CN112748131A - 一种基于微波原理的集料含水率的探测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，基于可编程放大器单元、射频微波高速A/D转换单元、高速微波频谱分析单元、高性能MCU处理单元、数字微波频谱功率调节控制单元、射频微波信号源、开口谐振器封装单元的新型微波反射快速探测含水率的方法，在交变的磁场环境，集料中的水分子在该环境下储能及发生弛豫效应而消耗电磁场能量，采用开口的谐振器使微波电磁信号充满且不穿透集料，根据微波信号发生的变化，通过射频微波高速A/D转换器转化为数字信号，将数字信号与确定含水率和检测谐振频率、信号电压幅值和集料温度的数学模型相对应映射出该集料的含水率信息，具有快速检测、标定简易、检测精度高的优点。
Description
[技术领域]
本发明属于微波探测领域，具体涉及一种基于微波原理的集料含水率的探测方法。
[背景技术]
在混凝土生产领域，水的添加量对混凝土的性能产生了关键性作用，在实际混凝土的生产过程中，混凝土生产企业的实验室定时去抽样并使用标准烘干的方法对其进行测定，测定的结果作为集料含水量的参考值并指导生产，往往抽取的样本不具有代表性且使用烘干法指导混凝土生产具有严重的滞后性。
使用烘干法指导混凝土生产往往会导致生产出的混凝土与实验室设计的混凝土产生了不可估量的性能差距，导致塌落度偏差过大、集料不足、胶凝材料过多、强度下降等一系列质量问题。
目前，对集料的含水率测定方式主要为烘干法，其检测操作所需要的时间长、指导生产具有滞后性、集料中的有机物可能高温发生反应分解挥发、取样不具有代表性等缺点。
当前还有其它快速检测集料的含水量的方式，本发明提供的方法对比红外探测法，由于红外光无法穿透集料，只能检测到一定体积的集料的体表湿度，无法检测集料内部的含水量。
对比电容法快速检测，电容法由于受温度、被检测物的种类、被检测物密度的影响，其过程及数据模型十分复杂，在同样的检测环境，电容法需要进行大量标定实验来提高检测精度。
[发明内容]
本发明克服了现有定频微波天线中技术的不足，提供了一种多种频率微波信号经过标定实验映射出不同集料含水率信息的探测方法。
为实现上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其步骤如下：
步骤S1、检测集料与含水率检测单元的氧化铝陶瓷面板接触；
步骤S2、MCU处理器向高速数字微波频谱调节单元输出数字调节指令，驱动射频微波信号源单元向含水率检测单元的开口谐振器输入连续步进频率微波信号；
步骤S3、微波信号可编程放大单元检测并放大开口谐振器输出的微波信号，并通过射频微波高速A/D转换器转换为数字化微波信号；
步骤S4、MCU处理器内的微波频谱分析单元对数字化微波信号进行频谱实时分析，得到开口谐振器输出微波信号的信号谐振频率F和信号电压幅值A；
步骤S5、MCU处理器通过设置于氧化铝陶瓷面板上的测温单元测定的集料温度T，并根据定标曲线数字模型M＝a*F+b*A+c*T+d，得出集料含水率M，其中a、b、c、d为常数。
如上所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：步骤S1还包括有步骤S11、外部电子元器件向MCU处理器发送一个数字量信号，步骤S5还包括有步骤S51、检测集料离开氧化铝陶瓷面板，外部电子元器件发送的数字量信号复位，等待下一次检测。
如上所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：氧化铝陶瓷面板设置于外侧封装开口谐振器形成含水率检测单元，开口谐振器上端开口与氧化铝陶瓷面板内侧面接触，开口谐振器下端开口通过开口谐振器封装单元封闭。
如上所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：MCU处理器、高速数字微波频谱调节单元、射频微波信号源单元、微波信号可编程放大单元、射频微波高速A/D转换器集成为一个多层的PCB电路板。
如上所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：PCB电路板上设有RS485/RS232预留串口，RS485/RS232预留串口连接有显示器。
如上所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：PCB电路板上设有用于输入预留数字量计算设定时间段内平均含水率信息的测量开关。
如上所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：MCU处理器为32位MCU处理器。
如上所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：32位MCU处理器以1秒30次的周期输出数字调节指令。
