CN112630235A - 一种基于贴片天线的混凝土凝结时间检测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于贴片天线的混凝土凝结时间检测系统，其特征在于，包括RFID标签传感器、阅读器和输出模块，构建成RFID系统。控制器以周期性调整系统发射频率以跟踪和保持与预埋于待测混凝土中的传感器保持通信；数字处理模块根据系统当前保持有效通信频率确定传感器目前工作谐振频率，计算和推算出当前混凝土的含水率或者介电常数；另外，根据检测RFID标签的谐振频率漂移情况，依此推算出上覆混凝土介电常数变化趋势，从而推导出上覆混凝土的含水率变化趋势，从含水率变化趋势推得混凝土的凝结时间；输出模块显示数字处理模块得到的趋势曲线、当前的监测参数、推算的混凝土的凝结剩余时间点。

Description

一种基于贴片天线的混凝土凝结时间检测系统

技术领域

本申请涉及混凝土结构施工及其质量监测技术。

背景技术

混凝土结构在施工过程中需要确保混凝土质量合格，必须要保证混凝土各阶段水化符合标准，通过检测混凝土的凝结时间，可以方便的判断混凝土此刻的水化状态，从而定性的判断混凝土结构的施工质量。因此，在混凝土施工时，对混凝土的凝结时间进行检测是确有必要的。

传统的混凝土凝结时间由混凝土贯入度进行判断，这种测试方案虽然操作方便，测试较为准确，但对人力素质要求比较高，且需要长时间的人工测量。因此，学者对混凝土的凝结时间检测手段进行了研究，并提出了数种检测混凝土凝结时间的手段，如混凝土水化热法、介电常数法、剪切波速法等。

其中，混凝土水化热法通过检测混凝土的水化放热总量来判断混凝土凝结时间，但是检测阶段数据受环境温度影响严重，数据存在较大偏差；另外，混凝土内部水化热也较难进行检测。

其中，介电常数法通过检测混凝土的介电常数变化来反映混凝土的凝结时间，但是检测混凝土介电常数需要进行外加电缆和能源，且较难实现无源无线化，难以应用于实际工程检测。

其中，剪切波速法通过测量P波和S波在混凝土内部的波速变化来判断混凝土的凝结时间。同样需要外加电缆和能源，同时，检测设备和终端都较为昂贵，不适用于工地使用。

发明内容

本申请针对现有技术的缺点，为解决传统传感器有线提供能量和传输信息的问题，本申请公开了一种基于贴片天线的混凝土凝结时间检测传感器，简化了混凝土凝结时间测定方式，降低混凝土凝结时间监测成本，实现对混凝土结构凝结时间无源无线的监测。进一步的，本申请公开一种基于贴片天线的混凝土凝结时间监测系统，可降低结构形变监测成本。

技术方案二

一种基于贴片天线的混凝土凝结时间检测系统，其特征在于，包括RFID标签9传感器、阅读器100和输出模块，构建成RFID系统，其中：

基于贴片天线的混凝土凝结时间检测传感器设计由两个组件构成，其中：

组件一包括下防水膜1、接地平面2、基板3、辐射贴片4、芯片5，依次呈由下而上的位置关系：辐射贴片4和芯片5都置于基板3上，相互电连接，再一起安装于接地平面2之上；贴片4和芯片5，两者高度相当；

组件二包括上防水膜6、防水上盖板7、防水侧盖板8；防水上盖板7、防水侧盖板8形成外罩结构，用于容纳和保护组件一传感器；

传感器预置于待测混凝土中，传感器即RFID标签与阅读器100之间的距离在通信读取范围内；在混凝土凝结时间的测量中，随着混凝土水化的进行，混凝土内部的含水率逐渐下降，混凝土的介电常数随之缓慢下降，被混凝土覆盖的传感器的谐振频率则随之缓慢上升，此时，RFID阅读器检测RFID标签的谐振频率也适应性漂移，依此根据漂移特征曲线推算出上覆混凝土介电常数变化趋势；预测混凝土介电常数将随混凝土含水率降低而呈线性降低，如此上覆混凝土的含水率和含水率变化率的变化趋势可视作与混凝土介电常数和介电常数变化率相同；

