变步长LMS的交流阻抗法在钢 筋混凝土腐蚀检测中应用

变步长LMS的交流阻抗法在钢 筋混凝土腐蚀检测中应用
钢筋混凝土是建筑物中重要的承重部件，其结构耐久性直接关系着建筑物的
安全使用，
筑物损坏、
钢筋混凝土腐蚀会造成其整体结构承受荷载能力退化，甚至会造成建
经济损失和安全事故等
有重要的理论意义和工程实用价值。
因此本文研究检a}n」钢筋混凝土结构的腐蚀具
针对目前腐蚀检测技术存在的无法进行参数
统一、只能获取局部腐蚀信息、测量结果精度和准确度有待提高等问题，本文提
出了改进的交流阻抗法钢筋混凝土腐蚀检测方法，与其他检测方法相比，交流阻
抗法能够得到更多动力学信息以及电极界面结构信息，可以从钢筋混凝土的细观
结构来分析其性能变化。

    交流阻抗法测量钢筋混凝土腐蚀以幅值为lOmv的交流正弦信号作为激励信号，
经过钢筋混凝土结构之后的检测信号为微安级别的微弱信号，微弱信号容易受到
噪音的干扰而导致测量得到的数据误差较大，无法准确的反映钢筋混凝结构的腐
蚀状态。针对交流阻抗法在测量钢筋混凝土腐蚀过程中存在微弱信号检测误差较
大的问题，本文提出了一种变步长LMS自适应滤波算法，改进了误差和步长因子
之间的对应关系，在误差较大时采用较大的步长因子来提高收敛速度，在误差因
子较小时采用较小的步长因子以减小稳态误差，改进的算法对整个系统具有比较
好的跟踪能力，提高了交流阻抗法中微弱检测信号的信噪比。本文在此基础上，
设计了基于交流阻抗法的钢筋混凝土腐蚀检测系统，该系统包括从低频到高频的
可变频微弱激励信号发生电路、微弱电流转化为可测量电压的检测电路和电流一
电压转换电路在内的硬件电路系统，实现了对LM S自适应滤波的变步长处理，通
过 DFT算法处理得到钢筋混凝土阻抗实部、虚部信息，可得到钢筋混凝土的交流
阻抗谱信息。

    随着社会的不断进步，人们物质需求的逐渐提高，建筑行业作为我国的支柱
型产业发展迅速，钢筋混凝土的使用范围越来越广，在建筑、交通等各个领域起
到的作用也越来越大，现如今对其结构影响最大也是造成结果最严重的就是其耐
久性不足，耐久性下降会使其服役寿命大大缩短，钢筋混凝土体系耐久性下降最
主要的因素是钢筋腐蚀[[1]。钢筋混凝土腐蚀造成的后果是十分严重的，我国是一
个工程建筑大国，建筑行业的可持续发展问题能从侧面反映社会的发展水平，我
国地域辽阔、环境复杂多样，在某些沿海等环境恶劣的地区腐蚀情况更加严重，
钢筋混凝土腐蚀会造成其载荷能力下降导致建筑物稳定性下降甚至坍塌，整个体
系稳定性下降影响最大的原因是钢筋腐蚀，进一步会造成财产损失和严重安全事
故。据资料[2]介绍，腐蚀带来的财产损失是极其严重的，世界各国因腐蚀造成的
财产损失在国民经济生产总值中占比重较大，其中与钢筋混凝土腐蚀相关的约占
40 070，所以对钢筋混凝土的腐蚀检测以便及时进行维护是极其重要且势在必行的。
    对钢筋混凝土体系的腐蚀检测方法主要有两种:无损检测和有损检测，这两
种方法的主要是按照在检测时是否对整个体系造成损害划分，有损检测需要对钢
筋混凝土系统的部分结构造成破坏来实现腐蚀程度的检测，这种方式直观、原理
简单、易于操作，但是会对钢筋混凝土结构造成不必要的破坏，在一些实际工程
项目中并不适用;无损检测的应用领域比较广泛，可以在不破坏整个体系的前提
下进行腐蚀检测，能最大程度的保障系统结构的完整性并且具有高可靠性。按照
原理，可以分为分析法、物理法和电化学法[[3]，钢筋混凝土腐蚀属于电化学过程，
电化学方法可以从本质上反应整个过程，交流阻抗法与其他检测方法例如半电池
电位法、线性极化电阻法等比较具有其独特的优势[[4]，其具有测量精度高、结构几
何因素干扰性弱、能全面反应腐蚀过程等其他方法不具备的特点[[5]，所以得到了较
为广泛的应用。交流阻抗谱法的是在许多前辈专家和研究人员的大量的相关实验
和理论研究的基础上逐渐发展完善的，1978年，Dawson首次将交流阻抗法应用于
钢筋混凝土腐蚀检测[}6};  R .P . Vera Cruz等在氯离子环境中对不锈钢的点状腐蚀进

