专利名称：基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及金属材料腐蚀检测技术领域，具体涉及基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器及其制作方法。
背景技术：
钢具有优异的力学性能，它机械强度高，有良好的塑性和优良的焊接性能。根据钢内部碳含量比例的不同，钢呈现出不同的硬度和延展性。通过向钢中添加其他微量元素形成的合金钢，其力学性能得到了进一步的改善。所以钢广泛应用于制造业的各个领域，是结构承重的主要材料之一。
钢长时间暴露在空气中会出现腐蚀，钢的腐蚀是一个缓慢的电化学腐蚀过程。钢处于水环境中，在空气中的氧化剂作用下，发生电化学反应，失去电子，形成相应的无机盐。 腐蚀在钢结构的表面会形成点蚀坑，严重时甚至出现剥蚀现象，使得材料横截面积减小，局部应力集中因子增大，极大地降低了钢的力学性能。对于钢的腐蚀情况进行及时有效地检测，能够预防由于腐蚀引起的材料疲劳断裂，在结构损伤早期及时进行修复，避免结构发生破坏。
两金属极板之间填充电绝缘介质，便构成了一个简易电容器。其电容大小与极板正对面积、介质介电常数成正比，与极板间距离成反比。根据平行板电容器的这一特性，可以制成变面积式电容传感器。变面积式电容传感器已经被广泛用来测量位移，即通过联动机械装置带动上下极板发生错位移动，使得极板正对面积发生变化，最终输出成比例的电容变化信号，完成位移测量。发明内容
为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器及其制作方法，传感器结构简单、方便安装、可靠性高，能够实现对钢结构材料表面实时在线的监测，满足了钢结构腐蚀监测和评估的要求。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是
基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器，包括顶面开有顶端开口 17的绝缘外罩 11，绝缘外罩11为缺一壁的方形凹槽，绝缘外罩11内依次相互嵌套有传感器上层、传感器中层和传感器下层，传感器上层由第一绝缘介质板1和贴于其上的第一腐蚀钢材料层2构成，第一腐蚀钢材料层2上有第一引线7引出，第一绝缘介质板1的正中上设有钻孔区域 18，传感器中层由第二绝缘介质板3和贴于其上的第二腐蚀钢材料层4构成，第二腐蚀钢材料层4上有第二引线8和第三弓丨线9引出，传感器下层由第三绝缘介质板5和贴于其上的第三腐蚀钢材料层6构成，第三腐蚀钢材料层6上有第四引线10引出，四条引线分别穿过绝缘板12上的四个孔，第一引线7穿过第一孔13，第二引线8穿过第二孔16，第三引线9穿过第三孔15，第四引线10穿过第四孔14，顶端开口 17的大小和钻孔区域18的大小相同， 开口位置使得外罩11套在由第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5嵌套而成的立方体上时，正好露出第一绝缘介质板1上的钻孔区域18。
基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器的制作方法，步骤如下
步骤1，制作绝缘介质板，介质板材料的相对介电常数为4-50000，第一绝缘介质板1为矩形薄片，长*宽不超过200mm*200mm，厚度为0. 002mm-2mm,第二绝缘介质板3为缺一壁的方形凹槽，凹槽内尺寸为和第一绝缘介质板1的尺寸相同，凹槽壁厚和第一绝缘介质板1的厚度相同，第三绝缘介质板5为缺一壁的方形凹槽，凹槽内尺寸为和第二绝缘介质板3的尺寸相同，壁厚和第二绝缘介质板3的厚度相同；绝缘外罩11也为缺一壁的方形凹槽，凹槽内尺寸和第三绝缘介质板5的尺寸相同，壁厚为0. lmm-2mm，第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5能够相互嵌套，即第一绝缘介质板1放入第二绝缘介质板3，第一绝缘介质板1和第二绝缘介质板3放入第三绝缘介质板5，最后绝缘外罩11能够倒扣在第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5顺次嵌套形成的立方体上， 使得第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5、绝缘外罩11组合成一个整立方体，绝缘介质板12的尺寸正好能盖住组合后整立方体的缺失的侧壁，厚度与绝缘外罩11 相同，
