腐蚀监测传感器的原理如图1所示，其中电感L1与L2构成耦合线圈，M为互感，右侧为需埋入混凝土结构中的腐蚀监测传感器，主要由电感、电容、钢丝等组成LC电磁振荡回路。将封装好的腐蚀监测传感器中的钢丝暴露在混凝土中的钢筋附近，利用钢丝的通断即可判断钢筋的腐蚀信息。前期，本课题组已经对钢筋腐蚀监测传感器进行了相关方面的研究，本文仅对其参数进行优化仿真设计。通过计算读取电感L1两端电压的频率特性，可以定性地画出其幅频特性，如图2所示。
    以步进固定的正弦扫频波为信号源，通过单片机对读取电感两端的电压进行A／D转换并计算出电压值极小值Umin，然后对照扫频源的频率即可得出谐振频率。当钢丝导通与断开时，LC谐振频率发生变化，据此可判断出混凝土中钢筋的腐蚀信息。
    为了使读取电路准确地测量出钢筋的腐蚀状态信息，需主要关注以下性能参数：
    1)钢丝导通与断开时LC回路的谐振频率f2以及两者之差△f2：通过检测电压幅度的极小值Umin来判断谐振频率点f2，进而确定钢筋腐蚀的信息；同时谐振频率差△f2的值决定了判断钢筋腐蚀的难易程度，△f2越大，越容易判断。
    2)Dip的大小以及f2与f1之间的差值△f：Dip越大，对读取电路监测灵敏度要求越低；△f越大，扫频源的扫频步进越大，监测速度越快。如果参数设置不好，有可能会漏掉谐振点上的电压极小值，造成监测失败。[page]

2 腐蚀监测传感器的设计
    互感或耦合系数，反映线圈之间通过磁场变化相互耦合的程度，它们取决于线圈的匝数、几何尺寸、磁介质和线圈之间的相对位置，同时耦合系数k直接影响传感器性能参数△f和Dip的大小。我们期望在保证两线圈之间较远的距离的前提下，能够有较大的耦合系数。另外，考虑到为了不影响混凝土结构的性能，腐蚀监测传感器尺寸不能太大。
    ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的大型通用有限元分析软件，能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的分析，有着广泛的应用领域。本文采用ANSYS10．0版本进行仿真。
2．1 仿真步骤
    为了保证在较高的频率范围内进行腐蚀监测，同时提高耦合系数，采用磁导率为2800软磁铁氧体磁棒为磁芯。通过ANSYS仿真，希望能够得出磁棒的尺寸、线圈的匝数、线圈之间的相对位置等参数。
    ANSYS磁场分析分为5个步骤：创建物理环境、建立模型、加边界条件和载荷、求解、后处理查看计算结果。本文采用plane53单元建立1／2轴对称实体模型；为了更加真实的模拟线圈周围的真实磁场，在模型的周围建立20 cm的空气模型；另外为了提高计算的精度和兼顾计算机处理时间，设置自动网格划分精度Smart Size为3；在空气四周添加平行边界条件；利用二维静态磁场分析，为耦合线圈添加名义电流，采用Lmatrix宏来计算电感和互感的大小。采用ANSYS建立的耦合线圈的模型如图3所示。

2．2 磁棒尺寸的仿真设计
    假设磁棒1、2的半径和高度分别为r1、r2、h1、h2，匝数分别为N1、N2，两线圈之间的距离为s。令h1=h2=20 mm，N1=12，N2=26，s=20 mm。取r1=r2=5、10、15、20、25 mm，仿真线圈半径对k的影响，结果如图4所示。

    在图4中，k随r1、r2的增大而增大。但由于线圈2需埋入钢筋混凝土中，为不影响其性能，尺寸不能太大，所以取r2=25 mm。改变r1的值，观察k的变化，结果如图5所示。

