一種多功能腐蝕監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李平安,孫小進(jìn),羅 堅(jiān)

(湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410200)

一種多功能腐蝕監(jiān)測(cè)無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

李平安*,孫小進(jìn),羅 堅(jiān)

(湖南信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410200)

提出一種基于射頻識(shí)別(RFID)的多功能無(wú)線腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器,應(yīng)用于混凝土的腐蝕情況監(jiān)測(cè)。該傳感器由RFID調(diào)制解調(diào)器、低功率單片機(jī)以及低功率三電極恒電位儀組成,由外部RFID讀寫(xiě)器供電,且能夠進(jìn)行多種參數(shù)測(cè)量,包括線性極化、開(kāi)路電壓、溫度以及電源電壓。該傳感器封裝在一個(gè)尺寸為10.5 cm×4.5 cm×6.2 cm的機(jī)箱內(nèi)。經(jīng)過(guò)混凝土電化學(xué)腐蝕電池測(cè)試,結(jié)果顯示提出傳感器的性能和精度能夠與臺(tái)式恒電位儀(成本較高且體積較大)相媲美,但體積更小。進(jìn)行線性極化測(cè)量時(shí),提出傳感器的實(shí)測(cè)功率損耗為668 μW。

RFID;腐蝕;混凝土;監(jiān)測(cè)

混凝土鋼筋腐蝕是導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早劣化的主要原因之一[1]。早期腐蝕檢測(cè)能夠及時(shí)安排預(yù)防性維護(hù)措施,以便延長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用期限,同時(shí)降低發(fā)生災(zāi)難性故障的可能性。

對(duì)于腐蝕監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō),最好采用無(wú)損檢測(cè)方法,主要分為有線和無(wú)線兩個(gè)種類[2-4],傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)多采用有線傳感器[5]。由于無(wú)線混凝土嵌入腐蝕傳感器無(wú)需使用外露電線,因此相比傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè),無(wú)線腐蝕監(jiān)測(cè)具有更大的優(yōu)勢(shì)?？紤]到大多數(shù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的使用期限為50年～100年,腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器無(wú)法依靠電池供電。但是,無(wú)源傳感器能夠從四周環(huán)境或者通過(guò)電感耦合的外部讀寫(xiě)器收集能量[6-7]。

基于此,本文提出了一種基于RFID的無(wú)源傳感器,適用于監(jiān)測(cè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕情況。該傳感器能夠進(jìn)行線性極化、開(kāi)路電勢(shì)以及溫度測(cè)量,同時(shí)也能夠測(cè)量自身的電源電壓,并將相關(guān)信息傳送至外部讀寫(xiě)器。其電力主要來(lái)自于外部RFID讀寫(xiě)器。該傳感器使用了支持ISO 15693以及ISO 18000通信標(biāo)準(zhǔn)的RFID調(diào)制解調(diào)器。因此,市場(chǎng)上的商用RFID讀寫(xiě)器能夠與傳感器進(jìn)行通信。

與其他無(wú)線腐蝕傳感器不同的是,提出的傳感器與讀寫(xiě)器之間的通信為全數(shù)字化,并使用了循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)以及碰撞檢測(cè),以確保從傳感器讀取的數(shù)據(jù)不受傳輸錯(cuò)誤的影響。通信方式為雙向通信,即能夠?qū)?shù)字指令發(fā)送至傳感器。另外,提出的傳感器還能進(jìn)行多種參數(shù)測(cè)量,如:線性極化、開(kāi)路電壓、溫度以及電源電壓。由于傳感器內(nèi)的單片機(jī)包含芯片上溫度傳感器,無(wú)需額外硬件成本就能夠進(jìn)行溫度測(cè)量。經(jīng)過(guò)混凝土電化學(xué)腐蝕電池測(cè)試,結(jié)果顯示提出傳感器的性能能夠與臺(tái)式恒電位儀(成本較高且體積較大)相媲美。