步骤2，在第一绝缘介质板1正中的钻孔区域18，钻出两个以上的在表面均勻分布的直径为0. 2mm-lmm的小圆孔，孔轴心与孔轴心的间距为孔径的2_4倍，在绝缘板12上钻有第一孔13、第二孔14、第三孔15、第四孔16，孔径大小能使得导线穿过，在绝缘外罩11顶面开矩形口 17，尺寸和钻孔区域18的大小相同，开口位置使得外罩11套在由第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5嵌套而成的立方体上时，正好露出第一绝缘介质板1上的钻孔区域18，
步骤3，溅射或蒸镀与待监测基体材料一致的第一腐蚀钢材料层2、第二腐蚀钢材料层4、第三腐蚀钢材料层6，其尺寸与钻孔区域18相同即可，第一腐蚀钢材料层2先溅射或蒸镀到其他基体上，随后将其剥离下来，粘贴于第一绝缘介质板1的钻孔区域18上，第二腐蚀钢材料层4和第三腐蚀钢材料层6按照第一腐蚀钢材料层2的方法分别粘贴于第二绝缘介质板3和第三绝缘介质板5表面上的当各介质板相互嵌套之后，投影位置与钻孔区域18 —致的区域，也能够直接溅射或者蒸镀于此位置，使得粘贴了腐蚀钢材料层的第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5相互嵌套后，涂层所处区域的投影位置一致，
步骤4，从第一腐蚀钢材料层2引出第一引线7 ；第二腐蚀钢材料层4引出第二引线8、第三引线9 ；第三腐蚀钢材料层6引出第四引线10，其中第二引线8、第三引线9位于第二腐蚀钢材料层4之上的两个不同位置，引线与腐蚀钢材料层连接处涂抹硅橡胶，保护接触点，
步骤5，组装，将粘贴了腐蚀钢材料层的第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5顺次嵌套起来，使得各个介质板缺一壁的侧面都朝向相同，该方向正好是引线与腐蚀钢材料层连接后导出的位置，在每个介质板的嵌套接触面未覆盖腐蚀钢材料层的区域，涂抹胶水，确保嵌套牢靠，最后罩上绝缘外罩11，并使用胶水进行粘贴固定，使得绝缘外罩11缺壁的一侧也与介质板缺壁朝向相同，确保外套粘贴牢靠，
步骤6，将引线穿过对应于绝缘板12上的小孔，第一引线7对应第一孔13 ；第四引线10对应于第二孔14 ；第三引线9对应于第三孔15 ；第四引线8对应于第四孔16，然后将绝缘板12涂抹胶水，粘贴于之前嵌套所得的立方体的缺失面，正好将嵌套立方体内部盖�。�
步骤7，使用硅橡胶将传感器各个缝隙封死，传感器制作完毕，安装时第一腐蚀钢材料层2向上，第三绝缘介质板5位于最下方，在第三绝缘介质板5的底面涂抹胶水，便能够粘贴于待监测基体表面了。
传感器工作时，通过监测第一腐蚀钢材料层2和第三腐蚀钢材料层6之间的电容， 即可获得腐蚀面积损耗大�。蛭钡谝桓锤植牧喜�2被腐蚀穿透后，腐蚀产物以及腐蚀因子会通过第一绝缘介质板1上的钻孔区域18接触第二腐蚀钢材料层4，导致第二腐蚀钢材料层4也被腐蚀，因此通过监测第二腐蚀钢材料层4的电阻值，即可得到腐蚀进行的大致深度。
本发明涉及的传感器结构简单、方便安装、可靠性高，能够实现对钢结构材料表面实时在线的监测，满足了钢结构腐蚀监测和评估的要求。
附图为本发明的传感器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的作更详细的说明。
