CN115586199A - 一种基于高频反射信号的砂石含水量检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高频反射信号的砂石含水量检测系统，包括：信号发射端，其发射出一束微波波束，其经由四条路径经由信号发射端到达待检测砂石并反射，四条路径分别对应于发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D；所述信号发射端表面包裹有防水层，信号接收端，其接收所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号；计算单元，其通讯连接于所述信号接收端。本发明利用微波信号发射单元、信号接收端分别发射和接收高频反射信号采集混凝土含水量相关数据，通过嵌入式计算单元处理分析数据，可以有效检测混凝土的含水量，确保混凝土强度达标，提高生产效率，降低施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土含水量检测领域。更具体地说，本发明涉及一种基于高频反射信号的砂石含水量检测系统。
背景技术
建筑业经历了飞速的发展，而混凝土这种材料由于强度高，价格低，原材料丰富、可塑性和耐久性能好等特点被普遍的应用于建筑领域中。衡量混凝土质量的主要性能指标包括强度和耐久性。配置混凝土所需要的原料有：砂子、碎石、水泥、粉煤灰、水和各种添加剂。混凝土拌和物配制时用水量与水泥量的比值(即水灰比)将直接影响到混凝土的强度和耐久性。混凝土的物理力学性能受其结构的密实性与均匀性所支配。若水分过少，混凝土和易性(混凝土是否易于施工操作和均匀密实的性能)不好，无法振捣密实，混凝土强度也无法提高。反之，若水分过多，则拌和物的流动性过大，混凝土不但容易离析、泌水，而且会使混凝土孔隙率增大，强度降低。
因此，如何检测混凝土中的含水量是工程施工中亟需攻克的难题。
发明内容
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，本发明的一优选实施方案提供了一种基于高频反射信号的砂石含水量检测系统，其中包含有信号发射端，所述信号发射端在检测时被放置在待检测砂石表面，所述砂石含水量检测系统包括：
信号发射端，其发射出一束微波波束，其经由四条路径经由信号发射端到达待检测砂石并反射，四条路径分别对应于发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D；所述信号发射端表面包裹有防水层，其中，所述发射微波A经由防水层表面反射后形成反射微波A1，所述发射微波B透过防水层后再反射形成反射微波B1，所述发射微波C经由待检测砂石表面反射后形成反射微波C1，所述发射微波D透过待检测砂石后再反射形成反射微波D1；
信号接收端，其接收所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号；
计算单元，其通讯连接于所述信号接收端，以接收所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号，并根据所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号计算出待检测砂石的含水量。
根据本发明的一优选实施方案，所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统中，所述发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D中，所述发射微波C1的强度最大。
根据本发明的一优选实施方案，所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统中，发射微波的发射角度和防水层表面相交。
根据本发明的一优选实施方案，所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统中，发射微波采用chirp信号。
根据本发明的一优选实施方案，所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统中，所述计算单元根据所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号计算出待检测砂石的含水量，具体包括以下操作：
步骤S1、将所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的接收信号与发射信号进行混频，混频得到综合信号，综合信号的信号频率f：
假设，ai(i＝1、2、3、4)分别为发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D到达信号接收端时的强度；
Δti(i＝1、2、3、4)分别为发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D到达信号接收端时的时延；
B和T分别为发射信号的带宽、发射信号的周期；
步骤S2、通过步骤S1得到很多个综合信号的信号频率f，f1和f2是固定的，根据f1和f2确定与其最相近的两个频率，作为f3、f4；(距离f1、f2最近的小波峰的峰值为f3、f4)
步骤S3、发射微波C、发射微波D在砂石内部穿梭的距离为Δd＝(f4-f3)B/T，该距离产生的微波信号的衰减量为：Δa＝a3-a4，单位距离产生的信号衰减量为：
其中，f3与f4对应发射微波A、发射微波B到达信号接收端时的信号混频后的频率，a3、a4分别为发射微波A、发射微波B到达信号接收端时的强度；
步骤S4、校正确定单位距离衰减量与含水量的关系，进而根据步骤S2计算得到的单位距离产生的信号衰减量，确定相应的含水量。
本发明至少包括以下有益效果：本发明利用微波信号发射单元、信号接收端分别发射和接收高频反射信号采集混凝土含水量相关数据，通过嵌入式计算单元处理分析数据，可以有效检测混凝土的含水量，确保混凝土强度达标，提高生产效率，降低施工成本。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明一实施方案中砂石含水量检测系统的结构示意图。
图2为本发明一实施方案步骤S1中混频之后的频谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1所示，本发明的一优选实施方案提供了一种基于高频反射信号的砂石含水量检测系统，其中包含有信号发射端100，所述信号发射端100在检测时被放置在待检测砂石200表面，所述砂石含水量检测系统包括：
信号发射端100，其发射出一束微波波束，其经由四条路径经由信号发射端到达待检测砂石并反射，四条路径分别对应于发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D；所述信号发射端100表面包裹有防水层400，其中，所述发射微波A经由防水层表面反射后形成反射微波A1，所述发射微波B透过防水层后再反射形成反射微波B1，所述发射微波C经由待检测砂石表面反射后形成反射微波C1，所述发射微波D透过待检测砂石后再反射形成反射微波D1；
信号接收端300，其接收所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号；
计算单元，其通讯连接于所述信号接收端，以接收所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号，并根据所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号计算出待检测砂石的含水量。