1 提出傳感器的工作原理

圖1是提出的基于RFID的腐蝕傳感器工作原理圖。為了方便顯示,圖中所示傳感器位于鋼筋條(鋼筋)上方;實(shí)際上,傳感器距混凝土外表面的距離應(yīng)與鋼筋距表面的距離一樣,傳感器讀數(shù)才能與鋼筋一一對(duì)應(yīng)?；炷两Y(jié)構(gòu)在自然條件下會(huì)接觸到氯化物、氧氣和水,這些物質(zhì)能夠通過(guò)混凝土擴(kuò)散從而進(jìn)入鋼筋。如果氯離子進(jìn)入鋼筋,就會(huì)破壞鋼材的鈍化膜,進(jìn)而腐蝕鋼材[8]。氧氣和水能夠推動(dòng)并維持整個(gè)腐蝕過(guò)程。因此,混凝土鋼筋構(gòu)筑的腐蝕是由于混凝土與鋼筋形成的腐蝕電池作用而產(chǎn)生的電化學(xué)腐蝕。

圖1 提出無(wú)線腐蝕傳感器的工作原理圖

該傳感器使用了三電極低功率恒電位儀,用于測(cè)量線性極化。恒電位儀能夠測(cè)量工作電極(WE)與對(duì)電極(CE)之間的電流,但是就參比電極(RE)而言,CE的電勢(shì)經(jīng)常發(fā)生變化。CE是由導(dǎo)電材料制成,所以不會(huì)腐蝕。制成CE的典型材料是碳、鎳和不銹鋼,而本文使用的是碳電極。RE的功能是提供已知穩(wěn)定的參考電勢(shì),本文使用的是氯化銀RE。通過(guò)繪制CE電勢(shì)與WE電流關(guān)系圖可以獲得線性極化曲線。從極化曲線中可提取WE的腐蝕狀態(tài)。如果腐蝕傳感器緊挨鋼筋,通過(guò)WE的腐蝕狀態(tài)能夠較好地預(yù)估鋼筋的腐蝕狀態(tài)。

實(shí)際應(yīng)用中,腐蝕傳感器持續(xù)的時(shí)間應(yīng)該與混凝土結(jié)構(gòu)一樣長(zhǎng),所以傳感器無(wú)法依靠電池供電。電池漏液以及電池充放電循環(huán)次數(shù)有限等問(wèn)題會(huì)降低傳感器的使用期限。但是,本文提出的傳感器是依靠電感耦合供電并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。電感耦合是一種適用于RFID系統(tǒng)的成熟技術(shù)。本文提出的腐蝕傳感器包含一個(gè)RFID調(diào)制解調(diào)器,以便與商用RFID讀寫(xiě)器進(jìn)行通信。

該傳感器同時(shí)包含一個(gè)低功率單片機(jī)(MCU),用于控制恒電位儀并讀取線性極化曲線。極化曲線存儲(chǔ)在電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器(EEPROM)上。EEPROM以及RFID調(diào)制解調(diào)器均被集成在單片機(jī)上。RFID讀寫(xiě)器能夠通過(guò)RFID調(diào)制解調(diào)器訪問(wèn)EEPROM內(nèi)容,并讀取實(shí)測(cè)線性極化曲線。通過(guò)串行端口將RFID讀寫(xiě)器收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至用于分析、顯示極化曲線的計(jì)算機(jī)。

圖2 提出腐蝕傳感器的電路原理圖

2 提出傳感器的設(shè)計(jì)

2.1 電路設(shè)計(jì)

圖2是腐蝕傳感器的電路原理圖。該傳感器是由低功率混合信號(hào)MCU(德州儀器MSP430F2012)、帶有RFID調(diào)制解調(diào)器的雙重存取EEPROM(意法半導(dǎo)體M24LR64)、16 bit數(shù)模轉(zhuǎn)換器(德州儀器DAC8411)、3個(gè)功率運(yùn)算放大器OA1和OA2(德州儀器OPA2369)以及低失調(diào)零點(diǎn)漂移OA3(德州儀器OPA330)組成。

