建筑材料中濕度測量的新型微波法

濕度是建筑物健康情況評價中，有爭議的一個方面。浪費時間，以及*的干燥和碳化鈣方法的損耗，限制了他們在現(xiàn)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。因此認為微波結(jié)構(gòu)可用于含水量的測量。另外，可更換探頭的微型濕度儀準備用于不同測試深度。后是一些應用實例。 

微波水分測量，水含量，表面探頭，建材

1.簡介

因為常用的直接測量濕度的方法，例如干燥，碳化鈣方法或卡爾費休滴定需要從建筑取樣，它們屬于破壞性，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面，就像地下室一樣，如此規(guī)定運輸方法或定義樣品的尺寸。其他既定方法，如導電性和低頻電容測量，受鹽度影響，由于在建筑材料中長期水擴散或添加劑。 

微波頻率在兆赫范圍往往可以克服這個問題，因為頻率的平方根會減少鹽分的影響。因此，這項工作的目標是選擇和優(yōu)化用于建筑及建造材料檢測的，適合濕度的便攜式微波結(jié)構(gòu)。

2.

濕度檢測的基本要求是快速，操作簡便，一人一個測試面可以操作，重量輕，固定樣本大小，電力穩(wěn)定和在建筑行業(yè)的對工作條件抗逆性。 

此外，建筑部位的掃描或滲漏定位，應該根據(jù)自己的位置，有序的存儲測量數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C。也應提供簡單的統(tǒng)計方法，例如平均數(shù)。 

微波，和所有其他的方法一樣，受到多層墻體結(jié)構(gòu)，溝，不同的孔隙率和粗的表面質(zhì)量的機械和化學物質(zhì)不均勻性的影響。由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)或孔隙度和影響的粗接觸面積的影響，電磁波領域和濕材料之間的相互影響要大到足以平衡小范圍材料的不均勻性。在另一方面，影響程度應限制在可探測到的一定的數(shù)量，區(qū)域或深度。由于這些要求大相徑庭，而某個單一的微波結(jié)構(gòu)并不能滿足此要求。因此，選定了如圖1所示的，可更換傳感器探頭的測試設置。 

此設置包括一個口袋大小的控制連接探頭和顯示測量數(shù)據(jù)的傳感器和用短電纜連接的可變濕度探頭。探針含有水分形平面微波磁盤結(jié)構(gòu)，包括高頻檢測電子元件的抓緊力強的金屬部位。觸發(fā)微波傳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兩個可互換的濕度探頭

3.測量方法的選擇和微波結(jié)構(gòu)

微波水分傳感方法，通過分析線性電磁特性或在諧振器和天線范圍內(nèi)參數(shù)變化，利用介質(zhì)材料的含水量的變化進行測量。 

對于平面樣品的單面測量和平衡一定范圍內(nèi)的物質(zhì)組成和接觸面積不均勻性，只有平面天線和諧振器結(jié)構(gòu)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范圍擴展到了某些厘米級別，在毫米范圍內(nèi)可以克服不均勻性的影響。天線的波場在潮濕的材料損耗范圍內(nèi)，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(jié)構(gòu)的原理適合與建筑結(jié)構(gòu)的適度測量。 

3.1 線性諧振表面探頭 
線性諧振器技術尤其適合作為濕度傳感裝置，因其固有的平面形狀，其抗變形及制造簡單。正面和底板導體間的電場，主要集中在基板內(nèi)部。但是，在毫米距離的中等范圍干擾場，中主要是由于諧振器相對的被控線段。因此，擴大場的范圍，就是相當于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） 。 

由于探頭中，觸發(fā)微波結(jié)構(gòu)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。在毫米范圍內(nèi)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(zhuǎn)換可以避免。通過振蕩線性耦合或更大范圍的環(huán)形耦合，可以獲得更好的平均效果。2.45 GHz頻率的一個有效平均作用面積范圍在直徑30至60毫米，小到足以解決個別單磚的含水量。 

