收集钢筋腐蚀能的无线传感器节点制造技术

本发明专利技术提供一种收集钢筋腐蚀能的无线传感器节点，包括钢筋腐蚀能量源、超低功率升压器、超级电容器和无线传感器节点，所述的钢筋腐蚀能量源采用Q235碳钢钢板和石墨板构成对电极，两者间加入模拟被侵蚀后的混凝土溶液，钢筋腐蚀能量源连接超低功率升压器，超低功率升压器连接超级电容器，超级电容器连接无线传感器节点，通过超低功率升压电路将电池能存储在超级电容器中，进而在超级电容器电压达到无线节点的工作电压后，无线节点开始对各种环境参数进行采集和传输。充分利用了微弱的腐蚀电流，实现了无线节点的能源供给，从而为结构监测与控制系统，尤其是长期服役在恶劣侵蚀环境下的、支撑国民经济命脉的重大基础设施，提供了能够支撑监控物联网长期服役的能量来源。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供一种收集钢筋腐蚀能的无线传感器节点，包括钢筋腐蚀能量源、超低功率升压器、超级电容器和无线传感器节点，所述的钢筋腐蚀能量源采用Q235碳钢钢板和石墨板构成对电极，两者间加入模拟被侵蚀后的混凝土溶液，钢筋腐蚀能量源连接超低功率升压器，超低功率升压器连接超级电容器，超级电容器连接无线传感器节点，通过超低功率升压电路将电池能存储在超级电容器中，进而在超级电容器电压达到无线节点的工作电压后，无线节点开始对各种环境参数进行采集和传输。充分利用了微弱的腐蚀电流，实现了无线节点的能源供给，从而为结构监测与控制系统，尤其是长期服役在恶劣侵蚀环境下的、支撑国民经济命脉的重大基础设施，提供了能够支撑监控物联网长期服役的能量来源。【专利说明】收集钢筋腐蚀能的无线传感器节点
本专利技术涉及的是一种收集钢筋腐蚀能的无线传感器节点。
技术介绍
钢混结构是现今及以后相当长的时间内仍将采用的主要结构型式之一，钢筋腐蚀是引起钢混结构耐久性降低的最主要原因。美国国家材料顾问委员会调查表明，近253000座混凝土桥面板出现严重腐蚀现象；日本约有21.4%的钢混结构损坏是由钢筋腐蚀引起的；我国2002年底仅公路危桥就达9597座，而耗资4000万元的山东某汽车站，更是在建成5年后的2009年即成危楼，其中钢筋腐蚀是引起结构服役性能严重劣化的主要原因之一。近期，我国再次投入数以万亿计的资金发展了基础设施建设，占据相当比例的钢混结构的耐久性问题，势必成为影响国民经济发展和社会和谐稳定的战略性课题。钢筋腐蚀的危害之大出乎意料，随着全球气候与环境的恶化，这一问题势必呈现出日益加剧的态势，钢混结构钢筋腐蚀问题正引起全世界广泛关注。随着钢混结构钢筋腐蚀问题引起全世界的广泛关注，国内外针对耦合腐蚀作用下的材料、构件到结构的性能进行了大量、系统的研究，这些研究建立了腐蚀状态与材料、构件及结构性能之间宝贵的数据库。钢筋腐蚀监测系统一旦成功构建，将在结构腐蚀状态与结构服役性能之间架设“桥梁”，实时掌握结构的耐久性状态，并最终为结构服役安全性的评定、合理化腐蚀控制措施与维修加固方案的提出及全寿命设计等提供科学依据。钢混结构钢筋腐蚀监测系统研究工作的开展势在必行，这一工作具有显著的经济效益和潜在的、重要的社会效益。在线监测与实时控制，是土木工程机构健康监测与控制的前沿研究领域。显然，无线传感器及其网络在诸多方面的巨大优势决定其在监控一体化系统中正起到关键支撑平台的作用。通常，无线传感器与网络的能量供给来源于电池、电网等传统方式。事实上，在现阶段广泛应用于土木工程领域的无线传感器及其网络绝大多数都采用上述能源供给方式。这就造成了无线传感器及其网络“信号传输无线，能源供给有线”的尴尬局面，使得无线传感器与网络的本应具备的巨大优势大打折扣。这主要是土木工程领域与航天、军事领域需求的重要区别所致，土木工程结构的设计服役年限可从几十年至上百年，这就要求无线监控系统的有效服役年限不能低于结构的服役年限，显然目前无线节点与网络的能源供给只能频繁更换电池或接入电网。就结构监控系统而言，如果无线传感器节点能从其所监控的结构本身提取能量用于供给自身，那么将大大提升其服役寿命和服役性能。事实上，近些年基于诸如风能、太阳能、振动能和流动能等无线自集能传感器节点已被构建。就钢混结构腐蚀监测与控制而言，腐蚀本质上是系列电化学反应过程，这一过程是能量的缓慢释放过程。所释放的能量来源于钢铁冶炼过程中所消耗的煤炭能。显然，钢铁冶炼过程中，Fe从铁矿石中的无序状态转化为钢铁内的晶态，煤炭等产生的热能用于实现这一从无序到有序的过程。