如附图所示，基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器，包括顶面开有顶端开口 17 的绝缘外罩11，绝缘外罩11为缺一壁的方形凹槽，绝缘外罩11内依次相互嵌套有传感器上层、传感器中层和传感器下层，传感器上层由第一绝缘介质板1和贴于其上的第一腐蚀钢材料层2构成，第一腐蚀钢材料层2上有第一引线7引出，第一绝缘介质板1的正中上设有钻孔区域18，传感器中层由第二绝缘介质板3和贴于其上的第二腐蚀钢材料层4构成，第二腐蚀钢材料层4上有第二引线8和第三引线9引出，传感器下层由第三绝缘介质板5和贴于其上的第三腐蚀钢材料层6构成，第三腐蚀钢材料层6上有第四引线10引出，四条引线分别穿过绝缘板12上的四个孔，第一引线7穿过第一孔13，第二引线8穿过第二孔16，第三引线9穿过第三孔15，第四引线10穿过第四孔14，顶端开口 17的大小和钻孔区域18的大小相同，开口位置使得外罩11套在由第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5嵌套而成的立方体上时，正好露出第一绝缘介质板1上的钻孔区域18。
下面结合实施例对本发明的基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器的制作方法做详细描述。
基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器的制作方法，步骤如下
步骤1，制作绝缘介质板，介质板材料的相对介电常数为4-50000，第一绝缘介质板1为矩形薄片，长*宽是30mm*30mm，厚度为2mm，第二绝缘介质板3为缺一壁的方形凹槽， 凹槽内尺寸为和第一绝缘介质板1的尺寸相同，凹槽壁厚和第一绝缘介质板1的厚度相同， 第三绝缘介质板5为缺一壁的方形凹槽，凹槽内尺寸为和第二绝缘介质板3的尺寸相同，壁厚和第二绝缘介质板3的厚度相同；绝缘外罩11也为缺一壁的方形凹槽，凹槽内尺寸和第三绝缘介质板5的尺寸相同，壁厚为2mm，第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5能够相互嵌套，即第一绝缘介质板1放入第二绝缘介质板3，第一绝缘介质板1和第二绝缘介质板3放入第三绝缘介质板5，最后绝缘外罩11能够倒扣在第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5顺次嵌套形成的立方体上，使得第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5、绝缘外罩11组合成一个整立方体，绝缘介质板12的尺寸正好能盖住组合后整立方体的缺失的侧壁，厚度与绝缘外罩11相同，此例中绝缘介质板12 尺寸为38mm*^2mm的薄片，
步骤2，在第一绝缘介质板1正中的钻孔区域18，钻出两个以上的在表面均勻分布的直径为0. 5mm的小圆孔，孔轴心与孔轴心的间距为孔径的2倍，在绝缘板12上钻有第一孔13、第二孔14、第三孔15、第四孔16，孔径大小能使得导线穿过，直径都为2mm，在绝缘外罩11顶面开矩形口 17，尺寸和钻孔区域18的大小相同，开口位置使得外罩11套在由第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5嵌套而成的立方体上时，正好露出第一绝缘介质板1上的钻孔区域18，
步骤3，溅射或者蒸镀与待监测基体材料一致的第一腐蚀钢材料层2、第二腐蚀钢材料层4、第三腐蚀钢材料层6，其尺寸与钻孔区域18相同即可，第一腐蚀钢材料层2先溅射或蒸镀到其他基体上，例如PET板等，随后将其剥离下来，粘贴于第一绝缘介质板1的钻孔区域18上，第二腐蚀钢材料层4和第三腐蚀钢材料层6按照第一腐蚀钢材料层2的方法分别粘贴于第二绝缘介质板3和第三绝缘介质板5表面上的当各介质板相互嵌套之后，投影位置与钻孔区域18 —致的区域，也能够直接溅射或者蒸镀于此位置，使得粘贴了腐蚀钢材料层的第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5相互嵌套后，涂层所处区域的投影位置一致，