    在图5中，k先随r1的增大而增大，当r1=35 mm时，达到最大值，随后随之减小，所以取r1=35 mm。
    磁棒高度与线圈匝数密切相关，当改变线圈匝数时要兼顾磁棒高度。取r1=35 mm，r2=25 mm，h1、h2随线圈匝数而改变。图6为N1=N2时，k受匝数的影响。为了不影响混凝土结构的性能，h2最大值为20 mm，此时N2=30匝，图7为N2=30，k随N1变化的结果。
    在图6中，随着N1、N2的增大，K随之增大；在图7中，当N2=30匝时，随着N1的增加，k随之增大，当N1>30后，k略有上升。综上，取N1=N2=30匝，h1=h2=20 mm。

    根据以上的分析，取r1=35 mm、r2=25 mm、N1=N2=30匝、h1=h2=20 mm。进行耦合电感的绕制，此时电感的大小为L1=200 μH、L2=140 μH。
    改变两线圈之间的距离s，得到不同的k值，为下面进行其他参数仿真设计提供依据，其结果如图8所示。从图8可以看出，随着线圈之间距离的增加，逐渐减小。所以在实际工程使用时，为了保证线圈之间的较高的耦合效率，的大小要适度。[page]

3 其他元件参数的仿真设计
    PSpice作为计算机辅助分析设计软件，具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，本文使用PSpice 10．5版本。依据图1搭建了如图9所示的传感器仿真电路图。其中TX1为互感，R2为电感电阻，R3为钢丝的电阻。通过改变扫频源电压幅值U、电阻R1、耦合系数k、电容C1、C2的大小，观察f1、△f2、△f以及Dip的变化。

    考虑到在读取电路的设计中，采用单片机作为主控芯片，其参考电压为2．5 V，所以取U=2．5 V。令R1=50Ω，k=0．0548(s=55 mm)，而改变C1、C2的值，观察Dip和△f的变化，结果如表1所示。

    从表1可以看出，△f随着电容的增加，和Dip没有显著的变化，只是谐振频率跟着相应的改变。但由于电感自身存在分布电容，同时考虑到电容本身存在误差，并且其值越大误差也越大，所以电容的取值要兼顾这两方面的影响；另外C1、C2取值较大时，钢丝通断前后谐振频率相差很大，这样扫频源的频率范围将较宽，监测需要的时间越久，综合考虑各个因素后，取C1=200 pF，C2=200 pF，此时钢丝通断时谐振频率分别为673．667 kHz，952．575 kHz。
    取U=2．5 V，C1=C2=200 pF，k=0．088439(s=40 mm)，改变电阻值，观察钢丝完好时和Dip的变化情况，其结果如表2所示。

    从表2可以看出，△f随着R1增大而逐渐变小，Dip则逐渐变大，为了提高读取电路监测的准确度，降低设计难度，同时兼顾监测速度，取R1=200 Ω。
    取U=2．5 V，C1=C2=200 pF，R1=200，改变k的大小(分别对应两线圈间的距离s=10、20、30、40、50、60、70、80 mm)，观察和Dip的变化，其结果如表3所示。

    从表3可以看出，随着值的减小，△f、Dip逐渐减小。考虑读取电路的监测灵敏度，当Dip≥0．5 V时，即可采集到钢筋腐蚀的信息，而△f仅影响扫频源的扫频步进和点数，即监测时间，可以通过在读取电路程序设计中来缩短采样时间，综上分析，两线圈之间的距离可以达到70 mm，满足实际工程的要求。

4 结束语
    文中利用ANSYS和PSpice软件仿真了混凝土中钢筋腐蚀监测传感器模型，为实际制作传感器提供了重要的参数依据。但这里仅考虑了钢筋是否腐蚀这两种情况，后期可以对钢筋腐蚀监测传感器加以改进，增加不同粗细的钢丝和电容的个数，以期可以监测到钢筋的不同腐蚀程度；另外，电感的分布电容尽管不是太大，但其对腐蚀监测传感器中电容的大小设置也有着重要的影响，还需要进一步研究。