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  建筑材料中湿度测量的新型微波法
 
发 布 者:dt1718  添 加 时 间:2012/10/19  点 击 数:3053 

 
建筑材料中湿度测量的新型微波法
 
湿度是建筑物健康情况评价中,最有争议的一个方面。浪费时间,以及众所周知的干燥和碳化钙方法的损耗,限制了他们在现场检测中的使用。电导率和低频电容测量受盐度的影响。

微波探测器能够克服这些困难。因此认为微波结构可用于含水量的测量。另外,可更换探头的微型湿度仪准备用于不同测试深度。最后是一些应用实例。

微波水分测量,水含量,表面探头,建材
 
1.简介
因为常用的直接测量湿度的方法,例如干燥,碳化钙方法或卡尔费休滴定需要从建筑取样,它们属于破坏性,而且耗费时间。因此,这些方法不适合对水分分布做更仔细的检查,或通过湿度图来定位渗漏。

此外,测试往往需要处理材料的一面,就像地下室一样,如此规定运输方法或定义样品的尺寸。其他既定方法,如导电性和低频电容测量,受盐度影响,由于在建筑材料中长期水扩散或添加剂。

微波频率在兆赫范围往往可以克服这个问题,因为频率的平方根会减少盐分的影响。因此,这项工作的目标是选择和优化用于建筑及建造材料检测的,适合湿度的便携式微波结构。
 
 
2.
湿度检测的基本要求是快速,操作简便,一人一个测试面可以操作,重量轻,固定样本大小,电力稳定和在建筑行业的对工作条件抗逆性。

此外,建筑部位的扫描或渗漏定位,应该根据自己的位置,有序的存储测量数据,并将数据传输到计算机。也应提供简单的统计方法,例如平均数。

微波,和所有其他的方法一样,受到多层墙体结构,沟,不同的孔隙率和粗的表面质量的机械和化学物质不均匀性的影响。由于内部结构或孔隙度和影响的粗接触面积的影响,电磁波领域和湿材料之间的相互影响要大到足以平衡小范围材料的不均匀性。在另一方面,影响程度应限制在可探测到的一定的数量,区域或深度。由于这些要求大相径庭,而某个单一的微波结构并不能满足此要求。因此,选定了如图1所示的,可更换传感器探头的测试设置。

此设置包括一个口袋大小的控制连接探头和显示测量数据的传感器和用短电缆连接的可变湿度探头。探针含有水分形平面微波磁盘结构,包括高频检测电子元件的抓紧力强的金属部位。触发微波传感器在前端的略低位置,和样本保持一定的距离。

图 1 :口袋大小的测量装置与两个可互换的湿度探头
 
 
3.测量方法的选择和微波结构
微波水分传感方法,通过分析线性电磁特性或在谐振器和天线范围内参数变化,利用介质材料的含水量的变化进行测量。

对于平面样品的单面测量和平衡一定范围内的物质组成和接触面积不均匀性,只有平面天线和谐振器结构可行。在首选的微波频段在2.45 GHz的ISM微波,特别设计谐振器影响范围扩展到了某些厘米级别,在毫米范围内可以克服不均匀性的影响。天线的波场在潮湿的材料损耗范围内,受到电磁衰减长度影响,通常在分米级别。因此,谐振和天线结构的原理适合与建筑结构的适度测量。

3.1 线性谐振表面探头
线性谐振器技术尤其适合作为湿度传感装置,因其固有的平面形状,其抗变形及制造简单。正面和底板导体间的电场,主要集中在基板内部。但是,在毫米距离的中等范围干扰场,中主要是由于谐振器相对的被控线段。因此,扩大场的范围,就是相当于让相对电荷中心位置的距离达到,微波频率下,波长一半的最大距离。(独立基板,2.45千兆赫,3-5厘米) 。

由于探头中,触发微波结构的安装位置低些,这部分通过空气带和样本相互作用,如图1所示。在毫米范围内可达到微小不均匀性的平衡。另外,由谐振器的加载所导致的模式转换可以避免。通过振荡线性耦合或更大范围的环形耦合,可以获得更好的平均效果。2.45 GHz频率的一个有效平均作用面积范围在直径30至60毫米,小到足以解决个别单砖的含水量。