系统控制阅读器100以周期性调整发射频率以跟踪和保持与预埋于待测混凝土中的传感器保持通信，实时获得当前混凝土的含水率或者介电常数。

本申请特点及有益效果：

(1)基于贴片天线的混凝土凝结时间检测传感器可以感知上覆混凝土的介电常数变化，并且传感器的谐振频率的漂移量与上覆混凝土介电常数变化在固定范围内有较为明确的关系；

(2)检测设备可通过电磁波激活传感器使其工作，不需要额外的电源，实现传感器的无源；

(3)基于贴片天线的混凝土凝结时间检测传感器大大降低了传感器的制作成本。

(4)通过电磁波进行信息传输，不需要同轴线，使传感系统更加简单，布置更加灵活，在自然灾害下更不容易失效。

(5)通过电磁波提供能量，不需要电源线或电池为传感系统提供能量，减少了传感器安装的劳动力以及传感系统的成本。

(6)监测系统以传感器天线的谐振频率作为测量参数，来反映上覆混凝土含水率和含水率变化率，该测量参数受距离和环境噪声等因素的影响可忽略，增加了该传感系统的适用性。

(7)监测系统通过传感器天线谐振频率变化，反映混凝土含水率变化状态，从而计算混凝土含水率变化率，并以此反映混凝土凝结状态。该方案中，混凝土含水率和含水率的变化率的变化状态和特性几乎不受混凝土种类的限制，因此，基于含水率和含水率变化率的变化状态的凝结时间测量方式可以通用于多种混凝土产品的凝结时间检测。本领域皆知混凝土是一个很宽泛的概念，对混凝土的性质状态进行测量除了受外部环境影响，往往要考虑混凝土自身特性决定。本申请技术方案能绕开混凝土的多种差异化限制(如混凝土水灰比、配合比、用料等)。

(8)传感器的成本较之现有传统的传感器极为低廉，可以作为预制设备与结构一同设计和建造，建设起实时监测的网络。

附图说明

图1实施例1中传感器外观结构示意

图2实施例1中由组件一、二构成的RFID标签传感器的拆解图

图3实施例2系统构成及测试示意图

图4实施例2中测试实验谐振频率-时间-混凝土初凝时间关系图

图5实施例2中测试实验谐振频率变化率-时间-混凝土终凝时间关系图

图6实施例2中测试实验表2数据对比和试验误差

数字标记：

1-下防水膜、2-接地平面、3-基板、4-辐射贴片、5-芯片；

6-上防水膜、7-防水上盖板、8-防水侧盖板；

9-基于贴片天线的混凝土凝结时间检测传感器、10-发射天线、11-阅读器、12-数据采集装置、13-混凝土。

具体实施方式

下面将结合具体实施例及其附图对本申请提供的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本申请的优点和特征将更加清楚。

需要说明的是，本申请的实施例有较佳的实施性，并非是对本申请任何形式的限定。本申请实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本申请优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本申请实施例所属技术领域的技术人员所理解。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

本申请的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本申请实施例的目的，并非是限定本申请可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本申请所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本申请所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本申请各附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。

以下结合附图和实施例对本申请技术方案做详细说明。共3个实施例。

实施例1

一、结构设计

本申请公开了一种基于贴片天线的混凝土凝结时间检测传感器设计，为需要保护的核心专利之一，如图1所示，它由两个组件构成，其中：

组件一包括下防水膜1、接地平面2、基板3、辐射贴片4、芯片5，依次呈由下而上的位置关系：辐射贴片4和芯片5都置于基板3上，相互电连接，再一起安装于接地平面2之上；贴片4和芯片5，两者高度相当；

组件二包括上防水膜6、防水上盖板7、防水侧盖板8；防水上盖板7、防水侧盖板8形成外罩结构，用于容纳和保护组件一传感器；上防水膜6胶粘于辐射贴片4上方以及进入外罩结构连接接缝处，提供全方位的防水保障。

