一種多功能腐蝕監測無線傳感器設計與實現*

李平安,孫小進,羅 堅

(湖南信息職業技術學院 電子工程學院,長沙 410200)

一種多功能腐蝕監測無線傳感器設計與實現*

李平安*,孫小進,羅 堅

(湖南信息職業技術學院 電子工程學院,長沙 410200)

提出一種基于射頻識別(RFID)的多功能無線腐蝕監測傳感器,應用于混凝土的腐蝕情況監測。該傳感器由RFID調制解調器、低功率單片機以及低功率三電極恒電位儀組成,由外部RFID讀寫器供電,且能夠進行多種參數測量,包括線性極化、開路電壓、溫度以及電源電壓。該傳感器封裝在一個尺寸為10.5 cm×4.5 cm×6.2 cm的機箱內。經過混凝土電化學腐蝕電池測試,結果顯示提出傳感器的性能和精度能夠與臺式恒電位儀(成本較高且體積較大)相媲美,但體積更小。進行線性極化測量時,提出傳感器的實測功率損耗為668 μW。

RFID;腐蝕;混凝土;監測

混凝土鋼筋腐蝕是導致混凝土結構過早劣化的主要原因之一[1]。早期腐蝕檢測能夠及時安排預防性維護措施,以便延長混凝土結構的使用期限,同時降低發生災難性故障的可能性。

對于腐蝕監測來說,最好采用無損檢測方法,主要分為有線和無線兩個種類[2-4],傳統的監測多采用有線傳感器[5]。由于無線混凝土嵌入腐蝕傳感器無需使用外露電線,因此相比傳統的有線監測,無線腐蝕監測具有更大的優勢?？紤]到大多數鋼筋混凝土結構的使用期限為50年～100年,腐蝕監測傳感器無法依靠電池供電。但是,無源傳感器能夠從四周環境或者通過電感耦合的外部讀寫器收集能量[6-7]。

基于此,本文提出了一種基于RFID的無源傳感器,適用于監測鋼筋混凝土結構的腐蝕情況。該傳感器能夠進行線性極化、開路電勢以及溫度測量,同時也能夠測量自身的電源電壓,并將相關信息傳送至外部讀寫器。其電力主要來自于外部RFID讀寫器。該傳感器使用了支持ISO 15693以及ISO 18000通信標準的RFID調制解調器。因此,市場上的商用RFID讀寫器能夠與傳感器進行通信。

與其他無線腐蝕傳感器不同的是,提出的傳感器與讀寫器之間的通信為全數字化,并使用了循環冗余校驗(CRC)以及碰撞檢測,以確保從傳感器讀取的數據不受傳輸錯誤的影響。通信方式為雙向通信,即能夠將數字指令發送至傳感器。另外,提出的傳感器還能進行多種參數測量,如:線性極化、開路電壓、溫度以及電源電壓。由于傳感器內的單片機包含芯片上溫度傳感器,無需額外硬件成本就能夠進行溫度測量。經過混凝土電化學腐蝕電池測試,結果顯示提出傳感器的性能能夠與臺式恒電位儀(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;實際上,傳感器距混凝土外表面的距離應與鋼筋距表面的距離一樣,傳感器讀數才能與鋼筋一一對應?；炷两Y構在自然條件下會接觸到氯化物、氧氣和水,這些物質能夠通過混凝土擴散從而進入鋼筋。如果氯離子進入鋼筋,就會破壞鋼材的鈍化膜,進而腐蝕鋼材[8]。氧氣和水能夠推動并維持整個腐蝕過程。因此,混凝土鋼筋構筑的腐蝕是由于混凝土與鋼筋形成的腐蝕電池作用而產生的電化學腐蝕。

圖1 提出無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,用于測量線性極化。恒電位儀能夠測量工作電極(WE)與對電極(CE)之間的電流,但是就參比電極(RE)而言,CE的電勢經常發生變化。CE是由導電材料制成,所以不會腐蝕。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定的參考電勢,本文使用的是氯化銀RE。通過繪制CE電勢與WE電流關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。如果腐蝕傳感器緊挨鋼筋,通過WE的腐蝕狀態能夠較好地預估鋼筋的腐蝕狀態。

