建筑材料中濕度測(cè)量的新型微波法
濕度是建筑物健康情況評(píng)價(jià)中，最有爭(zhēng)議的一個(gè)方面。浪費(fèi)時(shí)間，以及眾所周知的干燥和碳化鈣方法的損耗，限制了他們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的使用。電導(dǎo)率和低頻電容測(cè)量受鹽度的影響。
微波探測(cè)器能夠克服這些困難。因此認(rèn)為微波結(jié)構(gòu)可用于含水量的測(cè)量。另外，可更換探頭的微型濕度儀準(zhǔn)備用于不同測(cè)試深度。最后是一些應(yīng)用實(shí)例。
微波水分測(cè)量，水含量，表面探頭，建材
1.簡(jiǎn)介
因?yàn)槌Ｓ玫闹苯訙y(cè)量濕度的方法，例如干燥，碳化鈣方法或卡爾費(fèi)休滴定需要從建筑取樣，它們屬于破壞性，而且耗費(fèi)時(shí)間。因此，這些方法不適合對(duì)水分分布做更仔細(xì)的檢查，或通過濕度圖來定位滲漏。
此外，測(cè)試往往需要處理材料的一面，就像地下室一樣，如此規(guī)定運(yùn)輸方法或定義樣品的尺寸。其他既定方法，如導(dǎo)電性和低頻電容測(cè)量，受鹽度影響，由于在建筑材料中長(zhǎng)期水?dāng)U散或添加劑。
微波頻率在兆赫范圍往往可以克服這個(gè)問題，因?yàn)轭l率的平方根會(huì)減少鹽分的影響。因此，這項(xiàng)工作的目標(biāo)是選擇和優(yōu)化用于建筑及建造材料檢測(cè)的，適合濕度的便攜式微波結(jié)構(gòu)。
2.
濕度檢測(cè)的基本要求是快速，操作簡(jiǎn)便，一人一個(gè)測(cè)試面可以操作，重量輕，固定樣本大小，電力穩(wěn)定和在建筑行業(yè)的對(duì)工作條件抗逆性。
此外，建筑部位的掃描或滲漏定位，應(yīng)該根據(jù)自己的位置，有序的存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。也應(yīng)提供簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)方法，例如平均數(shù)。
微波，和所有其他的方法一樣，受到多層墻體結(jié)構(gòu)，溝，不同的孔隙率和粗的表面質(zhì)量的機(jī)械和化學(xué)物質(zhì)不均勻性的影響。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)或孔隙度和影響的粗接觸面積的影響，電磁波領(lǐng)域和濕材料之間的相互影響要大到足以平衡小范圍材料的不均勻性。在另一方面，影響程度應(yīng)限制在可探測(cè)到的一定的數(shù)量，區(qū)域或深度。由于這些要求大相徑庭，而某個(gè)單一的微波結(jié)構(gòu)并不能滿足此要求。因此，選定了如圖1所示的，可更換傳感器探頭的測(cè)試設(shè)置。
此設(shè)置包括一個(gè)口袋大小的控制連接探頭和顯示測(cè)量數(shù)據(jù)的傳感器和用短電纜連接的可變濕度探頭。探針含有水分形平面微波磁盤結(jié)構(gòu)，包括高頻檢測(cè)電子元件的抓緊力強(qiáng)的金屬部位。觸發(fā)微波傳感器在前端的略低位置，和樣本保持一定的距離。
圖 1 ：口袋大小的測(cè)量裝置與兩個(gè)可互換的濕度探頭
3.測(cè)量方法的選擇和微波結(jié)構(gòu)
微波水分傳感方法，通過分析線性電磁特性或在諧振器和天線范圍內(nèi)參數(shù)變化，利用介質(zhì)材料的含水量的變化進(jìn)行測(cè)量。
對(duì)于平面樣品的單面測(cè)量和平衡一定范圍內(nèi)的物質(zhì)組成和接觸面積不均勻性，只有平面天線和諧振器結(jié)構(gòu)可行。在首選的微波頻段在2.45 GHz的ISM微波，特別設(shè)計(jì)諧振器影響范圍擴(kuò)展到了某些厘米級(jí)別，在毫米范圍內(nèi)可以克服不均勻性的影響。天線的波場(chǎng)在潮濕的材料損耗范圍內(nèi)，受到電磁衰減長(zhǎng)度影響，通常在分米級(jí)別。因此，諧振和天線結(jié)構(gòu)的原理適合與建筑結(jié)構(gòu)的適度測(cè)量。
3.1 線性諧振表面探頭
線性諧振器技術(shù)尤其適合作為濕度傳感裝置，因其固有的平面形狀，其抗變形及制造簡(jiǎn)單。正面和底板導(dǎo)體間的電場(chǎng)，主要集中在基板內(nèi)部。但是，在毫米距離的中等范圍干擾場(chǎng)，中主要是由于諧振器相對(duì)的被控線段。因此，擴(kuò)大場(chǎng)的范圍，就是相當(dāng)于讓相對(duì)電荷中心位置的距離達(dá)到，微波頻率下，波長(zhǎng)一半的最大距離。（獨(dú)立基板，2.45千兆赫，3-5厘米） 。
由于探頭中，觸發(fā)微波結(jié)構(gòu)的安裝位置低些，這部分通過空氣帶和樣本相互作用，如圖1所示。在毫米范圍內(nèi)可達(dá)到微小不均勻性的平衡。另外，由諧振器的加載所導(dǎo)致的模式轉(zhuǎn)換可以避免。通過振蕩線性耦合或更大范圍的環(huán)形耦合，可以獲得更好的平均效果。2.45 GHz頻率的一個(gè)有效平均作用面積范圍在直徑30至60毫米，小到足以解決個(gè)別單磚的含水量。