二、设计原理及有益效果：

本发明应用了贴片天线的谐振特性。组件一中的接地平面2、基板3和辐射贴片4构成了一个贴片天线。贴片天线的谐振频率与上覆物水泥混凝土的介电常数有关。当作为上覆物的混凝土介电常数变化时，贴片天线的谐振频率随之变化。

本申请无源无线的传感器9，本质上是无源RFID标签。无源RFID标签，不需要通过预装电池或者馈电线进行能量输入，而是通过接收发射天线的电磁波进行能源输入；无线是指本申请不需要额外的馈电线进行数据传输，具体表现为当混凝土的含水率发生变化时，其介电常数随之变化，传感器内部组件一中的贴片天线谐振频率发生变化，本发明使用者可以通过阅读器无源无线获取天线谐振频率的改变量，进而推算出混凝土介电常数变化量，推导得到混凝土含水率和含水率变化率，从而得到上覆混凝土的凝结时间信息。

三、作为实施例，仅举例而非限定本专利技术方案的保护范围，进一步给出具体化的结构细节、工艺实现或者推荐的优化措施：

接地平面2通过沉金工艺镀于基板3下方；

辐射贴片4通过沉金工艺镀于基板3上方；

芯片5通过锡焊连接于基板2上；

芯片5与辐射贴片4接触并通过锡焊进行电导通。

防水上盖板7和防水侧盖板8采用亚克力塑料材质；

上防水膜6和下防水膜1采用聚乙烯塑料材质；

辐射贴片4和接地平面2采用铜，基板3采用RT5880或FR4材质。

四、监测使用方式：

如图3所示，传感器9于施工浇筑混凝土时与混凝土一同浇筑并内置于混凝土内部。内置时，传感器上侧的防水上盖板7对准离混凝土表面一侧，以防止传感器上下颠倒。

实施例2(应用系统及监测)

以下进一步公开本申请的系统专利，为需要保护的核心专利之二。

基于实施例1进一步给出监测系统及使用。

为突破传统混凝土凝结时间传感器中有源、有线的限制，本实施例实现施工中混凝土凝结时间监测的自动化，提出了一种基于贴片天线的混凝土凝结时间监测系统。无线射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)技术为凝结时间检测系统设计提供了一种新思路，可以实现无需外部有线电源的混凝土凝结时间测量。

图3所示，一种基于贴片天线的混凝土凝结时间传感器及监测系统，其特征在于，包括RFID标签9(即实施例1传感器)、阅读器100和输出模块(图中未画)，构建成RFID系统，其中：

实施例1传感器预置于待测混凝土中，传感器即RFID标签与阅读器4之间的距离在通信读取范围内。在混凝土凝结时间的测量中，随着混凝土水化的进行，混凝土内部的含水率逐渐下降，混凝土的介电常数随之缓慢下降，被混凝土覆盖的传感器的谐振频率则随之缓慢上升，此时，RFID阅读器检测RFID标签的谐振频率也适应性漂移，依此根据漂移特征曲线推算出上覆混凝土介电常数变化趋势。

预测混凝土介电常数将随混凝土含水率降低而呈线性降低，如此上覆混凝土的含水率和含水率变化率的变化趋势可视作与混凝土介电常数和介电常数变化率相同。

实验和测试

以硅酸盐为主料的这类水泥为例，诸如PI42.5、PO、PC等，由于水化阶段主要作用成分都为硅酸盐水泥，其水化机理基本相同。

以下以水泥标号为PI42.5样例进行试验，该标号对应为纯硅酸盐水泥，试验结果显示良好。

待测水泥标号为PI42.5，试验时采用空气养护，每隔10min测定一次传感器的谐振频率，并同时用维卡仪测定同一批次拌制的水泥净浆的凝结时间。谐振频率与时间的关系如图4所示。由于随含水率降低，谐振频率几乎线性升高，本例采用谐振频率直接表征含水率，认定谐振频率开始上升的时间为初凝时间。