MCU包括8輸入10 bit集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、片內(nèi)基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、溫度傳感器、I2C和SPI串口以及5種節(jié)電模式。MCU通過(guò)RFID調(diào)制解調(diào)器和線圈天線與外部RFID讀寫(xiě)器進(jìn)行通信。由二極管電橋?qū)€圈天線處的交流(AC)電壓進(jìn)行校正,并由低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié),以便使傳感器的電源電壓維持在3.0 V。電容器CT是可變電容器,可將天線調(diào)整至13.56 MHz RFID載波頻率。穩(wěn)壓二極管Z1能夠保護(hù)LDO免受電壓過(guò)載。扼流電感器L1能夠阻止過(guò)高的載波頻率進(jìn)入LDO,以便減少電源噪音。電阻器R1和R2組成了分壓器,所以MCU能夠監(jiān)測(cè)LDO的輸入電壓Vdc,該電壓能夠調(diào)整輸出功率。通過(guò)外部RFID讀寫(xiě)器實(shí)現(xiàn)讀取Vdc。

運(yùn)算放大器OA1～OA3、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以及開(kāi)關(guān)S1組成了三電極恒電位儀,用于進(jìn)行線性極化測(cè)量。為此,首先必須對(duì)腐蝕電池的開(kāi)路電勢(shì)(OCP)進(jìn)行測(cè)量。為了測(cè)量OCP,首先MCU必須開(kāi)啟開(kāi)關(guān)S1,并生成(通過(guò)引腳A4的)基準(zhǔn)電壓Vref=1.5 V。運(yùn)算放大器OA2的虛擬接地效應(yīng)會(huì)將WE電勢(shì)設(shè)置為Vref。通過(guò)ADC引腳A5可以讀取RE電勢(shì)。最后,將RE電勢(shì)減去Vref就能夠計(jì)算出開(kāi)路電壓。

為了測(cè)量線性極化,MCU必須閉合開(kāi)關(guān)S1,輸出基準(zhǔn)電壓Vref,并預(yù)先確定DAC輸出下列電壓:

(1)

斜率變量控制著線性極化測(cè)量的方向。可以通過(guò)RFID接口改變斜率變量的增長(zhǎng)率以及點(diǎn)數(shù)。對(duì)于斜率變量中的每個(gè)點(diǎn)而言,利用內(nèi)部ADC和MCU能夠讀取到運(yùn)算放大器OA2的輸出電壓VOA2。通過(guò)讀取Icell流經(jīng)電感Rfb時(shí)生成的電壓,可測(cè)量出流經(jīng)WE的電流Icell,關(guān)系式如式(2):

(2)

電容器Cfb(與Rfb并聯(lián))主要用于過(guò)濾出線性極化數(shù)值中的高頻噪音。為了進(jìn)一步降低數(shù)值中的噪音,極化曲線上的每個(gè)點(diǎn)需讀取64次,并記錄其平均值。此方法同樣也適用于測(cè)量OCP。

2.2 通信設(shè)計(jì)

能夠進(jìn)行RFID通信的元件是雙接口EEPROM。該EEPROM集成了RFID調(diào)制解調(diào)器,能夠在13.56 MHz運(yùn)行,并支持ISO 15693和ISO 18000 RFID通信標(biāo)準(zhǔn)。同樣也能夠通過(guò)I2C端口對(duì)EEPROM進(jìn)行訪問(wèn)。通過(guò)I2C端口,MCU能夠讀寫(xiě)EEPROM的內(nèi)容。所以,外部RFID讀寫(xiě)器以及MCU通過(guò)讀寫(xiě)能夠與雙接口EEPROM的特定位置交換數(shù)據(jù)。