如上所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：射频微波信号源单元输出的微波信号频率范围为300MHZ-3GHZ。
如上所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：测温单元为LM35温度传感器。
本发明的有益效果是：
1、在交变电磁场中，物料中水分子产生极化现象，水分子在交变电磁场中储能及发生弛豫效应而消耗电磁场能量，因此本发明利用微波穿过集料，在集料间相互作用后，根据微波信号发生的变化，通过射频微波高速A/D转换器转化为数字信号，将数字信号与确定含水率和检测谐振频率、信号电压幅值和集料温度的数学模型相对应映射出该集料的含水率信息，具有快速检测、标定简易、检测精度高的优点。
2、本发明选取300MHZ-3GMHZ范围的微波信号，通过不同频率扫描出的微波信号，从而多重映射含水率信息，避免单一频率的微波信号检测的局限性。
3、本发明克服了集料受温度变化，所发生的介电常数的变化，解决了相同集料在不同温度所监测的数据发生扰动的现象，将温度变化考虑在监测模型内，提高了监测的精度。
4、本发明可实现集料含水率在线检测，每秒可测定30次，开口谐振器检测单元结构可靠，易于生产现场安装，不影响现有生产工艺。
5、本发明不易受集料密度、工作形态的影响。采用数字化调节微波频率和功率的方法，根据测定对象不同，可实现含水率测量范围0到95％。对集料含水率实现0到15％的检测范围。本方法测定精度高，测定误差小，可实现含水率±0.3％的测量精度。
[附图说明]
图1为本发明的结构示意图。
[具体实施方式]
下面结合附图与本发明的实施方式作进一步详细的描述：
如图1所示，一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其步骤如下：
步骤S1、检测集料与含水率检测单元的氧化铝陶瓷面板1接触，使检测集料设置于含水率检测单元的开口谐振器5开口上方，使微波电磁信号在谐振器开口处弥散到谐振器外的集料中；
步骤S11、接触后激发外部电子元器件10向MCU处理器2发送一个数字量信号；
步骤S2、MCU处理器2向高速数字微波频谱调节单元3输出数字调节指令，驱动射频微波信号源单元4向含水率检测单元的开口谐振器5输入连续步进频率微波信号，由于随着检测集料含水率由小到大变化，开口谐振器5的谐振频率由大到小逐步变化，因此当开口谐振器5输入频率与含水率检测单元固有频率相同时产生谐振，开口谐振器5的信号输出端微波信号电压幅值达到最大；
步骤S3、微波信号可编程放大单元6检测并放大开口谐振器5输出的微波信号，并通过射频微波高速A/D转换器7转换为数字化微波信号；
步骤S4、MCU处理器2内的微波频谱分析单元8对数字化微波信号进行频谱实时分析，得到开口谐振器5输出微波信号的信号谐振频率F和信号电压幅值A；
步骤S5、MCU处理器2通过设置于氧化铝陶瓷面板1上的测温单元9测定的集料温度T，并根据定标曲线数字模型M＝a*F+b*A+c*T+d，得出集料含水率M，其中a、b、c、d为常数；
S51、检测集料离开氧化铝陶瓷面板1，外部电子元器件10发送的数字量信号复位，等待下一次检测。
优选的，氧化铝陶瓷面板1设置于外侧封装开口谐振器5形成含水率检测单元，开口谐振器5上端开口与氧化铝陶瓷面板1内侧面接触，开口谐振器5下端开口通过开口谐振器封装单元11封闭，从而使微波电磁信号在谐振器开口处弥散到谐振器外的集料中，且使电磁信号充满氧化铝陶瓷面板且不穿透集。
优选的，MCU处理器2、高速数字微波频谱调节单元3、射频微波信号源单元4、微波信号可编程放大单元6、射频微波高速A/D转换器7集成为一个多层的PCB电路板。
优选的，其特征在于：PCB电路板上设有RS485/RS232预留串口，进行内部各元器件运行状态的监测，并输出含水率数据，RS485/RS232预留串口连接有显示器，可通过显示器输出检测集料含水率数据。
优选的，PCB电路板上设有用于输入预留数字量计算设定时间段内平均含水率信息的测量开关，实现在一定周期内让MCU处理器求出该时间段内的平均含水率信息。
优选的，MCU处理器2为32位MCU处理器，32位MCU处理器以1秒30次的周期输出数字调节指令，测温单元9为LM35温度传感器。
优选的，射频微波信号源单元4输出的微波信号频率范围为300MHZ-3GHZ，实现了通过不同频率扫描出的微波信号，从而多重映射含水率信息，避免单一频率的微波信号检测的局限性。
其中，确定含水率和检测谐振频率、信号电压幅值和集料温度的数学模型的方法：
步骤一、人工配置含水率0到15％的砂石集料10组，其真实含水率MM1到M10通过取样后采用烘干法精确测定；
步骤二、将配置好的集料放置到含水率检测单元上，由上述检测方法快速测定得到其对应的谐振频率FF1-F10和幅值A(A1-A10)，同时测定集料温度TT1-T10，依次测定10组含水率由小到大的集料谐振频率、信号幅值和温度；