步骤4，从第一腐蚀钢材料层2引出第一引线7 ；第二腐蚀钢材料层4引出第二引线8、第三引线9 ；第三腐蚀钢材料层6引出第四引线10，其中第二引线8、第三引线9位于第二腐蚀钢材料层4之上的两个不同位置，引线与腐蚀钢材料层连接处涂抹硅橡胶，保护接触点，
步骤5，组装，将粘贴了腐蚀钢材料层的第一绝缘介质板1、第二绝缘介质板3、第三绝缘介质板5顺次嵌套起来，使得各个介质板缺一壁的侧面都朝向相同，该方向正好是引线与腐蚀钢材料层连接后导出的位置，在每个介质板的嵌套接触面未覆盖腐蚀钢材料层的区域，涂抹胶水，确保嵌套牢靠，最后罩上绝缘外罩11，并使用胶水进行粘贴固定，使得绝缘外罩11缺壁的一侧也与介质板缺壁朝向相同，确保外套粘贴牢靠，
步骤6，将引线穿过对应于绝缘板12上的小孔，第一引线7对应第一孔13 ；第四引线10对应于第二孔14 ；第三引线9对应于第三孔15 ；第四引线8对应于第四孔16，然后将绝缘板12涂抹胶水，粘贴于之前嵌套所得的立方体的缺失面，正好将嵌套立方体内部盖�。�
步骤7，使用硅橡胶将传感器各个缝隙封死，传感器制作完毕，安装时第一腐蚀钢材料层2向上，第三绝缘介质板5位于最下方，在第三绝缘介质板5的底面涂抹胶水，便能够粘贴于待监测基体表面了。
传感器工作时，通过监测第一腐蚀钢材料层2和第三腐蚀钢材料层6之间的电容，即可获得腐蚀面积损耗大小。因为当第一腐蚀钢材料层2被腐蚀穿透后，腐蚀产物以及腐蚀因子会通过第一绝缘介质板1上的钻孔区域18接触第二腐蚀钢材料层4，导致第二腐蚀钢材料层4 也被腐蚀，因此通过监测第二腐蚀钢材料层4的电阻值，即可得到腐蚀进行的大致深度。
权利要求
1.基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器，其特征在于，包括顶面开有顶端开口(17) 的绝缘外罩(11)，绝缘外罩(11)为缺一壁的方形凹槽，绝缘外罩(11)内依次相互嵌套有传感器上层、传感器中层和传感器下层，传感器上层由第一绝缘介质板(1)和贴于其上的第一腐蚀钢材料层(2)构成，第一腐蚀钢材料层(2)上有第一引线(7)引出，第一绝缘介质板 (1)的正中上设有钻孔区域(18)，传感器中层由第二绝缘介质板C3)和贴于其上的第二腐蚀钢材料层(4)构成，第二腐蚀钢材料层(4)上有第二引线(8)和第三引线(9)引出，传感器下层由第三绝缘介质板(5)和贴于其上的第三腐蚀钢材料层(6)构成，第三腐蚀钢材料层(6)上有第四引线(10)引出，四条引线分别穿过绝缘板(12)上的四个孔，第一引线(7) 穿过第一孔(13)，第二引线(8)穿过第二孔(16)，第三引线(9)穿过第三孔(15)，第四引线(10)穿过第四孔(14)，顶端开口(17)的大小和钻孔区域(18)的大小相同，开口位置使得外罩(11)套在由第一绝缘介质板(1)、第二绝缘介质板(3)、第三绝缘介质板( 嵌套而成的立方体上时，正好露出第一绝缘介质板(1)上的钻孔区域(18)。
2.根据权利要求1所述的基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器，其特征在于，制作方法步骤如下步骤1，制作绝缘介质板，介质板材料的相对介电常数为4-50000，第一绝缘介质板(1) 为矩形薄片，长*宽不超过200mm*200mm，厚度为0. 002mm-2mm，第二绝缘介质板( 为缺一壁的方形凹槽，凹槽内尺寸为和第一绝缘介质板(1)的尺寸相同，凹槽壁厚和第一绝缘介质板(1)的厚度相同，第三绝缘介质板( 为缺一壁的方形凹槽，凹槽内尺寸为和第二绝缘介质板(3)的尺寸相同，壁厚和第二绝缘介质板(3)的厚度相同；绝缘外罩(11)也为缺一壁的方形凹槽，凹槽内尺寸和第三绝缘介质板(5)的尺寸相同，壁厚为0. lmm-2mm，第一绝缘介质板(1)、第二绝缘介质板C3)、第三绝缘介质板( 能够相互嵌套，即第一绝缘介质板 (1)放入第二绝缘介质板(3)，第一绝缘介质板(1)和第二绝缘介质板03放入第三绝缘介质板(5)，最后绝缘外罩(11)能够倒扣在第一绝缘介质板(1)、第二绝缘介质板C3)、第三绝缘介质板( 顺次嵌套形成的立方体上，使得第一绝缘介质板(1)、第二绝缘介质板(3)、第三绝缘介质板(5)、绝缘外罩(11)组合成一个整立方体，绝缘介质板(1 的尺寸正好能盖住组合后整立方体的缺失的侧壁，厚度与绝缘外罩(11)相同，步骤2，在第一绝缘介质板(1)正中的钻孔区域(18)，钻出两个以上的在表面均勻分布的直径为0. 