钢铁的腐蚀过程恰恰是从有序到无序的过程，Fe的晶格结构被打破，能量以腐蚀产生的微弱电能的方式逐渐释放在自然界中。这无疑为用于重大钢混结构腐蚀监测的无线传感器及其网络的能量供给提供了非常光明的契机。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种收集钢筋腐蚀能的无线传感器节点，该无线传感器节点采用钢混结构钢筋腐蚀过程中产生的微弱电能供给。本专利技术的目的是这样实现的:一种收集钢筋腐蚀能的无线传感器节点，包括钢筋腐蚀能量源、超低功率升压器、超级电容器和无线传感器节点，所述的钢筋腐蚀能量源采用Q235碳钢钢板和石墨板构成对电极，两者间加入模拟被侵蚀后的混凝土溶液，钢筋腐蚀能量源连接超低功率升压器，超低功率升压器连接超级电容器，超级电容器连接无线传感器节点，通过超低功率升压电路将电池能存储在超级电容器中，进而在超级电容器电压达到无线节点的工作电压后，无线节点开始对各种环境参数进行采集和传输。本专利技术还具有如下技术特征:1.所述的钢筋腐蚀能量源还包括实际钢混结构本身的钢筋网。2.所述的Q235碳钢钢板或采用腐蚀敏感性材料,包括Mg、Zn、Al或基于此三者所制备的合金的粉末或板材作为能量产生的来源。3.所述的钢筋腐蚀能对电极中腐蚀系统中的阳极体系可用作钢筋网的对电极。4.所述的超低功率升压器为Bq25504升压电路。5.所述的无线传感器节点为Telosb节点。本专利技术的基本原理是:混凝土结构内钢筋的腐蚀过程是系列缓慢的电化学反应过程，惰性材料与钢筋处于同等腐蚀环境下，两者之间的腐蚀电位不同，从而导致两者之间会有电流的产生，其中较低腐蚀电位的钢筋作为电子的供给源，较高腐蚀电位的惰性材料接收钢筋产生的电子。上述系列反应过程中，电极的阴阳极之间产生压差，从而能够为外接负载提供能源。本专利技术的有益效果:充分利用了从未被人关注过的微弱的腐蚀电流，实现了无线节点的能源供给，从而为结构监测与控制系统，尤其是长期服役在恶劣侵蚀环境下的、支撑国民经济命脉的重大基础设施，提供了能够支撑监控物联网长期服役的能量来源。相较于传统的风能、太阳能、地热能、振动能等能源形式，应用腐蚀能无需增加过多的附加设备，如风机、太阳能板、热泵、压电器件等，即可回收利用腐蚀能。本质上，腐蚀能是钢铁冶炼过程中耗费的大量热能通过微弱电流形式释放于自然界的能量。对于大规模基础结构而言，腐蚀能广泛存在，因此利用腐蚀能为结构健康监测与控制系统提供能源供给，无疑为结构的安全评定、维修加固与基于性能的全寿命设计等关键科学问题提供了坚实可靠的平台。此外，腐蚀能的利用是绿色、向阳产业，能够充分利用废弃的腐蚀能为支撑结构安全的物联网提供具有超强现场适用性的关键能量型式。【专利附图】【附图说明】图1钢筋腐蚀过程供电能力图；图2超级电容器的充电过程曲线图；图3腐蚀能供给的无线节点组成方式图；图4无线自集能节点的监测结果示例图；其中，1、钢筋腐蚀能，2、Bq25504超低功率升压电路，3、超级电容器，4、Telosb无线节点，5、温度检测，6、节点电压。具体实施例下面结合附图举例对本专利技术做更详细的描述:实施例1一种收集钢筋腐蚀能的无线传感器节点，包括钢筋腐蚀能量源、超低功率升压器、超级电容器和无线传感器节点，所述的钢筋腐蚀能量源采用Q235碳钢钢板和石墨板构成对电极，两者间加入模拟被侵蚀后的混凝土溶液，钢筋腐蚀能量源I连接超低功率升压器，超低功率升压器2连接超级电容器3，超级电容器3连接无线传感器节点4，通过超低功率升压电路2将电池能存储在超级电容器中3，进而在超级电容器3电压达到无线节点4的工作电压后，无线节点4开始对各种环境参数进本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种收集钢筋腐蚀能的无线传感器节点，包括钢筋腐蚀能量源、超低功率升压器、超级电容器和无线传感器节点，其特征在于：所述的钢筋腐蚀能量源采用Q235碳钢钢板和石墨板构成对电极，两者间加入模拟被侵蚀后的混凝土溶液，钢筋腐蚀能量源连接超低功率升压器，超低功率升压器连接超级电容器，超级电容器连接无线传感器节点，通过超低功率升压电路将电池能存储在超级电容器中，进而在超级电容器电压达到无线节点的工作电压后，无线节点开始对各种环境参数进行采集和传输。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：乔国富，孙国栋，李惠，欧进萍，关新春，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23