一种在线、快速检测细骨料含水率的装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种在线、快速检测细骨料含水率的装置及检测方法。利用IQ解调器、IQ调制器、示波器、放大器等组成高频电路，利用滑轨、发射天线、接收天线等建立微波测试平台；测试时将待测细骨料样品置于发射天线和接收天线之间，通过示波器采集样品微波信号的衰减与相移数据，从而计算出待测细骨料样品的介电常数与介电损耗；再根据已知含水率细骨料样品测试数据建立的模型，按照归纳的公式计算出待测细骨料样品的含水率。本发明专利技术方法与实验室标准烘干法以及其他含水率检测方法相比，具有检测过程迅速、稳定性好、准确性高等优点，可实时在线监测细骨料的含水率变化。

【技术实现步骤摘要】
一种在线、快速检测细骨料含水率的装置及检测方法
本专利技术涉及混凝土材料及检验检测
，具体涉及一种在线、快速检测细骨料含水率的装置及检测方法。
技术介绍
混凝土的水灰比对其工作性能、强度、耐久性有着重要的影响，而细骨料(如河沙、机制砂)含水率是控制混凝土水灰比的关键环节，决定了混凝土的实际用水量。当前大多数商品混凝土搅拌站都采用传统的烘干法测量细骨料含水率，然而这种方法不仅耗时长、效率低而且样品代表性差、检测次数少，不能真正反应待测细骨料的含水状态。因此如何在线、实时测定细骨料的含水率对提高混凝土质量具有十分重要的意义。目前细骨料的含水率测定方法是按照GB/T14684-2011《建设用砂》进行测试，具体方法如下：将自然潮湿状态下的试样用四分法缩分至约1100g，拌匀后分为大致相等的两份备用。称取一份试样的质量，精确至0.1g。将试样倒入已知质量的烧杯中，放在干燥箱中(105±5℃)烘干至恒重，温度精确至0.1℃。含水率按下式进行计算：式中，M为细骨料含水率，m1为待测细骨料的质量(烘干前质量)，m2为待测细骨料中所含水的质量(烘干后减轻的质量)。随着现代化商品混凝土工厂生产智能化的发展，传统的烘干技术早已不能满足生产控制的要求，全自动在线含水率测量技术成为人们关注的焦点。在线测量具有采样频率高、代表性强、时间短、误差小、精度高等优点，国内外在线测量方法主要有电导法、电容法、微波法、红外法以及中子散射法等。其中红外法应用比较广，在食品控制、煤炭、土壤检测等领域已经推广应用了较长时间，但是红外法存在的波长短、穿透深度浅等缺点使其局限在样品表面测量无法深入样品内部，并且该方法检测所得含水率代表性差。此外红外法也容易受物料颜色、形状以及细骨料密度的影响。微波法因具有稳定、快速、便捷等优势，近年来逐渐应用于物料的含水率检测领域，该方法主要原理是通过测量材料的介电特性确定材料的物理性质，如孔隙结构、含泥量、含水率等。介电特性是指材料在电场的作用下，表现出对静电能的储存和损耗的性质，通常用介电常数和介电损耗来表示，其大小表达式为ε＝ε′-jε"，j2＝-1。其中ε′为材料的介电常数，代表物质对静电能的储蓄能力；ε"为材料的介电损耗，代表物质在电场中能量转换所引起的能量损耗。当采用微波法测量细骨料的含水率时，实际测量的物理量是细骨料的介电性能，包括了介电常数与介电损耗。由于水是极性分子，在电场中会被极化成偶极子，水分子根据电磁场方向排列并在电场力的作用下发生偏转，这个过程中有部分电场能量向势能转换，能量的储存与损耗使得物质的介电常数与介电损耗发生变化。自然界中水的介电常数为80，远大于其他物质，而细骨料、碎石等无机物质的介电常数只有5左右。河砂的主要成分为二氧化硅，机制砂的主要成分为玄武岩，玄武岩的主要化学成分为二氧化硅与三氧化二铝。查询可知河砂与机制砂的介电常数非常接近，约为2-5。因此，本申请专利技术人提出通过测量细骨料的介电常数与介电损耗，建立函数ψ，通过方程计算出细骨料的含水率，实践表明该方法结果可靠度高、检测时间短。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在线、快速检测细骨料含水率的装置，该装置包括高频电路和微波测试平台；所述高频电路包括信号源、基带信号源、滤波器、隔离器、功分器、IQ调制器、发射天线、接收天线、(信号)放大器、IQ解调器、示波器，所述信号源、滤波器、隔离器、功分器依次电连接，所述功分器分别与IQ调制器、IQ解调器电连接，所述基带信号源、发射天线分别与IQ调制器电连接，所述接收天线、放大器、滤波器、IQ解调器依次电连接，所述示波器与IQ解调器电连接；所述微波测试平台包括基座以及固定在基座上的滑轨；发射天线、接收天线固定在微波测试平台的滑轨上并能沿滑轨滑动，待测样品放置在两根天线之间。信号源和基带信号源发出的信号通过IQ调制器后，经发射天线穿过待测样品被接收天线接收，接收到的信号经放大器放大，最终被IQ解调器解析并通过示波器显示出来。进一步的，信号源发射2.4GHz的载波信号，基带信号源发射300-600KHz的基带信号；载波信号和基带信号输入IQ调制器混频，混频信号经发射天线穿过待测样品被接收天线接收，接收天线接收到的信号依次输入放大器和示波器进行线性放大和滤波(示波器自身带滤波器)；经此处理后的信号输入IQ解调器进行解调，分离出基带信号；分离出的基带信号输入示波器，显示出待测细骨料样品的微波信号衰减ΔA和相移ΔΦ。