步骤三、通过10组测定数据，建立集料含水率M和谐振频率F、信号幅值A和集料温度T，通过多元线性拟合的算法，建立定标曲线数学模型：
M＝a*F+b*A+c*T+d
步骤四、获得定标曲线数学模型后，采用本方法进行任意含水率集料含水率的测定，在获得谐振频率F、信号幅值A和集料温度T数据后，代入定标曲线数学模型即可得到集料含水率。
其中，系数a、b、c、d测定方法为：使用人工拌合的方式将要监测的集料制作成10组不同含水率的集料，将封装的传感器置于塑料容器的底部，分别导入不同含水率的集料，记录M值的真实含水率，建立集料含水率M和谐振频率F、信号幅值A和集料温度T，通过多元线性拟合的算法，建立定标曲线数学模型，M＝a*F+b*A+c*T+d。经过10点的数据拟合，得出系数a、b、c、d。
优选的，在实际生产中，混凝土搅拌控制系统，通过各种方式将集料输送到搅拌机内。在这个过程中，使用封装好的含水率检测单元。将各种集料的含水率信息检测出来，并通过预留串口RS485接口或RS232接口，将数据传输到PC端，混凝土搅拌站控制系统通过水秤的扣秤功能将多余的水去除，并添加缺少的集料，精准地指导了混凝土的生产。
Claims (10)
1.一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其步骤如下：
步骤S1、检测集料与含水率检测单元的氧化铝陶瓷面板(1)接触；
步骤S2、MCU处理器(2)向高速数字微波频谱调节单元(3)输出数字调节指令，驱动射频微波信号源单元(4)向含水率检测单元的开口谐振器(5)输入连续步进频率微波信号；
步骤S3、微波信号可编程放大单元(6)检测并放大开口谐振器(5)输出的微波信号，并通过射频微波高速A/D转换器(7)转换为数字化微波信号；
步骤S4、MCU处理器(2)内的微波频谱分析单元(8)对数字化微波信号进行频谱实时分析，得到开口谐振器(5)输出微波信号的信号谐振频率F和信号电压幅值A；
步骤S5、MCU处理器(2)通过设置于氧化铝陶瓷面板(1)上的测温单元(9)测定的集料温度T，并根据定标曲线数字模型M＝a*F+b*A+c*T+d，得出集料含水率M，其中a、b、c、d为常数。
2.根据权利要求1所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：步骤S1还包括有步骤S11、外部电子元器件(10)向MCU处理器(2)发送一个数字量信号，步骤S5还包括有步骤S51、检测集料离开氧化铝陶瓷面板(1)，外部电子元器件(10)发送的数字量信号复位，等待下一次检测。
3.根据权利要求1所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：氧化铝陶瓷面板(1)设置于外侧封装开口谐振器(5)形成含水率检测单元，开口谐振器(5)上端开口与氧化铝陶瓷面板(1)内侧面接触，开口谐振器(5)下端开口通过开口谐振器封装单元(11)封闭。
4.根据权利要求1所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：MCU处理器(2)、高速数字微波频谱调节单元(3)、射频微波信号源单元(4)、微波信号可编程放大单元(6)、射频微波高速A/D转换器(7)集成为一个多层的PCB电路板。
5.根据权利要求4所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：PCB电路板上设有RS485/RS232预留串口，RS485/RS232预留串口连接有显示器。
6.根据权利要求4所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：PCB电路板上设有用于输入预留数字量计算设定时间段内平均含水率信息的测量开关。
7.根据权利要求1所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：MCU处理器(2)为32位MCU处理器。
8.根据权利要求7所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：32位MCU处理器以1秒30次的周期输出数字调节指令。
9.根据权利要求1所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：射频微波信号源单元(4)输出的微波信号频率范围为300MHZ-3GHZ。
10.根据权利要求1所述的一种基于微波原理的集料含水率的探测方法，其特征在于：测温单元(9)为LM35温度传感器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20210504 |