行了交流阻抗监测[7];Sung-Jai Lee等使用交流阻抗谱法对镀锌钢的耐腐蚀性进行
评估[fgl，李岩等用交流阻抗谱研究了活性砂浆胶结材料中的电化学行为，对钢筋混
凝土的腐蚀防护技术具有重要的学术价值和重要意义[f9l。随着基础理论和科学技术
的不断发展，交流阻抗谱己经在各种不同的领域取得了实践应用[yob

    在近100年的发展历程中，钢筋混凝土从一种新兴材料逐渐发展为应用量最
大、费用较低、性能较好的普遍应用型建筑材料。钢筋混凝土能够得到如此广泛
的应用主要是因为其强度大以及原材料的廉价和容易获得。钢筋混凝土能将钢筋
与混凝土有机结合起来，可以兼具两种材料抗拉和抗压的特点，最大程度的发挥
各自的优势。在较为理想的环境中，钢筋混凝土的服役寿命可以长达几十年，但
是在实际应用环境中的使用过程中，其性能会受到很多复杂原因的影响。钢筋混
凝土结构的破坏会使钢筋混凝土的耐久性下降以及使用时间缩短，而这种情况可
能会引发实际工程问题，严重的甚至会引发重大安全事故，造成巨大的经济损失
和恶劣的社会影响，美国1998年因钢筋腐蚀而花费的修复费用为1 _5_50亿美元[mo
随着钢筋混凝土的广泛应用我国的交通行业的飞速发展，现在己经发展成为“桥梁
大国”，现在我国桥梁建设总数己经超过100万座，但是其中约有10万座被判定
为“危桥”，这些“危桥”都是因为钢筋混凝土的腐蚀造成的「i2}。随着我国整体实力的
发展，现在许多城市都建造了地铁，钢筋混凝土为其主要建筑材料，地铁结构工
程在比较复杂的环境中，会导致钢筋混凝土体系的腐蚀加剧，地铁建筑的安全性
和稳定性需要投入更大的力度[[13]。如图1.1，钢筋混凝土的腐蚀会导致严重的安全
事故，2013年2月1日上午，连霍高速南半幅741+900M处义昌大桥发生的垮塌
事故，坍塌桥面长度达到80米，教训十分惨痛;2012年8月24日早晨，哈尔滨
阳明滩大桥发生垮塌事故，坍塌大梁长度为130米左右，整体坍塌，导致了严重
的后果，影响十分恶劣。上述案例的发生原因均为其建筑材料钢筋混凝土的耐久
性下降，如果可以得到及早的检测和防护，那么这些严重危害人们生命安全和财
产安全的事故也许就不会发生，由此可见，钢筋混凝土的腐蚀会带来一系列严重
的后果，对于钢筋混凝土的腐蚀检测以便提前采取防护措施来对建筑进行维护是
十分必要且具有重大意义的，在精心设计和施工的前提下，在运营期间及时检测
与维护，可以在费用最低的情况下采取防护措施防止腐蚀加剧「‘“]。

    利用交流阻抗法测量钢筋混凝土腐蚀存在的主要问题是检测信号属于微弱信
号，微弱信号的提取是钢筋混凝土腐蚀测量的关键，常见的提取微弱信号的方法
有同步积累法、相关检测法、高阶谱法和自适应滤波法等。