為將指令發(fā)送至MCU,RFID讀寫(xiě)器會(huì)在EEPROM位置0000h寫(xiě)入1 byte。MCU每秒都會(huì)讀取位置0000h。如果編寫(xiě)了新的指令,MCU會(huì)繼續(xù)執(zhí)行該指令。如果指令執(zhí)行結(jié)束,MCU會(huì)判斷提示IDLEbit向讀寫(xiě)器發(fā)送信號(hào):指令已執(zhí)行。如果未執(zhí)行指令,MCU會(huì)進(jìn)入低功率模式以減少功率損耗。

MCU能夠執(zhí)行的指令包括測(cè)量線性極化、讀取OCP、讀取溫度以及讀取電源電壓Vdc。測(cè)量結(jié)果存儲(chǔ)在預(yù)定義的內(nèi)存位置,能夠通過(guò)RFID讀寫(xiě)器進(jìn)行讀取。極化曲線數(shù)據(jù)存貯在多個(gè)數(shù)據(jù)塊(32 byte)中,每個(gè)數(shù)據(jù)塊均具有一個(gè)CRC以及碰撞數(shù)據(jù)字段。如果CRC檢查失敗或者檢測(cè)出碰撞,則會(huì)再一次讀取數(shù)據(jù)塊,直至CRC檢查正確并且未檢測(cè)出碰撞。此錯(cuò)誤檢測(cè)機(jī)制能夠確保傳感器的數(shù)據(jù)不受傳輸錯(cuò)誤的影響。

3 功率損耗和電感耦合分析

本文對(duì)腐蝕傳感器各個(gè)元件的電流損耗進(jìn)行了測(cè)量。在空閑狀態(tài)下(等待外部讀寫(xiě)器發(fā)送指令),傳感器的平均電流損耗為100.2 μA。當(dāng)傳感器進(jìn)行線性極化測(cè)量時(shí),平均電流損耗最大即225.2 μA。

表1是腐蝕傳感器各個(gè)元件的電流損耗,用百分比表示。當(dāng)基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路開(kāi)啟并且輸出已發(fā)送至MCU外部時(shí),電流損耗最大。使用(MCU外部的)離散基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路能夠進(jìn)一步降低傳感器的電流損耗。

表1 提出傳感器中元件的實(shí)測(cè)電流損耗(用百分比表示)

圖3 提出傳感器與RFID讀寫(xiě)器之間電感耦合的等效電路

使用文獻(xiàn)[6]提出的方法對(duì)電感耦合鏈路進(jìn)行分析。圖3是傳感器與RFID讀寫(xiě)器之間電感耦合的等效電路。

利用電感L1模擬讀寫(xiě)器天線。Rs1會(huì)模擬與電源電壓vp輸出電阻串聯(lián)的L1電阻。同樣地,利用帶有串聯(lián)電阻Rs2的電感器L2模擬傳感器線圈天線。電容器C2會(huì)模擬與傳感器天線并聯(lián)的電容,其中包括調(diào)諧電容和RFID調(diào)制解調(diào)器的輸入電容。

(3)

反過(guò)來(lái),利用等效AC負(fù)載Rac能夠模擬整流器以及DC負(fù)載Rdc,如圖4所示。這表明,通過(guò)能夠獲得等效AC負(fù)載Rac[10-11]:

(4)

式中:Vdiode表示電壓整流橋中二極管兩端的電壓降落。將式(3)代入式(4)后得出:

(5)

圖4 AC負(fù)載的等效電路

為了簡(jiǎn)化圖4中的電路分析,使用非耦合電感器L1(1-k2)和L2(1-k)替代雙向耦合電感,如圖5所示。

圖5 帶有非耦合電感的等效電路

若給出vp值,通過(guò)迭代的方式可以解出式(7)和式(8)。不超過(guò)50次迭代之后,v1和v2就會(huì)收斂。根據(jù)圖5中的等效電路,v1和v2的表達(dá)式可表示為:

