CN109374692A - 一种基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法。通过分析在同一测量频率下不同类型的干硬性混凝土拌合物介电常数的频率特性，获得一个测量频率范围，在该范围内不同配比干硬性混凝土拌合物的介电常数受测量频率的影响程度均达到最小。利用介电探头法，通过将介电探头套件与安捷伦网络分析仪一起使用，在不同的测量频率下分析干硬性混凝土拌合物的介电常数与测量频率的关系，从而又可以求得信号源频率的一个范围值。将这两个测量频率范围结合，即可准确的选择信号源的发生频率。本发明可排除由于干硬性混凝土拌合物不同配比类型的不同对测量频率选取的影响，非常适用于需要精确选择信号源的发生频率的场合。

Description

一种基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法

技术领域

本发明涉及一种基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法，涉及电磁场理论中电磁波传输技术研究，属于电子信息领域中的电路与信息处理技术。

背景技术

介电特性法是指研究混凝土拌合物介电特性的实部与虚部部分，分析它们受到干硬性混凝土拌合物含水量的影响程度从而来间接测量干硬性混凝土拌合物含湿率的一种快速实时的方法。

混凝土拌合物是一种介于极性与离子性电介质之间的多孔复杂电介质，它的成分包括固体颗粒、空气以及水。混凝土拌合物中固体颗粒的相对介电常数为1～12，空气的相对介电常数为1，水的相对介电常数为78.2，水的相对介电常数要远大于空气以及混凝土拌合物固体颗粒。因此，可认为混凝土拌合物自由含水量，即含湿率会极大地影响混凝土拌合物介电常数的取值。

电介质材料的介电常数主要由三个部分组成，由于极化引起的能量存贮，由于介电弛豫引起的能量损失和传导引起的能量损失。极化和弛豫性能都可以看做电容，因此，介电常数同时描述电介质材料的电容行为和导电行为，这些行为可以用来测量电介质材料在固态(颗粒或多孔)、液态和气态下的化学性质和成分。复介电常数等效于一个阻抗，包括电阻和电抗(电容和电感)，其相位夹角为90°。复介电常数的实部和虚部均可以表示成频率的函数，因此电介质测量介电常数时的频率对介电常数的测量效果有着重要的作用。

混凝土拌合物是种复合介质，它的介电常数可用复数的形式表达：ε＝ε′-jε″，其中，ε′是指介电常数的实数部分，表示介质对电磁场的位移极化。电磁波的传播速度和电场受到ε′的影响。ε″是指介电常数的虚数部分，表示介质对电波的衰减特性。若要减少导体间介质的损耗则要尽量减少复介电常数虚部的影响，此时，选择一个合适的频率显得尤为重要。

发明内容

本发明根据现有技术的不足公开了一种基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法。

本发明目的是：设计一种基于介电特性混凝土拌合物传感器测量频率的优选方法，有利于测量频率的精确选择，从而确保传感器工作时的精确性。

本发明通过以下技术方案实现：

基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法，其特征在于包括以下方法：

1)测量频率选择：

根据混凝土拌合物介电特性确定最低测试频率；

配备不同配比的混凝土拌合物，获得并分析在同一测量频率下不同类型的混凝土拌合物介电常数的频率特性，得出一个测量频率范围，在该范围内不同配比混凝土拌合物的介电常数受测量频率的影响程度最小；

2)频率优选：

在方法1)获得的频率范围内，获得并分析同一混凝土拌合物不同频率介电常数的频率特性，得出一个测量频率范围，在该范围内介电常数受测量频率的影响程度最小；

3)将方法1)和方法2)获得的两个测量频率范围结合，得到准确的选择传感器测量信号源的发生频率。

本发明频率选择利用介电探头法，通过将介电探头设备与安捷伦网络分析仪联合使用，分析方法1)和方法2)混凝土拌合物测试频率与介电常数的关系，获得最优测量频率。

本发明所述配备不同配比混凝土拌合物至少应包括三种混凝土拌合物，三种混凝土拌合物中加水量各不相同。

本发明用于混凝土拌合物的最低测试频率不低于30MHz。

本发明根据德拜方程，将混凝土拌合物的介电常数分解为实数部分和虚数部分。在不同的频率段，实数和虚数所产生的作用是不相同的。以此作为基础，分析在相同的测量频率下，不同类型的混凝土拌合物的介电特性受测量频率的影响。

本发明在频率选择实验阶段，利用介电探头法，通过将介电探头装置与安捷伦网络分析仪一起使用，通过分析不同混凝土拌合物中的频率与介电常数之间的关系，从而来对信号源频率进行精确的选择。

本发明有益性：本发明方法通过分析在同一测量频率下不同类型的混凝土拌合物介电常数的频率特性，可以得出一个测量频率范围，在该范围内不同配比混凝土拌合物的介电常数受测量频率的影响程度均达到最小。利用介电探头法，通过将介电探头套件与安捷伦网络分析仪一起使用，在不同的测量频率下分析混凝土拌合物的介电常数与测量频率的关系，从而又可以求得信号源频率的一个范围值。将这两个测量频率范围结合，即可准确的选择信号源的发生频率。本发明方法可排除由于混凝土拌合物不同配比类型的不同对测量频率选取的影响，非常适用于需要精确选择信号源的发生频率的场合，优选得到基于介电特性的传感器测量频率。