    1.同步积累法
    通过叠加测量信号，利用噪音的随机性提高信号强度并抑制噪声，信号是确
定的而噪音信号是随机的，所以经过叠加大部分噪音信号会被抵消，微弱信号在
累加计算后幅值增大。同步积累法的应用所受限制较小，但是其改善效果有限并
且处理时间较长，效率较低。
    2.相关检测法
    相关检测法基于有效信号与噪音的相关性，利用有效信号与噪音信号相关性
较弱而其自身相关性较强的特性来提取微弱信号，自相关检测不需要其他先验信
息，但是在信噪比较低的情况下改善效果不佳，需要进行多次相关运算来提高性
育昌。
    3.高阶谱法
    高阶谱法实际上是更加深入的研究信号与噪音的相关性与统计特性，高阶统
计量中含有更多有用信号的相关特性和统计特性信息，在降低噪音的同时可以保
存原始信号的相位信息，但是需要的运算时间较长。
    4.自适应滤波法
    自适应滤波法以线性滤波理论为基础，此方法具有一定的自适应性，依据某
种己知准则，在获得前一时刻滤波器参数的基础上来自动调节当前时刻的滤波器
参数，以适应信号和噪音未知的或随时间变化的统计特性，实现数字滤波。因为
信号和噪音的特性未知，需要设计滤波器跟踪信号和噪音的变化，实现较好的滤
波效果。
    针对以上方法的不足，本文提出一种变步长LMS自适应滤波算法，改进了步
长因子和误差之间的关系，增强了步长因子对时变系统的跟随能力，提高了微弱
信号的信噪比。

      (1>交流阻抗法基本原理:通过查阅和分析当前国内外在交流阻抗法阻抗谱
及钢筋混凝土腐蚀方面的研究和应用，对交流阻抗法测量钢筋混凝土腐蚀的基本
原理进行理论分析，建立了整个体系的等效电路模型并在等效电路模型的基础上
分析了交流阻抗谱，为后续检测系统的设计打下了理论基础。
      (2>检测系统硬件电路的设计:硬件系统的主处理器为STM32单片机，其
他电路功能模块是以DDS模块为核心的激励信号发生电路模块，以OPA2330精密
运放为核心的电流电压转换电路，采集电压信号送入单片机进行DFT处理的信号
采集电路。
      (3)检测系统软件程序的设计:提出一种变步长LMS自适应滤波算法并进
行仿真，验证其有效性，然后在程序中实现算法处理;本文软件系统主要分为下
位机系统和上位机系统，下位机部分主要包括DDS扰动信号的产生，ADC数据采
集，数据的DFT运算，系统内工作的时钟配置等;上位机软件部分主要是使用C#
在Visual Studio 2012开发环境中进行页面设计，实现与下位机通信来进行数据传
输并对数据进行存储、分析。
      (4)实验数据分析:搭建硬件电路配合软件程序进行实验测试，选择不同振
荡频率的有源晶振在不同扰动频率下进行测试，确定了在不同频率区间应该选择
不同振荡频率晶振来保证测量结果的准确性;对腐蚀天数为1天、3天、10天、
1 _5天、2_5天和3 _5天的同一钢筋混凝土试件进行交流阻抗测量，根据测量结果得
到阻抗谱并从阻抗谱中分析其腐蚀状态。

    交流阻抗法，又称为电化学阻抗谱法(electrochemical impedance spectroscopy),
简称EIS法，是研究钢筋混凝土材料微结构的一种重要工具，它可以反映其内部
的电化学反应过程，该方法可以在很大的频率范围内得到阻抗谱，因此通过该方
法可以获得比其他传统测量方法更多的腐蚀信息，提高测量精度，获得更加精确
的腐蚀状态。

