠，吴瑾．混凝土中钢筋腐蚀监测无线传感器节点的设计［Ｊ］．信息化研究，２０１１（１）：２４－２７．

［５］邵元超．基于无线传感网的混凝土钢筋腐蚀检测技术研究［Ｄ］．南京：南京航空航天大学，２０１２．

作者：刘云飞 卢银均 刘智 李勇志 鲁彦 张笑尘 裴思棋 马欣玥 单位：国网湖北省电力有限公司荆门供电公司