建築材料中濕度測量的新型微波法

建築材料中濕度測量的新型微波法

濕度是建築物健康情況評價(jia) 中，有爭(zheng) 議的一個(ge) 方麵。浪費時間，以及*的幹燥和碳化鈣方法的損耗，限製了他們(men) 在現場檢測中的使用。電導率和低頻電容測量受鹽度的影響。 

微波探測器能夠克服這些困難。因此認為(wei) 微波結構可用於(yu) 含水量的測量。另外，可更換探頭的微型濕度儀(yi) 準備用於(yu) 不同測試深度。後是一些應用實例。 

微波水分測量，水含量，表麵探頭，建材

1.簡介

因為(wei) 常用的直接測量濕度的方法，例如幹燥，碳化鈣方法或卡爾費休滴定需要從(cong) 建築取樣，它們(men) 屬於(yu) 破壞性，而且耗費時間。因此，這些方法不適合對水分分布做更仔細的檢查，或通過濕度圖來定位滲漏。 

此外，測試往往需要處理材料的一麵，就像地下室一樣，如此規定運輸方法或定義(yi) 樣品的尺寸。其他既定方法，如導電性和低頻電容測量，受鹽度影響，由於(yu) 在建築材料中長期水擴散或添加劑。 

微波頻率在兆赫範圍往往可以克服這個(ge) 問題，因為(wei) 頻率的平方根會(hui) 減少鹽分的影響。因此，這項工作的目標是選擇和優(you) 化用於(yu) 建築及建造材料檢測的，適合濕度的便攜式微波結構。

2.

濕度檢測的基本要求是快速，操作簡便，一人一個(ge) 測試麵可以操作，重量輕，固定樣本大小，電力穩定和在建築行業(ye) 的對工作條件抗逆性。 

此外，建築部位的掃描或滲漏定位，應該根據自己的位置，有序的存儲(chu) 測量數據，並將數據傳(chuan) 輸到計算機。也應提供簡單的統計方法，例如平均數。 

微波，和所有其他的方法一樣，受到多層牆體(ti) 結構，溝，不同的孔隙率和粗的表麵質量的機械和化學物質不均勻性的影響。由於(yu) 內(nei) 部結構或孔隙度和影響的粗接觸麵積的影響，電磁波領域和濕材料之間的相互影響要大到足以平衡小範圍材料的不均勻性。在另一方麵，影響程度應限製在可探測到的一定的數量，區域或深度。由於(yu) 這些要求大相徑庭，而某個(ge) 單一的微波結構並不能滿足此要求。因此，選定了如圖1所示的，可更換傳(chuan) 感器探頭的測試設置。 

此設置包括一個(ge) 口袋大小的控製連接探頭和顯示測量數據的傳(chuan) 感器和用短電纜連接的可變濕度探頭。探針含有水分形平麵微波磁盤結構，包括高頻檢測電子元件的抓緊力強的金屬部位。觸發微波傳(chuan) 感器在前端的略低位置，和樣本保持一定的距離。 

圖 1 ：口袋大小的測量裝置與(yu) 兩(liang) 個(ge) 可互換的濕度探頭

3.測量方法的選擇和微波結構

微波水分傳(chuan) 感方法，通過分析線性電磁特性或在諧振器和天線範圍內(nei) 參數變化，利用介質材料的含水量的變化進行測量。 

對於(yu) 平麵樣品的單麵測量和平衡一定範圍內(nei) 的物質組成和接觸麵積不均勻性，隻有平麵天線和諧振器結構可行。在的微波頻段在2.45 GHz的ISM微波，特別設計諧振器影響範圍擴展到了某些厘米級別，在毫米範圍內(nei) 可以克服不均勻性的影響。天線的波場在潮濕的材料損耗範圍內(nei) ，受到電磁衰減長度影響，通常在分米級別。因此，諧振和天線結構的原理適合與(yu) 建築結構的適度測量。 

3.1 線性諧振表麵探頭 
線性諧振器技術尤其適合作為(wei) 濕度傳(chuan) 感裝置，因其固有的平麵形狀，其抗變形及製造簡單。正麵和底板導體(ti) 間的電場，主要集中在基板內(nei) 部。但是，在毫米距離的中等範圍幹擾場，中主要是由於(yu) 諧振器相對的被控線段。因此，擴大場的範圍，就是相當於(yu) 讓相對電荷中心位置的距離達到，微波頻率下，波長一半的大距離。（獨立基板，2.45千兆赫，3-5厘米） 。 