    图2.1为钢筋混凝土失效过程示意图，混凝土的细观结构为多孔结构，空气中
存在的水和二氧化碳发生化学反应，产生的酸性物质与碱性环境发生中和反应，
此时混凝土内部环境变为钢筋容易发生腐蚀的中性环境[27]。碳化过程是比较缓慢，
氯离子导致的钢筋混凝土腐蚀是一种最常见的腐蚀状况。氯离子广泛存在于自然
环境中，在钢筋混凝土的整个制备、使用和服役过程中，氯离子是大量存在的，
整个过程中都会存在氯离子入侵的情况，尤其在有大量氯离子存在的沿海恶劣环
境中。当钢筋混凝土处于上述恶劣环境时，由于混凝土是孔隙结构，大量氯离子
会进入体系内部，逐渐吸附在混凝土内部的钢筋表层，使得钢筋混凝土内部环境
中的PH值快速减小，在中性甚至弱酸性环境中，钢筋表层的钝化膜容易受到损坏
而加速腐蚀，与钝化膜没有遭到严重破坏的部分形成电势差，此时钢筋会发生电
化学腐蚀[}ZS}。铁锈是钢筋腐蚀的产物，其体积是原来的1._5-2倍，会产生30MPa
的膨胀力[29]，铁锈是完全丧失钢筋本身力学性能的产物，它会使混凝土内部产生
裂缝而且钢筋的受力面积减小，混凝土的开裂会提供氯离子的侵蚀通道，这样混
凝土内部的钢筋腐蚀程度会日益加剧，铁锈会继续增大混凝土的开裂，使氯离子
入侵更加迅速，上述过程不断重复，钢筋混凝土的整体性能逐渐弱化。钢筋混凝
土腐蚀将导致其力学性能丧失、承重能力下降、严重威肋、建筑物稳定性等不良后
果，因此采取有效措施检a}n」钢筋混凝土腐蚀是十分必要的。

    电化学体系由电解质和电极两部分组成，其中电解质是离子导体，电极是电
子导体，当电化学体系处于平衡状态时，电极和电解质之间存在电位差，两者之
间存在一个界面，这一界面上同时存在电子和离子，不同导体通过此界面可以交
换电荷，该界面被称为双电层，简称双层。双电层主要分为两部分:紧密双层和
扩散双层，两者主要区别是与电极的距离远近不同，紧密双层紧靠电极而扩散双
层与电极不直接接触。
    在钢筋混凝土的整个体系中有两个并行的过程:法拉第过程和非法拉第过程
[30]，非法拉第过程指的是电极电位发生变化时双电层电容的充放电过程，法拉第
过程是遵从法拉第电解定律的过程。

    交流阻抗法(AC Impedance)，又称为电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance
Spectroscopy, EIS)，以小幅度交流电压(电流)信号作为激励信号得到电流(电压)响
应信号，通过分析激励信号与响应信号的对应关系可以对电化学体系进行研究。
使用小幅交流信号作为干扰信号是为了不破坏系统的结构和性质，适用于长时间
对钢筋混凝土体系进行微扰以进行无损检测[[31 ]，同时可以使扰动与系统的响应之
间近似呈线性关系，可以简化测量结果的数学处理过程，而且交流信号使电极的
阳极过程和阴极过程更迭出现，这样就算干扰信号长期施加于研究系统，也无法
使极化现象持续发生[[32]。对钢筋混凝土体系施加信号以及输出响应信号如图2.2
所示。

    混凝土内钢筋的腐蚀现象是无法被绝对控制的，因此建立腐蚀模型来预测钢
筋腐蚀的发展趋势是十分有意义的。等效电路是指用一个简单的电路来表示被研
究电极系统的电学特性，当电极系统受到一个电极参量作用时会有相应的另外的
电极参量变化，等效电路法是一种应用体系和应用领域都非常广泛的方法，在电
磁学、电子学以及电化学等领域都有涉及，交流阻抗中的等效电路方法是采用相
应的电子元器件组成特定的电路，该电路与混凝土中钢筋的腐蚀过程具有相同的
电化学阻抗谱响应，通过该方法可以建立钢筋腐蚀过程的等效电路模型来研究钢
筋腐蚀过程和机理，通过建立钢筋混凝土系统的等效电路模型可以将这个复杂的
体系简单化处理，方便测量结果的数学处理。

    考虑到不同因素的影响，可以建立不同的等效电路，如Dawson等首先尝试在
混凝土和混凝土净浆中使用交流阻抗法来检测钢筋的腐蚀情况，其建立的等效电
路模型为Dawson模型[[38]，贺鸿珠等建立了模拟有钝化膜存在的等效电路模型[[39]
其等效电路图如图2.3所示。考虑到在钢筋混凝土体系中同时存在法拉第过程和非
法拉第过程这两个平行的过程，而且存在电解质的电阻，因此整个系统的腐蚀过
程等效电路如图2.4所示。