(6)

(7)

式中:k表示天線之間的耦合系數(shù),可表示為:

(8)

(9)

4 傳感器具體實(shí)現(xiàn)與測(cè)試設(shè)置

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了提出傳感器,圖6是帶有所有傳感器元件的印刷電路板(PCB)。PCB尺寸(包括安裝元件在內(nèi))為4.5cm×2.5cm×1.6cm。PCB包括一個(gè)三針接頭,可將3個(gè)電極連接在電路板上。

圖6 提出的無(wú)線腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器電路板

圖7 利用框架結(jié)構(gòu)組裝的腐蝕傳感器

WE是用一段鋼筋制成。對(duì)該鋼筋進(jìn)行加工之后,制作出尺寸為1.3 cm×0.5 cm×1.0 cm的工作電極。利用導(dǎo)電環(huán)氧樹(shù)脂將電線與工作電極相連。CE是采用尺寸為1.5 cm×0.5 cm×1.5 cm的碳電極制成。RE為銀/氯化銀電極,其電極元件為99.9%純銀電線。

制作了PCB、電極以及天線的框架結(jié)構(gòu)。圖7是整體框架結(jié)構(gòu),附有腐蝕傳感器的各種元件。工作電極與對(duì)電極面對(duì)面,以便創(chuàng)建一個(gè)直流路徑。工作電極的外露面積為0.55 cm2。通過(guò)在結(jié)構(gòu)四周纏繞上28 AWG電磁線,完成傳感器天線制作。經(jīng)過(guò)測(cè)量,傳感器天線的電感為3.9 μH。框架結(jié)構(gòu)外是一個(gè)蓋子,蓋子內(nèi)部鍍有鐵氧體片,可將傳感器電子元件與經(jīng)過(guò)RFID讀寫(xiě)器輻射的區(qū)域隔開(kāi),從而使感應(yīng)噪音降到最小。整體體積為11.8 cm×4 cm×5.6 cm。

5 測(cè)量結(jié)果與分析

5.1 等效電路有效性驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證等效電路有效性,利用厚度為3 cm的混凝土磚,將讀寫(xiě)器與傳感器線圈天線隔開(kāi)后,進(jìn)行了多次測(cè)量。對(duì)測(cè)量設(shè)置的耦合系數(shù)k進(jìn)行了預(yù)估,即0.762。圖8是Vdc的實(shí)測(cè)值以及(L1=400 nH,L2=3.9 μH,C2=35 pF,Rload=20k,Rs1=50.8 Ω,Rs2=0.5Ω,Vload=3.0 V以及ω=2π×13.56×106條件下)根據(jù)等效電路預(yù)測(cè)的數(shù)值。由圖8可看出,測(cè)量結(jié)果與等效電路估計(jì)值結(jié)果十分吻合,這表明:如果想要獲得3.1 V及以上Vdc電壓(LDO跌落電壓約為0.1 V),vp的幅度應(yīng)至少為4.4 Vpp。對(duì)于不同的混凝土厚度,可再次對(duì)耦合系數(shù)進(jìn)行測(cè)量,通過(guò)等效電路計(jì)算出讀寫(xiě)器的最小輸出電壓。

圖8 讀寫(xiě)器輸出電壓vp變化時(shí)的實(shí)測(cè)和估計(jì)Vdc

5.2 耦合系數(shù)測(cè)量

為了測(cè)量耦合系數(shù)k,將讀寫(xiě)器天線和傳感器天線放置在厚度為3cm的混凝土磚兩側(cè)進(jìn)行測(cè)試。讀寫(xiě)器天線與函數(shù)發(fā)生器相連,而傳感器天線與示波器相連。

函數(shù)發(fā)生器用于生成正弦曲線,頻率為13.56MHz,幅度為U1=1V。利用示波器測(cè)量出傳感器天線的感應(yīng)電壓幅度U2。然后,通過(guò)下列等式計(jì)算出耦合系數(shù)[12]:

(10)

式中:γ表示校正因數(shù),可表示為:

(11)

如果Cp=10pF并且實(shí)測(cè)值U2=2.87V,根據(jù)式(10)和式(11)可得出耦合系數(shù)k=0.762。該數(shù)值表明天線之間的耦合較強(qiáng)。

5.3 混凝土腐蝕電池作用測(cè)量

計(jì)算機(jī)(PC)通過(guò)串口與RFID讀寫(xiě)器相連。如果檢測(cè)出CRC或者碰撞錯(cuò)誤,GUI會(huì)自動(dòng)重試上一個(gè)讀/寫(xiě)運(yùn)行,以保證從傳感器收集到的數(shù)據(jù)不受傳輸錯(cuò)誤的影響。

通常,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)會(huì)在使用幾年之后出現(xiàn)腐蝕。本文進(jìn)行了加速測(cè)試,以便評(píng)估幾天后混凝土介質(zhì)中腐蝕傳感器的性能。利用基于混凝土的腐蝕電池,進(jìn)行電化學(xué)腐蝕測(cè)試。利用預(yù)先攪拌的混凝土配置混凝土樣品。該樣品放置在3%(容重)的NaCl溶液內(nèi)。

由于混凝土樣品的體積較小,氯離子能夠在幾天內(nèi)快速擴(kuò)散至誘發(fā)腐蝕的工作電極內(nèi)。連續(xù)24d(天)利用研發(fā)的傳感器以及精密臺(tái)式恒電位儀(VersaSTAT3)對(duì)基于混凝土的腐蝕電池進(jìn)行線性極化測(cè)量。為此,需移除傳感器蓋,電極應(yīng)與PCB斷開(kāi)連接,與臺(tái)式恒電位儀相連。

利用獲得的線性極化曲線計(jì)算出極化電阻。圖9是通過(guò)極化曲線計(jì)算出的極化電阻,極化曲線是利用臺(tái)式恒電位儀以及研發(fā)的RFID傳感器所獲。由圖9可以看出,從傳感器獲得的數(shù)據(jù)與臺(tái)式恒電位儀十分吻合,這表明:第8d(天)的腐蝕十分活躍,其特點(diǎn)是極化電阻大幅減少。

圖9 根據(jù)線性極化曲線計(jì)算出的極化電阻

圖10 利用臺(tái)式恒電位儀以及研發(fā)的RFID 傳感器測(cè)量出的OCP

圖10是傳感器以及臺(tái)式恒電位儀讀取的OCP。由圖10可看出,兩組數(shù)值十分吻合。在第7 d(天),OCP低于-0.234 V,這表明:腐蝕十分活躍(利用銀/氯化銀電極測(cè)得的-0.234 V)。因此,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C876(混凝土半電池電壓測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn))可知,第7天之后出現(xiàn)腐蝕的可能性高于90%。但是,第15天之后,OCP開(kāi)始穩(wěn)步增加。結(jié)合極化電阻測(cè)量和OCP讀數(shù)結(jié)果,可以更加精確地展示腐蝕過(guò)程。

5.4 精確度測(cè)量

提出的傳感器也能夠測(cè)量溫度。利用從傳感器獲得的溫度信息能夠作為OCP以及線性極化讀數(shù)的補(bǔ)充,并且有助于徹底了解導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)腐蝕的條件。

通過(guò)測(cè)試對(duì)RFID腐蝕傳感器的測(cè)量不確定度進(jìn)行了評(píng)估。利用RFID傳感器以及混凝土腐蝕電池對(duì)COP、溫度反復(fù)進(jìn)行了測(cè)量。根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出了平均不確定度以及標(biāo)準(zhǔn)不確定度,其中,標(biāo)準(zhǔn)不確定度等于測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