上述实施方案中，信号发射端和信号接收端是一体化设置，其本质上属于微波传感器的两个零部件，微波传感器直接市面上采买就行，需要说明的是信号发射端发射是一束微波波束，根据路径不同被反射之后将形成多个反射微波，将具备上述特征的其中四种挑选出来命名，具体为发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D。每条路径的微波将发生不同程度的衰减，其中，发射微波A的衰减最少，发射微波B的信号也会因为波束方向不匹配而产生衰减。
发射信号经过不同的路径到达接收端，由于路径不同会产生不同的时延。
其中，所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统中，所述发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D中，所述发射微波C1的强度最大，这是一条干扰最强的微波信号。
需要说明的是，发射微波的发射角度和防水层表面相交，才会容易产生上述4种角度和路径的微波波束，方才可以进行后续含水量的检测。
根据本发明的一优选实施方案，所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统中，发射微波均采用chirp信号，该调制信号抗噪声性能好，能在信号SNR低于噪声门限时仍能被检测到。
根据本发明的一优选实施方案，所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统中，所述计算单元根据所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号计算出待检测砂石的含水量，具体包括以下操作：
步骤S1、将所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的接收信号与发射信号进行混频，混频得到综合信号，综合信号的信号频率f：需要说明的是，实际上的反射微波不止这四条，所有的反射微波和发射信号进行混频之后，将得到很多个综合频谱，其中包括多个综合信号，每个综合信号的信号频率f计算公式如下：
假设ai(i＝1、2、3、4)分别为发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D到达信号接收端时的强度；
Δti(i＝1、2、3、4)分别为发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D到达信号接收端时的时延；
B和T分别为发射信号的带宽、发射信号的周期；
其中，每一条反射路径上的信号会在混频后的频谱中产生一个单频的峰点，如发射微波A产生的谱峰为Δt1B/T。通过对接收端混频信号的谱峰的分析也可以看到，通过对B和T的调节，可以非常方便地分辨出不同路径上的反射信号。
步骤S2、通过步骤S1得到很多个综合信号的信号频率f，微波传感器制作好之后，f1和f2也就确定了，都是固定的，根据f1和f2确定与其最相近的两个频率作为f3、f4；，
也就是说，f1和f2是固定的，其对应的是固定的距离d＝cf/BT，其中c为光速，将f1与f2代入公式1得到的为反射信号A、B的路径，而反射信号A、B的路径长度是可以预先测量，因而可以根据公式1找到准确的f1和f2，f1与f2的位置反应在频谱上为两个稳定的局部峰值。
距离f1、f2最近的波峰的峰值为f3、f4，因此通过先确定f1和f2，再确定f3、f4。
步骤S3、发射微波C、发射微波D在砂石内部穿梭的距离为Δd＝(f4-f3)B/T，该距离产生的微波信号的衰减量为：Δa＝a3-a4，单位距离产生的信号衰减量为：
其中，f3与f4对应发射微波A、发射微波B到达信号接收端时的信号混频后的频率，a3、a4分别为发射微波A、发射微波B到达信号接收端时的强度；
步骤S4、校正确定单位距离衰减量与含水量的关系，进而根据步骤S2计算得到的单位距离产生的信号衰减量，确定相应的含水量。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (5)
1.一种基于高频反射信号的砂石含水量检测系统，其特征在于，其中包含有信号发射端，所述信号发射端在检测时被放置在待检测砂石表面，所述砂石含水量检测系统包括：
信号发射端，其发射出一束微波波束，其经由四条路径经由信号发射端到达待检测砂石并反射，四条路径分别对应于发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D；所述信号发射端表面包裹有防水层，其中，所述发射微波A经由防水层表面反射后形成反射微波A1，所述发射微波B透过防水层后再反射形成反射微波B1，所述发射微波C经由待检测砂石表面反射后形成反射微波C1，所述发射微波D透过待检测砂石后再反射形成反射微波D1；
信号接收端，其接收所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号；
计算单元，其通讯连接于所述信号接收端，以接收所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号，并根据所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号计算出待检测砂石的含水量。
2.根据权利要求1所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统，其特征在于，所述发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D中，所述发射微波C1的强度最大。
3.根据权利要求1所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统，其特征在于，发射微波的发射角度和防水层表面相交。
4.根据权利要求1所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统，其特征在于，发射微波采用chirp信号。
5.根据权利要求1所述的基于高频反射信号的砂石含水量检测系统，其特征在于，所述计算单元根据所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的反射信号计算出待检测砂石的含水量，具体包括以下操作：
步骤S1、将所述反射微波A1、反射微波B1、反射微波C1以及反射微波D1的接收信号与发射信号进行混频，混频得到综合信号，综合信号的信号频谱f：
假设，ai(i＝1、2、3、4)分别为发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D到达信号接收端时的强度；
Δti(i＝1、2、3、4)分别为发射微波A、发射微波B、发射微波C以及发射微波D到达信号接收端时的时延；
B和T分别为发射信号的带宽、发射信号的周期；
步骤S2、通过步骤S1得到很多个综合信号的信号频率f，f1和f2是固定的，根据f1和f2确定与其最相近的两个频率，作为f3、f4；
步骤S3、发射微波C、发射微波D在砂石内部穿梭的距离为Δd＝(f4-f3)B/T，该距离产生的微波信号的衰减量为：Δa＝a3-a4，单位距离产生的信号衰减量为：
其中，f3与f4对应发射微波A、发射微波B到达信号接收端时的信号混频后的频率，a3、a4分别为发射微波A、发射微波B到达信号接收端时的强度；
步骤S4、校正确定单位距离衰减量与含水量的关系，进而根据步骤S2计算得到的单位距离产生的信号衰减量，确定相应的含水量。
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