圖 2顯示的是這種線性諧振探頭的前面的一部分。使用普通銅制造的圓形底盤，封閉探頭。底盤使用微線性技術(shù)，分成連個(gè)對(duì)稱的環(huán)形諧振器。諧振環(huán)是由包含通道和耦合帶的電路。傳感器探頭用短的電纜和便攜儀器相連接，使其可以在例如地面附近或天花板上等，不能方便進(jìn)行測(cè)試的位置使用。
圖2線性諧振探頭的前端圖 3貼片天線探頭的前端
如圖2所示的高度對(duì)稱諧振器結(jié)構(gòu)，可以防止由于輻射微波的反射，而造成樣品的傳感信號(hào)的振動(dòng)，在下面的天線部分會(huì)討論。無(wú)輻射影響下，諧振探頭記錄深度可達(dá)1-3厘米，取決于材料和含水量。因此他們非常適合近地表濕度測(cè)量或檢查層狀結(jié)構(gòu)，例如灰墻。由于擴(kuò)散后，含水量達(dá)到平衡，這也可以對(duì)無(wú)法接觸的，更深的不均勻建筑部位得到間接的分布圖。
3.2貼片天線體積探針
輻射天線結(jié)構(gòu)的使用能夠獲得比非輻射諧振器更大的記錄深度。這可以測(cè)量較厚的墻體或地下室的內(nèi)部含水量。由于其平整度和簡(jiǎn)單的制造，微線性技術(shù)中的貼片天線，如圖3所示，非常適合用于這一目的。
此外，由于近場(chǎng)的相互作用，和諧振器一樣，天線想樣本中發(fā)射電磁波。對(duì)于位于樣品表面的貼片天線，有一定的空氣帶，點(diǎn)阻抗適當(dāng)?shù)厝Q于樣品的介電常數(shù)。這是作為濕度傳感器使用中的基本作用�？諝鈳У膶挾龋捎糜谡{(diào)整天線和樣品材料之間的相互作用強(qiáng)度。
然而，天線的饋電點(diǎn)阻抗也取決于接收到的樣本的后側(cè)的反射能量。因此，樣本要足夠厚，以確保反射波足夠的衰減。這需要樣品厚度20-50厘米，較大的密度值較低，和一定百分比的含水量，干低密度物質(zhì)要有較大的厚度，如保溫材料。此外，由于輻射光束的散射，樣品區(qū)域應(yīng)該是相同的大小。
如圖3所示，貼片天線探頭的基本結(jié)構(gòu)和諧振器探針是非常相似的。唯一明顯的不同之處是天線的平板狀前端，提高了定向輻射模式，表明了最少樣品區(qū)域。此外它保證了固定天線和樣品的距離。
4.試驗(yàn)和應(yīng)用
對(duì)于這兩種探針和各種建筑材料，像磚，多孔混凝土，沙子石頭或木材，都可以系統(tǒng)而獨(dú)立的調(diào)查濕度。因此，網(wǎng)絡(luò)分析儀HP8752A用于采集所有不同的物質(zhì)的復(fù)雜的反射系數(shù)的掃頻曲線和水分含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，共振參數(shù)的變化要大到足以對(duì)一個(gè)選定的固定頻率的材料做水分測(cè)定。
測(cè)量反射系數(shù)的測(cè)定可以和含水量相關(guān)，通過干燥方法的與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)校準(zhǔn)的參考方法。圖4所示諧振型探頭。偏差測(cè)定是由于材料和表面接觸的不均勻性。
數(shù)值插值算法和校準(zhǔn)點(diǎn)，包含在微控制器程序代碼中，可在口袋式濕度儀運(yùn)行。因此，在選擇菜單驅(qū)動(dòng)的檢測(cè)實(shí)質(zhì)內(nèi)容后，儀器直接給出樣本內(nèi)的濕度比。
此外，儀器可以以各種尺寸的表格來存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。因?yàn)槊總�(gè)測(cè)量只需要幾秒鐘，建筑物的部位可以在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行掃描。在線平均高達(dá)16測(cè)量點(diǎn)的速度，提高了粗糙表面的可靠度。稍后的數(shù)據(jù)陣列可通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。
圖5所顯示的某地下室墻濕度分布，使用的是測(cè)量體積的貼片天線探針陣列網(wǎng)寬20厘米。這些數(shù)據(jù)三點(diǎn)平均值幾乎在同一位置。左下角的滲漏和墻體附近更高的濕度清晰可見。
圖4 ：諧振探針功能 圖5 ：地下室墻的濕度分布
在同一探測(cè)區(qū)域，兩個(gè)探頭的綜合使用可以幫助定位水分的來源。通過比較近地表含水量和絕緣區(qū)滲漏深度的含水量，能夠區(qū)分由于濕氣造成的冷凝水。
5結(jié)論
特別設(shè)計(jì)的平面微波諧振器和天線的結(jié)構(gòu)很適合用于緊湊型探頭的便攜式濕度儀。他們?cè)谟涗浬疃�，平均范圍和�?yīng)用領(lǐng)域上很好的相互補(bǔ)充。
重復(fù)檢測(cè)或滲漏定位的測(cè)量精度足夠。測(cè)量時(shí)間短和符合人體工程學(xué)的操作的數(shù)據(jù)陣列，使測(cè)繪整個(gè)建筑部位的濕度分布圖可行。 |