附图说明

图1是本发明实施例不同混凝土配合比介电常数的频率特性；

图2是本发明实施例编号338的复介电常数(实部)与频率关系；

图3是本发明实施例编号338的复介电常数(虚部)与频率关系；

图4是本发明实施例编号346的复介电常数(实部)与频率关系；

图5是本发明实施例拌合物试验重复性曲线，图中，W是水介电常数与频率关系，A是空气介电常数与频率关系，H是拌合物重复试验水介电常数与频率关系。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进一步说明，具体实施方式是对本发明原理的进一步说明，不以任何方式限制本发明，与本发明相同或类似技术均没有超出本发明保护的范围。

结合附图。

下面以某工程混凝土拌合物测量频率的优选为例说明。

本实施例首先制备以下成分配比混凝土拌合物样：

1，测量频段分析与选择方法。

介电式混凝土拌合物水分传感器一般都选用高频或超高频的测量频率来测量混凝土拌合物水分含量，以此来减少介质损耗。根据德拜方程，可以将复介电常数分解为实部和虚部。不同的频率段，实数和虚数所产生的作用是不相同的。就水而言，如果测试频率高于30MHz，那么此时主要起作用的将会是实数部分，因为复介电常数的虚数部分会明显下降。因此，为了尽量减小虚数部分的作用，测试频率不低于30MHz。Hilhost和Dirksen的研究表明：混凝土拌合物介电常数的实部ε’(ω)随着测量频率f的不同出现显著差别。如图1所示，在100MHz～500MHz频段范围内，配合比编号为338、342、346介电常数的频率特性能很好的交汇，而在此频段外，它们的频率特性便不能够很好的交汇，发散性很强。在该频段内可排除由于混凝土拌合物类型的不同对频率选择造成的影响。因此，测试频率应该选择在100MHz～500MHz之间。

2，在确定测量频段后，通过实验分析进行频率优选。在不同的测量频率下分析混凝土拌合物的介电常数与测量频率的关系，从而又可以求得信号源频率的一个范围值。将这两个测量频率范围结合，即可准确的选择信号源的发生频率。

在频率选择实验阶段，本发明利用介电探头法，通过将介电探头套件与安捷伦网络分析仪一起使用，分析不同混凝土拌合物中频率与介电常数之间的关系，从而来对信号源频率进行正确的选择。

信号源选择的试验一共采用了配合比编号为338、342、346三种混凝土拌合物类型，向混凝土拌合物中依次加入不等量的蒸馏水，将他们配置成不同含水量试验样。逐一测量每种类型的试验样，进而来分析频率对混凝土拌合物介电常数的影响。

对每种混凝土拌合物进行测试后，记录数据。对实验数据曲线拟合，观察比较。图2和图3表明不同含水量的石英砂在频率的影响下，配合比编号为338复介电常数的实数部分受频率的影响。从图2中可看出，在频率为100MHz左右或为1GHz左右的时候，介电常数是趋于平缓的，此时介电常数受到频率的影响程度是相当小的。从图3中可知，当f＞100MHz时，随着f上升，配合比编号为338的复介电常数虚部均显著降低，并且在100MHz左右时介质损耗趋近0。在频率为1GHz左右时，也出现了同样的情况。由此能够看出，信号源频率选为100MHz左右或1GHz左右时，介电常数基本不受频率影响。

图4表示配合比编号为346的复介电常数(实部)与频率关系曲线。考虑到实验的偶然性，对346号进行重复性实验，观察比较分析频率与混凝土拌合物介电常数的关系，曲线拟合结果如图5所示。由图5可知，在频率为100MHz～1GHz的中间段时，混凝土拌合物的介电常数不稳定，受到频率的影响较大；当频率为10MHz～100MHz或者大于1GHz时，介电常数有非常好的重复性，基本不受频率影响。观察346号复介电常数的实部与频率的关系曲线可知，在范围为10MHz～100MHz的室温频率段下，复介电常数的实数部分受到频率的影响较大。因此，可以得出，信号源频率选择在100MHz左右或1GHz左右时，介电常数受频率的影响较小。

由于测试频率10MHz～100MHz或大于1GHz时，介电常数重复性较好，基本不受频率影响。因此，本例选用信号源的频率为100MHz。该方法适用于不同的混凝土拌合物类型，在不同的测量环境中，可通过该方法进行传感器测量频率的选择。

Claims (4)

1.一种基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法，其特征在于包括以下方法：

1)测量频率选择：

根据混凝土拌合物介电特性确定最低测试频率；

配备不同配比的混凝土拌合物，获得并分析在同一测量频率下不同类型的混凝土拌合物介电常数的频率特性，得出一个测量频率范围，在该范围内不同配比混凝土拌合物的介电常数受测量频率的影响程度最小；

2)频率优选：

在方法1)获得的频率范围内，获得并分析同一混凝土拌合物不同频率介电常数的频率特性，得出一个测量频率范围，在该范围内介电常数受测量频率的影响程度最小；

3)将方法1)和方法2)获得的两个测量频率范围结合，得到准确的选择传感器测量信号源的发生频率。

2.根据权利要求1所述的基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法，其特征在于：频率选择利用介电探头法，通过将介电探头设备与安捷伦网络分析仪联合使用，分析方法1)和方法2)混凝土拌合物测试频率与介电常数的关系，获得最优测量频率。

3.根据权利要求1所述的基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法，其特征在于：所述配备不同配比混凝土拌合物至少应包括三种混凝土拌合物，三种混凝土拌合物中加水量各不相同。

4.根据权利要求1所述的基于介电特性的混凝土拌合物传感器测量频率优选方法，其特征在于：所述最低测试频率不低于30MHz。