对于每个时间点t，取一固定时间窗[t-40min,t+40min]，对落于该80分钟内的9个谐振频率数据进行线性拟合，取线性拟合的斜率作为时间点t的谐振频率变化率。由于谐振频率与含水率成线性关系，谐振频率变化率与含水率变化率应也成线性关系，因此，直接用谐振频率变化率表征含水率变化率，认定谐振频率变化率从峰值下落时间为终凝时间。

拌制水泥水灰比见表1，用传感器测定的凝结时间与采用标准方法维卡仪测定的凝结时间的数值对比见表2。

经试验本发明可确定：

第一，覆盖混凝土的含水率和含水率变化率的变化趋势可视作与混凝土介电常数和介电常数变化率相同。由于混凝土在初凝后结束诱导期，水化反映速率急速增大，混凝土含水率迅速下降，因此，含水率开始迅速下降时，混凝土进入初凝；而混凝土在终凝前后，C-S-H凝胶结构骨架得以建立，混凝土水化速率逐渐减缓，混凝土含水率变化率开始逐渐降低，因此，认定含水率变化率开始从最大值下降时，混凝土进入终凝。

第二，从含水率和含水率变化率的变化趋势中可推得混凝土的凝结时间。

系统控制阅读器100以周期性调整发射频率以跟踪和保持与预埋于待测混凝土中的传感器保持通信，实时获得当前混凝土的含水率或者介电常数。

阅读器100包括无线收发模块、调制解调模块、控制模块、数字处理模块；其中无线收发模块、调制解调模块皆属于本领域通用的已知技术，不是本申请的创新点。通过无线收发模块、调制解调模块，RFID阅读器可以检测RFID标签的谐振频率漂移，经调制解调模块解调后提供给控制模块、数字处理模块。

其中：

控制器以周期性调整系统发射频率以跟踪和保持与预埋于待测混凝土中的传感器保持通信。

数字处理模块根据系统当前保持有效通信频率确定传感器目前工作谐振频率，计算和推算出当前混凝土的含水率或者介电常数；另外，根据检测RFID标签的谐振频率漂移情况，以及依此漂移特征曲线推算出上覆混凝土介电常数变化趋势，也同时推导出上覆混凝土的含水率和含水率变化率的变化趋势，从含水率和含水率变化率的变化趋势推得混凝土的凝结时间。

输出模块显示数字处理模块得到的趋势曲线、当前的监测参数、推算的混凝土的凝结剩余时间点。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。

Claims (1)

1.一种基于贴片天线的混凝土凝结时间检测系统，其特征在于，包括RFID标签9传感器、阅读器100和输出模块，构建成RFID系统，其中：

基于贴片天线的混凝土凝结时间检测传感器设计由两个组件构成，其中：

组件一包括下防水膜1、接地平面2、基板3、辐射贴片4、芯片5，依次呈由下而上的位置关系：辐射贴片4和芯片5都置于基板3上，相互电连接，再一起安装于接地平面2之上；贴片4和芯片5，两者高度相当；

组件二包括上防水膜6、防水上盖板7、防水侧盖板8；防水上盖板7、防水侧盖板8形成外罩结构，用于容纳和保护组件一传感器；

传感器预置于待测混凝土中，传感器即RFID标签与阅读器100之间的距离在通信读取范围内；在混凝土凝结时间的测量中，随着混凝土水化的进行，混凝土内部的含水率逐渐下降，混凝土的介电常数随之缓慢下降，被混凝土覆盖的传感器的谐振频率则随之缓慢上升，此时，RFID阅读器检测RFID标签的谐振频率也适应性漂移，依此根据漂移特征曲线推算出上覆混凝土介电常数变化趋势；预测混凝土介电常数将随混凝土含水率降低而呈线性降低，如此上覆混凝土的含水率和含水率变化率的变化趋势可视作与混凝土介电常数和介电常数变化率相同；

系统控制阅读器100以周期性调整发射频率以跟踪和保持与预埋于待测混凝土中的传感器保持通信，实时获得当前混凝土的含水率或者介电常数。

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