本专利技术的另一目的在于提供一种利用上述装置在线、快速检测细骨料含水率的方法，该方法包括以下步骤：(a)将待测细骨料样品放置在微波测试平台的基座上，调节发射天线和接收天线至合适位置；(b)启动高频电路，获得待测细骨料样品的微波信号衰减ΔA和相移ΔΦ；(c)计算待测细骨料样品的含水率。进一步的，步骤(a)中沿滑轨滑动发射天线、接收天线，从而调节两根天线与待测细骨料样品之间的距离，使得获得的微波信号衰减ΔA最大。这样做是因为微波信号变化对含水率波动更加敏感，保证了测试数据更加准确。进一步的，待测细骨料样品的厚度(水平方向，即样品盒宽度)小于信号源发射的载波信号波长，这样可以有效减少微波信号的反射。进一步的，实验开始前需要建立模型，具体方法如下：制备一系列不同含水率的细骨料样品(标准样品)，按照步骤(a)-(b)测定这些样品的微波信号衰减ΔA和相移ΔΦ，建立含水率M与ΔA、ΔΦ之间的函数关系(计算公式)，后续测样时就能直接利用该函数关系快速计算出待测细骨料样品的含水率。更进一步，建立模型所需细骨料样品采用滚筒法进行制备，首先将细骨料倒入圆筒内密封，接着将圆筒置于滚轴上滚转10-20min。滚筒法制样能够保证细骨料样品含水率均匀，使得测试结果更加准确。人工搅拌法也能够制备细骨料样品，但是仅适用于含水率低的样品，含水率高的样品中的水分极易发生下渗，使得下部的含水率大于上部(1％-2％之间)，因此不推荐采用这种方法制样。进一步的，步骤(c)中计算过程如下：S1根据测得的样品微波信号衰减ΔA和相移ΔΦ，参照公式(1)和(2)计算样品的介电常数ε′与介电损耗ε"其中c为光速，d为样品厚度，f为信号源发射的载波信号频率，π为圆周率；S2将计算得到的介电常数ε′与介电损耗ε"带入公式(3)中计算密度无关因子af(即曲线斜率)，其中ρ代表细骨料样品密度，b代表截距，常数；S3利用计算得到的介电常数ε′、介电损耗ε"、密度无关因子af建立如公式(4)所示的密度无关函数ψ，S4建立如公式(5)所示的密度无关函数ψ、含水率M、细骨料样品温度T之间的函数，ψ＝a1M+a2T+a3(5)其中a1、a2、a3分别代表常数，由细骨料标准品标定。与现有技术相比，本专利技术方法具有方便、快捷、稳定等优点，可时时、在线监测细骨料的含水率变化；该方法受温度、样品密度等环境因素的干扰较小，测得的数据更加准确；河砂样品的测量数据表明，本专利技术方法的测量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种在线、快速检测细骨料含水率的装置，其特征在于：该装置包括高频电路和微波测试平台；所述高频电路包括信号源、基带信号源、滤波器、隔离器、功分器、IQ调制器、发射天线、接收天线、放大器、IQ解调器、示波器，所述信号源、滤波器、隔离器、功分器依次电连接，所述功分器分别与IQ调制器、IQ解调器电连接，所述基带信号源、发射天线分别与IQ调制器电连接，所述接收天线、放大器、滤波器、IQ解调器依次电连接，所述示波器与IQ解调器电连接；所述微波测试平台包括基座以及固定在基座上的滑轨，发射天线、接收天线固定在微波测试平台的滑轨上并能沿滑轨滑动，待测样品放置在两根天线之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种在线、快速检测细骨料含水率的装置，其特征在于：该装置包括高频电路和微波测试平台；所述高频电路包括信号源、基带信号源、滤波器、隔离器、功分器、IQ调制器、发射天线、接收天线、放大器、IQ解调器、示波器，所述信号源、滤波器、隔离器、功分器依次电连接，所述功分器分别与IQ调制器、IQ解调器电连接，所述基带信号源、发射天线分别与IQ调制器电连接，所述接收天线、放大器、滤波器、IQ解调器依次电连接，所述示波器与IQ解调器电连接；所述微波测试平台包括基座以及固定在基座上的滑轨，发射天线、接收天线固定在微波测试平台的滑轨上并能沿滑轨滑动，待测样品放置在两根天线之间。


2.如权利要求1所述的一种在线、快速检测细骨料含水率的装置，其特征在于：信号源发射2.4GHz的载波信号，基带信号源发射300-600KHz的基带信号。


3.如权利要求1所述的一种在线、快速检测细骨料含水率的装置，其特征在于：载波信号和基带信号输入IQ调制器混频，混频信号经发射天线穿过待测样品被接收天线接收，接收天线接收到的信号依次输入放大器和示波器进行线性放大和滤波；经此处理后的信号输入IQ解调器进行解调，分离出基带信号；分离出的基带信号输入示波器，显示出待测细骨料样品的微波信号衰减ΔA和相移ΔΦ。


4.一种在线、快速检测细骨料含水率的方法，其特征在于该方法包括以下步骤：(a)将待测细骨料样品放置在微波测试平台的基座上，调节发射天线和接收天线至合适位置；(b)启动高频电路，获得待测细骨料样品的微波信号衰减ΔA和相移ΔΦ；(c)计算待测细骨料样品的含水率。


5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：步骤(a)中沿滑轨滑动发射天线、接收...

【专利技术属性】
技术研发人员：万惠文，刘俊岩，符昱，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42