2mm-lmm的小圆孔，孔轴心与孔轴心的间距为孔径的2_4倍，在绝缘板(12) 上钻有第一孔(13)、第二孔(14)、第三孔(15)、第四孔(16)，孔径大小能使得导线穿过，在绝缘外罩(11)顶面开矩形口(17)，尺寸和钻孔区域(18)的大小相同，开口位置使得外罩(11)套在由第一绝缘介质板(1)、第二绝缘介质板(3)、第三绝缘介质板( 嵌套而成的立方体上时，正好露出第一绝缘介质板(1)上的钻孔区域(18)，步骤3，溅射或者蒸镀与待监测基体材料一致的第一腐蚀钢材料层( 、第二腐蚀钢材料层(4)、第三腐蚀钢材料层(6)，其尺寸与钻孔区域(18)相同即可，第一腐蚀钢材料层(2) 先溅射或蒸镀到其他基体上，随后将其剥离下来，粘贴于第一绝缘介质板(1)的钻孔区域 (18)上，第二腐蚀钢材料层(4)和第三腐蚀钢材料层(6)按照第一腐蚀钢材料层O)的方法分别粘贴于第二绝缘介质板( 和第三绝缘介质板( 表面上的当各介质板相互嵌套之后，投影位置与钻孔区域(18) —致的区域，也能够直接溅射或者蒸镀于此位置，使得粘贴了腐蚀钢材料层的第一绝缘介质板(1)、第二绝缘介质板(3)、第三绝缘介质板( 相互嵌套后，涂层所处区域的投影位置一致，步骤4，从第一腐蚀钢材料层O)引出第一引线(7)；第二腐蚀钢材料层引出第二引线(8)、第三引线(9)；第三腐蚀钢材料层(6)引出第四引线(10)，其中第二引线(8)、第三引线(9)位于第二腐蚀钢材料层(4)之上的两个不同位置，引线与腐蚀钢材料层连接处涂抹硅橡胶，保护接触点，步骤5，组装，将粘贴了腐蚀钢材料层的第一绝缘介质板(1)、第二绝缘介质板(3)、第三绝缘介质板( 顺次嵌套起来，使得各个介质板缺一壁的侧面都朝向相同，该方向正好是引线与腐蚀钢材料层连接后导出的位置，在每个介质板的嵌套接触面未覆盖腐蚀钢材料层的区域，涂抹胶水，确保嵌套牢靠，最后罩上绝缘外罩(11)，并使用胶水进行粘贴固定，使得绝缘外罩(11)缺壁的一侧也与介质板缺壁朝向相同，确保外套粘贴牢靠，步骤6，将引线穿过对应于绝缘板(12)上的小孔，第一引线(7)对应第一孔(13)；第四引线(10)对应于第二孔(14)；第三引线(9)对应于第三孔(15)；第四引线(8)对应于第四孔(16)，然后将绝缘板(1 涂抹胶水，粘贴于之前嵌套所得的立方体的缺失面，正好将嵌套立方体内部盖�。街�7，使用硅橡胶将传感器各个缝隙封死，传感器制作完毕，安装时第一腐蚀钢材料层O)向上，第三绝缘介质板( 位于最下方，在第三绝缘介质板(5)的底面涂抹胶水，便能够粘贴于待监测基体表面了。
全文摘要
基于变电容钢结构表面腐蚀监测传感器，包括开有顶端开口的绝缘外罩，传感器内部分为上、中、下三层，每层由绝缘介质板和贴于其上腐蚀钢材料层构成，腐蚀钢材料层上有引线引出，引线分别穿过绝缘板上的孔，制作方法是先制作绝缘介质板，再在绝缘介质板正中的钻孔区域，然后制作腐蚀钢材料层，从腐蚀钢材料层引出引线，组装，使用硅橡胶将传感器各个缝隙封死，跟据变面积式电容传感器的工作原理，依据电容变化可知腐蚀损耗的面积；根据中间层电阻变化，可知腐蚀进行的深度，本发明传感器结构简单、方便安装、可靠性高，能够实现对钢结构材料表面实时在线的监测，满足了钢结构腐蚀监测和评估的要求。
文档编号G01B7/26GK102519865SQ201110342928
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月3日 优先权日2011年11月3日
发明者刘启达, 刘马宝, 李云超, 李腾, 王献辉 申请人:西安交通大学
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