圖 2顯示的是這種線性諧振探頭的前面的一部分。使用普通銅制造的圓形底盤，封閉探頭。底盤使用微線性技術，分成連個對稱的環(huán)形諧振器。諧振環(huán)是由包含通道和耦合帶的電路。傳感器探頭用短的電纜和便攜儀器相連接，使其可以在例如地面附近或天花板上等，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(jié)構(gòu)，可以防止由于輻射微波的反射，而造成樣品的傳感信號的振動，在下面的天線部分會討論。無輻射影響下，諧振探頭記錄深度可達1-3厘米，取決于材料和含水量。因此他們非常適合近地表濕度測量或檢查層狀結(jié)構(gòu)，例如灰墻。由于擴散后，含水量達到平衡，這也可以對無法接觸的，更深的不均勻建筑部位得到間接的分布圖。

3.2貼片天線體積探針 

輻射天線結(jié)構(gòu)的使用能夠獲得比非輻射諧振器更大的記錄深度。這可以測量較厚的墻體或地下室的內(nèi)部含水量。由于其平整度和簡單的制造，微線性技術中的貼片天線，如圖3所示，非常適合用于這一目的。 

此外，由于近場的相互作用，和諧振器一樣，天線想樣本中發(fā)射電磁波。對于位于樣品表面的貼片天線，有一定的空氣帶，點阻抗適當?shù)厝Q于樣品的介電常數(shù)。這是作為濕度傳感器使用中的基本作用。空氣帶的寬度，可用于調(diào)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于接收到的樣本的后側(cè)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，干低密度物質(zhì)要有較大的厚度，如保溫材料。此外，由于輻射光束的散射，樣品區(qū)域應該是相同的大小。 

如圖3所示，貼片天線探頭的基本結(jié)構(gòu)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(qū)域。此外它保證了固定天線和樣品的距離。

4.試驗和應用

對于這兩種探針和各種建筑材料，像磚，多孔混凝土，沙子石頭或木材，都可以系統(tǒng)而獨立的調(diào)查濕度。因此，網(wǎng)絡分析儀HP8752A用于采集所有不同的物質(zhì)的復雜的反射系數(shù)的掃頻曲線和水分含量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，共振參數(shù)的變化要大到足以對一個選定的固定頻率的材料做水分測定。 

測量反射系數(shù)的測定可以和含水量相關，通過干燥方法的與實驗數(shù)據(jù)點校準的參考方法。圖4所示諧振型探頭。偏差測定是由于材料和表面接觸的不均勻性。 

數(shù)值插值算法和校準點，包含在微控制器程序代碼中，可在口袋式濕度儀運行。因此，在選擇菜單驅(qū)動的檢測實質(zhì)內(nèi)容后，儀器直接給出樣本內(nèi)的濕度比。 

此外，儀器可以以各種尺寸的表格來存儲測試數(shù)據(jù)。因為每個測量只需要幾秒鐘，建筑物的部位可以在很短的時間內(nèi)進行掃描。在線平均高達16測量點的速度，提高了粗糙表面的可靠度。稍后的數(shù)據(jù)陣列可通過一個標準的串行接口傳輸?shù)接嬎銠C中。 

圖5所顯示的某地下室墻濕度分布，使用的是測量體積的貼片天線探針陣列網(wǎng)寬20厘米。這些數(shù)據(jù)三點平均值幾乎在同一位置。左下角的滲漏和墻體附近更高的濕度清晰可見。 

圖4 ：諧振探針功能     圖5 ：地下室墻的濕度分布

在同一探測區(qū)域，兩個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(qū)滲漏深度的含水量，能夠區(qū)分由于濕氣造成的冷凝水。 
 

5結(jié)論

特別設計的平面微波諧振器和天線的結(jié)構(gòu)很適合用于緊湊型探頭的便攜式濕度儀。他們在記錄深度，平均范圍和應用領域上很好的相互補充。 

重復檢測或滲漏定位的測量精度足夠。測量時間短和符合人體工程學的操作的數(shù)據(jù)陣列，使測繪整個建筑部位的濕度分布圖可行。