表2 OCP測(cè)量結(jié)果的平均不確定度以及標(biāo)準(zhǔn)不確定度

提出傳感器內(nèi)的單片機(jī)MSP430F201具有一個(gè)與內(nèi)部ADC相連的偏上溫度傳感器。在傳感器固件上編寫(xiě)了溫度讀取指令。如果讀寫(xiě)器接收到了該指令,MCU會(huì)讀取片上溫度傳感器的輸出,并將結(jié)果存儲(chǔ)在EEPROM上預(yù)定義的位置。嵌入式溫度傳感器的線性響應(yīng)范圍為-50 ℃～100 ℃[6]。因此,溫度傳感器輸出電壓Vtemp與溫度T之間的關(guān)系式可表示為:

T=G·Vtemp++T

(12)

式中:G和Toff分別表示傳感器的增益和偏置。為了校準(zhǔn)溫度傳感器并求出G和Toff,利用RFID傳感器以及OMEGAHH804U高精度溫度計(jì)測(cè)量3個(gè)不同溫度點(diǎn)的溫度。分別在室溫條件下、標(biāo)稱溫度為4 ℃的冷室和標(biāo)稱溫度為38 ℃的熱室內(nèi)收集測(cè)量結(jié)果。在每個(gè)溫度點(diǎn)上,以每秒一個(gè)樣品的速度收集100個(gè)測(cè)量結(jié)果。根據(jù)(傳感器的)Vtemp平均值以及(高精度溫度計(jì)的)T,利用最小二乘多項(xiàng)式擬合求出G=281.78 ℃/V以及Toff=-281.8 ℃。

表3 溫度測(cè)量結(jié)果的平均不確定度和標(biāo)準(zhǔn)不確定度

6 結(jié)論

本文提出了一種基于射頻識(shí)別(RFID)的多功能無(wú)線腐蝕監(jiān)測(cè)無(wú)源傳感器。該傳感器能夠進(jìn)行線性極化、開(kāi)路電勢(shì)以及溫度測(cè)量。由外部RFID讀寫(xiě)器供電。電子線路和3個(gè)電極均封裝在一個(gè)尺寸為11.8 cm×4 cm×5.6 cm的機(jī)箱內(nèi)。根據(jù)從傳感器獲得的線性極化電阻測(cè)量結(jié)果表明,該傳感器性能與臺(tái)式恒電位儀(成本較高且體積較大)十分相似,但是體積更小,可以通過(guò)倒填充孔安裝在現(xiàn)有的混凝土結(jié)構(gòu)中。另外也對(duì)提出傳感器的測(cè)量不確定度進(jìn)行了分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬l(fā)現(xiàn),基于RFID的傳感器測(cè)量精度能夠與精密的臺(tái)式儀器相媲美。

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Design and Implementation of a Multi-Function Corrosion Monitoring Wireless Sensor*

LIPingan*,SUNXiaojin,LUOJian

(School of Electronic Engineering,Hunan College of Information,Changsha 410200,China)

Based on the radio frequency identification(RFID),a multi-function wireless corrosion monitoring sensor is proposed,which is suitable for the corrosion monitoring of concrete. The sensor consists of RFID modem,low power microcontroller and low power three electrode potentiostat,it is mainly composed of an external RFID reading and writing device to supply power,and can be used to measure multiple parameters,including linear polarization,open circuit voltage,temperature and supply voltage. The sensor is packaged in a case with a size of 10.5 cm×4.5 cm×6.2 cm. The test results show that the performance and precision of the sensor can be comparable to that of the desktop constant potential meter(high cost and large volume). When the linear polarization measurement is carried out,the measured power loss of the sensor is 668 μW.

RFID;corrosion;concrete;monitoring

項(xiàng)目來(lái)源:湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(15C0983,15C0978)

2016-05-16 修改日期:2016-07-07

TP212.9

A

1005-9490(2017)03-0766-07

C:7230;7320T

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.049