實際應用中,腐蝕傳感器持續的時間應該與混凝土結構一樣長,所以傳感器無法依靠電池供電。電池漏液以及電池充放電循環次數有限等問題會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行數據通信。電感耦合是一種適用于RFID系統的成熟技術。本文提出的腐蝕傳感器包含一個RFID調制解調器,以便與商用RFID讀寫器進行通信。

該傳感器同時包含一個低功率單片機(MCU),用于控制恒電位儀并讀取線性極化曲線。極化曲線存儲在電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)上。EEPROM以及RFID調制解調器均被集成在單片機上。RFID讀寫器能夠通過RFID調制解調器訪問EEPROM內容,并讀取實測線性極化曲線。通過串行端口將RFID讀寫器收集的數據發送至用于分析、顯示極化曲線的計算機。

圖2 提出腐蝕傳感器的電路原理圖

2 提出傳感器的設計

2.1 電路設計

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MCU(德州儀器MSP430F2012)、帶有RFID調制解調器的雙重存取EEPROM(意法半導體M24LR64)、16 bit數模轉換器(德州儀器DAC8411)、3個功率運算放大器OA1和OA2(德州儀器OPA2369)以及低失調零點漂移OA3(德州儀器OPA330)組成。

MCU包括8輸入10 bit集成模數轉換器(ADC)、片內基準電壓發生器、溫度傳感器、I2C和SPI串口以及5種節電模式。MCU通過RFID調制解調器和線圈天線與外部RFID讀寫器進行通信。由二極管電橋對線圈天線處的交流(AC)電壓進行校正,并由低壓差線性穩壓器(LDO)對其進行調節,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,可將天線調整至13.56 MHz RFID載波頻率。穩壓二極管Z1能夠保護LDO免受電壓過載。扼流電感器L1能夠阻止過高的載波頻率進入LDO,以便減少電源噪音。電阻器R1和R2組成了分壓器,所以MCU能夠監測LDO的輸入電壓Vdc,該電壓能夠調整輸出功率。通過外部RFID讀寫器實現讀取Vdc。

運算放大器OA1～OA3、數模轉換器(DAC)以及開關S1組成了三電極恒電位儀,用于進行線性極化測量。為此,首先必須對腐蝕電池的開路電勢(OCP)進行測量。為了測量OCP,首先MCU必須開啟開關S1,并生成(通過引腳A4的)基準電壓Vref=1.5 V。運算放大器OA2的虛擬接地效應會將WE電勢設置為Vref。通過ADC引腳A5可以讀取RE電勢。最后,將RE電勢減去Vref就能夠計算出開路電壓。

為了測量線性極化,MCU必須閉合開關S1,輸出基準電壓Vref,并預先確定DAC輸出下列電壓:

(1)

斜率變量控制著線性極化測量的方向?？梢酝ㄟ^RFID接口改變斜率變量的增長率以及點數。對于斜率變量中的每個點而言,利用內部ADC和MCU能夠讀取到運算放大器OA2的輸出電壓VOA2。通過讀取Icell流經電感Rfb時生成的電壓,可測量出流經WE的電流Icell,關系式如式(2):

(2)

電容器Cfb(與Rfb并聯)主要用于過濾出線性極化數值中的高頻噪音。為了進一步降低數值中的噪音,極化曲線上的每個點需讀取64次,并記錄其平均值。此方法同樣也適用于測量OCP。

2.2 通信設計

能夠進行RFID通信的元件是雙接口EEPROM。該EEPROM集成了RFID調制解調器,能夠在13.56 MHz運行,并支持ISO 15693和ISO 18000 RFID通信標準。同樣也能夠通過I2C端口對EEPROM進行訪問。通過I2C端口,MCU能夠讀寫EEPROM的內容。所以,外部RFID讀寫器以及MCU通過讀寫能夠與雙接口EEPROM的特定位置交換數據。

為將指令發送至MCU,RFID讀寫器會在EEPROM位置0000h寫入1 byte。MCU每秒都會讀取位置0000h。如果編寫了新的指令,MCU會繼續執行該指令。如果指令執行結束,MCU會判斷提示IDLEbit向讀寫器發送信號:指令已執行。如果未執行指令,MCU會進入低功率模式以減少功率損耗。