图 2显示的是这种线性谐振探头的前面的一部分。使用普通铜制造的圆形底盘,封闭探头。底盘使用微线性技术,分成连个对称的环形谐振器。谐振环是由包含通道和耦合带的电路。传感器探头用短的电缆和便携仪器相连接,使其可以在例如地面附近或天花板上等,不能方便进行测试的位置使用。

图2线性谐振探头的前端图    3贴片天线探头的前端
 
如图2所示的高度对称谐振器结构,可以防止由于辐射微波的反射,而造成样品的传感信号的振动,在下面的天线部分会讨论。无辐射影响下,谐振探头记录深度可达1-3厘米,取决于材料和含水量。因此他们非常适合近地表湿度测量或检查层状结构,例如灰墙。由于扩散后,含水量达到平衡,这也可以对无法接触的,更深的不均匀建筑部位得到间接的分布图。

3.2贴片天线体积探针

辐射天线结构的使用能够获得比非辐射谐振器更大的记录深度。这可以测量较厚的墙体或地下室的内部含水量。由于其平整度和简单的制造,微线性技术中的贴片天线,如图3所示,非常适合用于这一目的。

此外,由于近场的相互作用,和谐振器一样,天线想样本中发射电磁波。对于位于样品表面的贴片天线,有一定的空气带,点阻抗适当地取决于样品的介电常数。这是作为湿度传感器使用中的基本作用。空气带的宽度,可用于调整天线和样品材料之间的相互作用强度。
然而,天线的馈电点阻抗也取决于接收到的样本的后侧的反射能量。因此,样本要足够厚,以确保反射波足够的衰减。这需要样品厚度20-50厘米,较大的密度值较低,和一定百分比的含水量,干低密度物质要有较大的厚度,如保温材料。此外,由于辐射光束的散射,样品区域应该是相同的大小。

如图3所示,贴片天线探头的基本结构和谐振器探针是非常相似的。唯一明显的不同之处是天线的平板状前端,提高了定向辐射模式,表明了最少样品区域。此外它保证了固定天线和样品的距离。
 
 
4.试验和应用
对于这两种探针和各种建筑材料,像砖,多孔混凝土,沙子石头或木材,都可以系统而独立的调查湿度。因此,网络分析仪HP8752A用于采集所有不同的物质的复杂的反射系数的扫频曲线和水分含量。结果发现,共振参数的变化要大到足以对一个选定的固定频率的材料做水分测定。

测量反射系数的测定可以和含水量相关,通过干燥方法的与实验数据点校准的参考方法。图4所示谐振型探头。偏差测定是由于材料和表面接触的不均匀性。

数值插值算法和校准点,包含在微控制器程序代码中,可在口袋式湿度仪运行。因此,在选择菜单驱动的检测实质内容后,仪器直接给出样本内的湿度比。

此外,仪器可以以各种尺寸的表格来存储测试数据。因为每个测量只需要几秒钟,建筑物的部位可以在很短的时间内进行扫描。在线平均高达16测量点的速度,提高了粗糙表面的可靠度。稍后的数据阵列可通过一个标准的串行接口传输到计算机中。

图5所显示的某地下室墙湿度分布,使用的是测量体积的贴片天线探针阵列网宽20厘米。这些数据三点平均值几乎在同一位置。左下角的渗漏和墙体附近更高的湿度清晰可见。

图4 :谐振探针功能     图5 :地下室墙的湿度分布
 
在同一探测区域,两个探头的综合使用可以帮助定位水分的来源。通过比较近地表含水量和绝缘区渗漏深度的含水量,能够区分由于湿气造成的冷凝水。

5结论

特别设计的平面微波谐振器和天线的结构很适合用于紧凑型探头的便携式湿度仪。他们在记录深度,平均范围和应用领域上很好的相互补充。

重复检测或渗漏定位的测量精度足够。测量时间短和符合人体工程学的操作的数据阵列,使测绘整个建筑部位的湿度分布图可行。
   
 
   
   
 
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