由於(yu) 探頭中，觸發微波結構的安裝位置低些，這部分通過空氣帶和樣本相互作用，如圖1所示。在毫米範圍內(nei) 可達到微小不均勻性的平衡。另外，由諧振器的加載所導致的模式轉換可以避免。通過振蕩線性耦合或更大範圍的環形耦合，可以獲得更好的平均效果。2.45 GHz頻率的一個(ge) 有效平均作用麵積範圍在直徑30至60毫米，小到足以解決(jue) 個(ge) 別單磚的含水量。 

圖 2顯示的是這種線性諧振探頭的前麵的一部分。使用普通銅製造的圓形底盤，封閉探頭。底盤使用微線性技術，分成連個(ge) 對稱的環形諧振器。諧振環是由包含通道和耦合帶的電路。傳(chuan) 感器探頭用短的電纜和便攜儀(yi) 器相連接，使其可以在例如地麵附近或天花板上等，不能方便進行測試的位置使用。 
 

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所示的高度對稱諧振器結構，可以防止由於(yu) 輻射微波的反射，而造成樣品的傳(chuan) 感信號的振動，在下麵的天線部分會(hui) 討論。無輻射影響下，諧振探頭記錄深度可達1-3厘米，取決(jue) 於(yu) 材料和含水量。因此他們(men) 非常適合近地表濕度測量或檢查層狀結構，例如灰牆。由於(yu) 擴散後，含水量達到平衡，這也可以對無法接觸的，更深的不均勻建築部位得到間接的分布圖。

3.2貼片天線體(ti) 積探針 

輻射天線結構的使用能夠獲得比非輻射諧振器更大的記錄深度。這可以測量較厚的牆體(ti) 或地下室的內(nei) 部含水量。由於(yu) 其平整度和簡單的製造，微線性技術中的貼片天線，如圖3所示，非常適合用於(yu) 這一目的。 

此外，由於(yu) 近場的相互作用，和諧振器一樣，天線想樣本中發射電磁波。對於(yu) 位於(yu) 樣品表麵的貼片天線，有一定的空氣帶，點阻抗適當地取決(jue) 於(yu) 樣品的介電常數。這是作為(wei) 濕度傳(chuan) 感器使用中的基本作用。空氣帶的寬度，可用於(yu) 調整天線和樣品材料之間的相互作用強度。 
然而，天線的饋電點阻抗也取決(jue) 於(yu) 接收到的樣本的後側(ce) 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，幹低密度物質要有較大的厚度，如保溫材料。此外，由於(yu) 輻射光束的散射，樣品區域應該是相同的大小。 

如圖3所示，貼片天線探頭的基本結構和諧振器探針是非常相似的。*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，表明了少樣品區域。此外它保證了固定天線和樣品的距離。

4.試驗和應用

對於(yu) 這兩(liang) 種探針和各種建築材料，像磚，多孔混凝土，沙子石頭或木材，都可以係統而獨立的調查濕度。因此，網絡分析儀(yi) HP8752A用於(yu) 采集所有不同的物質的複雜的反射係數的掃頻曲線和水分含量。結果發現，共振參數的變化要大到足以對一個(ge) 選定的固定頻率的材料做水分測定。 

測量反射係數的測定可以和含水量相關(guan) ，通過幹燥方法的與(yu) 實驗數據點校準的參考方法。圖4所示諧振型探頭。偏差測定是由於(yu) 材料和表麵接觸的不均勻性。 

數值插值算法和校準點，包含在微控製器程序代碼中，可在口袋式濕度儀(yi) 運行。因此，在選擇菜單驅動的檢測實質內(nei) 容後，儀(yi) 器直接給出樣本內(nei) 的濕度比。 

此外，儀(yi) 器可以以各種尺寸的表格來存儲(chu) 測試數據。因為(wei) 每個(ge) 測量隻需要幾秒鍾，建築物的部位可以在很短的時間內(nei) 進行掃描。在線平均高達16測量點的速度，提高了粗糙表麵的可靠度。稍後的數據陣列可通過一個(ge) 標準的串行接口傳(chuan) 輸到計算機中。 

圖5所顯示的某地下室牆濕度分布，使用的是測量體(ti) 積的貼片天線探針陣列網寬20厘米。這些數據三點平均值幾乎在同一位置。左下角的滲漏和牆體(ti) 附近更高的濕度清晰可見。 

圖4 ：諧振探針功能     圖5 ：地下室牆的濕度分布

在同一探測區域，兩(liang) 個(ge) 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滲漏深度的含水量，能夠區分由於(yu) 濕氣造成的冷凝水。 
 

5結論

特別設計的平麵微波諧振器和天線的結構很適合用於(yu) 緊湊型探頭的便攜式濕度儀(yi) 。他們(men) 在記錄深度，平均範圍和應用領域上很好的相互補充。 

重複檢測或滲漏定位的測量精度足夠。測量時間短和符合人體(ti) 工程學的操作的數據陣列，使測繪整個(ge) 建築部位的濕度分布圖可行。