MCU能夠執行的指令包括測量線性極化、讀取OCP、讀取溫度以及讀取電源電壓Vdc。測量結果存儲在預定義的內存位置,能夠通過RFID讀寫器進行讀取。極化曲線數據存貯在多個數據塊(32 byte)中,每個數據塊均具有一個CRC以及碰撞數據字段。如果CRC檢查失敗或者檢測出碰撞,則會再一次讀取數據塊,直至CRC檢查正確并且未檢測出碰撞。此錯誤檢測機制能夠確保傳感器的數據不受傳輸錯誤的影響。

3 功率損耗和電感耦合分析

本文對腐蝕傳感器各個元件的電流損耗進行了測量。在空閑狀態下(等待外部讀寫器發送指令),傳感器的平均電流損耗為100.2 μA。當傳感器進行線性極化測量時,平均電流損耗最大即225.2 μA。

表1是腐蝕傳感器各個元件的電流損耗,用百分比表示。當基準電壓產生電路開啟并且輸出已發送至MCU外部時,電流損耗最大。使用(MCU外部的)離散基準電壓產生電路能夠進一步降低傳感器的電流損耗。

表1 提出傳感器中元件的實測電流損耗(用百分比表示)

圖3 提出傳感器與RFID讀寫器之間電感耦合的等效電路

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

利用電感L1模擬讀寫器天線。Rs1會模擬與電源電壓vp輸出電阻串聯的L1電阻。同樣地,利用帶有串聯電阻Rs2的電感器L2模擬傳感器線圈天線。電容器C2會模擬與傳感器天線并聯的電容,其中包括調諧電容和RFID調制解調器的輸入電容。

(3)

反過來,利用等效AC負載Rac能夠模擬整流器以及DC負載Rdc,如圖4所示。這表明,通過能夠獲得等效AC負載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負載的等效電路

為了簡化圖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,通過迭代的方式可以解出式(7)和式(8)。不超過50次迭代之后,v1和v2就會收斂。根據圖5中的等效電路,v1和v2的表達式可表示為:

(6)

(7)

式中:k表示天線之間的耦合系數,可表示為:

(8)

(9)

4 傳感器具體實現與測試設置

本文設計并實現了提出傳感器,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)為4.5cm×2.5cm×1.6cm。PCB包括一個三針接頭,可將3個電極連接在電路板上。

圖6 提出的無線腐蝕監測傳感器電路板

圖7 利用框架結構組裝的腐蝕傳感器

WE是用一段鋼筋制成。對該鋼筋進行加工之后,制作出尺寸為1.3 cm×0.5 cm×1.0 cm的工作電極。利用導電環氧樹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構。圖7是整體框架結構,附有腐蝕傳感器的各種元件。工作電極與對電極面對面,以便創建一個直流路徑。工作電極的外露面積為0.55 cm2。通過在結構四周纏繞上28 AWG電磁線,完成傳感器天線制作。經過測量,傳感器天線的電感為3.9 μH。框架結構外是一個蓋子,蓋子內部鍍有鐵氧體片,可將傳感器電子元件與經過RFID讀寫器輻射的區域隔開,從而使感應噪音降到最小。整體體積為11.8 cm×4 cm×5.6 cm。

5 測量結果與分析

5.1 等效電路有效性驗證結果

為了驗證等效電路有效性,利用厚度為3 cm的混凝土磚,將讀寫器與傳感器線圈天線隔開后,進行了多次測量。對測量設置的耦合系數k進行了預估,即0.762。圖8是Vdc的實測值以及(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)根據等效電路預測的數值。由圖8可看出,測量結果與等效電路估計值結果十分吻合,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的幅度應至少為4.4 Vpp。對于不同的混凝土厚度,可再次對耦合系數進行測量,通過等效電路計算出讀寫器的最小輸出電壓。

圖8 讀寫器輸出電壓vp變化時的實測和估計Vdc

5.2 耦合系數測量

為了測量耦合系數k,將讀寫器天線和傳感器天線放置在厚度為3cm的混凝土磚兩側進行測試。讀寫器天線與函數發生器相連,而傳感器天線與示波器相連。

函數發生器用于生成正弦曲線,頻率為13.56MHz,幅度為U1=1V。利用示波器測量出傳感器天線的感應電壓幅度U2。然后,通過下列等式計算出耦合系數[12]:

(10)

式中:γ表示校正因數,可表示為:

(11)

如果Cp=10pF并且實測值U2=2.87V,根據式(10)和式(11)可得出耦合系數k=0.762。該數值表明天線之間的耦合較強。

5.3 混凝土腐蝕電池作用測量

計算機(PC)通過串口與RFID讀寫器相連。如果檢測出CRC或者碰撞錯誤,GUI會自動重試上一個讀/寫運行,以保證從傳感器收集到的數據不受傳輸錯誤的影響。

通常,鋼筋混凝土結構會在使用幾年之后出現腐蝕。本文進行了加速測試,以便評估幾天后混凝土介質中腐蝕傳感器的性能。利用基于混凝土的腐蝕電池,進行電化學腐蝕測試。利用預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。

由于混凝土樣品的體積較小,氯離子能夠在幾天內快速擴散至誘發腐蝕的工作電極內。連續24d(天)利用研發的傳感器以及精密臺式恒電位儀(VersaSTAT3)對基于混凝土的腐蝕電池進行線性極化測量。為此,需移除傳感器蓋,電極應與PCB斷開連接,與臺式恒電位儀相連。

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

圖9 根據線性極化曲線計算出的極化電阻

圖10 利用臺式恒電位儀以及研發的RFID 傳感器測量出的OCP

圖10是傳感器以及臺式恒電位儀讀取的OCP。由圖10可看出,兩組數值十分吻合。在第7 d(天),OCP低于-0.234 V,這表明:腐蝕十分活躍(利用銀/氯化銀電極測得的-0.234 V)。因此,根據標準ASTM C876(混凝土半電池電壓測試方法標準)可知,第7天之后出現腐蝕的可能性高于90%。但是,第15天之后,OCP開始穩步增加。結合極化電阻測量和OCP讀數結果,可以更加精確地展示腐蝕過程。

5.4 精確度測量

提出的傳感器也能夠測量溫度。利用從傳感器獲得的溫度信息能夠作為OCP以及線性極化讀數的補充,并且有助于徹底了解導致混凝土結構出現腐蝕的條件。

通過測試對RFID腐蝕傳感器的測量不確定度進行了評估。利用RFID傳感器以及混凝土腐蝕電池對COP、溫度反復進行了測量。根據測量結果計算出了平均不確定度以及標準不確定度,其中,標準不確定度等于測量結果的標準偏差。

表2 OCP測量結果的平均不確定度以及標準不確定度

提出傳感器內的單片機MSP430F201具有一個與內部ADC相連的偏上溫度傳感器。在傳感器固件上編寫了溫度讀取指令。如果讀寫器接收到了該指令,MCU會讀取片上溫度傳感器的輸出,并將結果存儲在EEPROM上預定義的位置。嵌入式溫度傳感器的線性響應范圍為-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高精度溫度計測量3個不同溫度點的溫度。分別在室溫條件下、標稱溫度為4 ℃的冷室和標稱溫度為38 ℃的熱室內收集測量結果。在每個溫度點上,以每秒一個樣品的速度收集100個測量結果。根據(傳感器的)Vtemp平均值以及(高精度溫度計的)T,利用最小二乘多項式擬合求出G=281.78 ℃/V以及Toff=-281.8 ℃。

表3 溫度測量結果的平均不確定度和標準不確定度

6 結論

本文提出了一種基于射頻識別(RFID)的多功能無線腐蝕監測無源傳感器。該傳感器能夠進行線性極化、開路電勢以及溫度測量。由外部RFID讀寫器供電。電子線路和3個電極均封裝在一個尺寸為11.8 cm×4 cm×5.6 cm的機箱內。根據從傳感器獲得的線性極化電阻測量結果表明,該傳感器性能與臺式恒電位儀(成本較高且體積較大)十分相似,但是體積更小,可以通過倒填充孔安裝在現有的混凝土結構中。另外也對提出傳感器的測量不確定度進行了分析。通過實驗能夠發現,基于RFID的傳感器測量精度能夠與精密的臺式儀器相媲美。

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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

項目來源:湖南省教育廳科學研究項目(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