基于微波透射原理在線檢測石料含水量應(yīng)用探究

林智 黃前龍 洪偉華 蔡燕霞

(1.浙江交投礦業(yè)有限公司，浙江 舟山 316000;2.中路高科(北京)公路工程與技術(shù)股份有限公司，北京 100088;3.公路工程的建設(shè)和養(yǎng)護(hù)新型材料技術(shù)在交通運(yùn)輸領(lǐng)域的應(yīng)用研究中心，北京 100088)

石料是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中不可或缺的建筑材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，混凝土結(jié)構(gòu)中65%～75%的部分都采用石料，是混凝土結(jié)構(gòu)的主要組成材料，起到骨架填充作用[1]。石料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重情況下將會縮短結(jié)構(gòu)服役壽命，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)性破壞。石料含水量檢測是評估石料質(zhì)量的一項(xiàng)核心工作，目前多由人工檢測。人工檢測取樣存在占用空間大、頻次低、耗時(shí)長、安全隱患多等問題，且無法為生產(chǎn)線提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，嚴(yán)重影響石料質(zhì)量的穩(wěn)定性和可靠性。本文通過分析目前石料含水量的檢測方法和原理，提出一套適用于在線檢測含水量的微波透射原理在線檢測技術(shù)。

一、石料含水量檢測技術(shù)

石料中含水量的檢測技術(shù)包括直接檢測和間接檢測[2]。直接檢測主要通過烘干法、砂浴法、酒精燃燒法等方法進(jìn)行檢測，該法應(yīng)用范圍廣，對石料溫度、密度等要求不高，但檢測效率低，不適于大規(guī)模石料生產(chǎn)加工和應(yīng)用，難以實(shí)現(xiàn)在線反饋石料檢測信息。間接檢測是通過檢測石料的介電常數(shù)、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、光譜等介質(zhì)特性參數(shù)，通過算法模型建立石料含水量與介質(zhì)特性參數(shù)的含水關(guān)系，通過參數(shù)變量的變化確定石料含水量。

微波透射原理[3]是通過傳感器發(fā)射端發(fā)射微波到石料上，與石料相互作用后，石料中水分子在固定頻率激發(fā)下會吸收微波能量，在微波場發(fā)生極化損耗，產(chǎn)生極化現(xiàn)象，剩余的微波能量則透過石料后由微波傳感器接收端接收，石料的含水量檢測最終通過計(jì)算微波參數(shù)變化量實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)可通過空間電磁波方式貫穿石料內(nèi)部進(jìn)行檢測，在不損壞石料結(jié)構(gòu)的情況下，快速、準(zhǔn)確的反饋石料含水量檢測信息，效率高、穩(wěn)定性好、成本相對較低和功耗較低，適于對石料含水量在線實(shí)時(shí)檢測。因此可采用基于微波透射原理在線檢測含水量技術(shù)實(shí)現(xiàn)石料含水量在線檢測。

二、應(yīng)用試驗(yàn)研究

（一）含水量在線檢測裝置

基于微波透射原理的石料含水量在線檢測裝置設(shè)置集成安裝于石料輸送皮帶上。該裝置主要包括微波傳感器、微波數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件等模塊。微波傳感器模塊包含微波發(fā)射端和微波接收端兩個(gè)傳感器，微波頻段范圍為1GHz～5GHz，功率為0.1mW～10DBM，靈敏度為0.1NW，工作溫度范圍在-20℃～60℃，由HF-傳輸線傳輸信號線纜；微波數(shù)據(jù)處理模塊是該儀器微波信號的控制和處理中心，采用帶NV功能的微波處理系統(tǒng)，通訊連接采用RS485/232方式的通訊接口，工作環(huán)境范圍在-20℃～85℃，功耗為50VA，測量精度范圍根據(jù)現(xiàn)場工況控制在0.3%～1%；系統(tǒng)校準(zhǔn)軟件模塊安裝在電腦端，由6種可自由調(diào)整與變換的算法和計(jì)算模型構(gòu)成。該計(jì)算模型根據(jù)微波傳感器檢測石料的微波信號吸收率與含水量之間的對應(yīng)關(guān)系，通過現(xiàn)場采用烘干法檢測的含水量數(shù)據(jù)與微波傳感器檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸建模標(biāo)定得到石料含水量檢測結(jié)果，自動分析每種算法的相關(guān)性、誤差、散點(diǎn)圖、趨勢圖等信息，得到合適的算法模型。校準(zhǔn)模型具有自適應(yīng)自學(xué)習(xí)功能，根據(jù)不同的石料規(guī)格、重量、厚度、密度、水分范圍的數(shù)據(jù)自動調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)曲線，實(shí)現(xiàn)同一校準(zhǔn)曲線適用不同工況和介質(zhì)的能力，無需頻繁更換校準(zhǔn)曲線和調(diào)整曲線偏差。

（二）試驗(yàn)方案

為驗(yàn)證基于微波透射原理石料含水量在線檢測裝置的精度和準(zhǔn)確度，與傳統(tǒng)利用烘干法檢測含水量方法進(jìn)行對比分析，并計(jì)算二者檢測含水量結(jié)果的對比偏差。試驗(yàn)選取16mm～31.5mm規(guī)格的石料，在線檢測石料含水量由基于微波透射原理在線檢測含水量裝置進(jìn)行檢測，并實(shí)時(shí)傳輸、記錄檢測結(jié)果。烘干法檢測石料含水量依據(jù)《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行操作，首先稱取干凈鋁盒的質(zhì)量記為m1，再稱取含水石料試樣與鋁盒的總質(zhì)量記為m2，然后將試樣與鋁盒放入溫度控制在105℃±5℃的烘箱中進(jìn)行烘干至恒重。稱取烘干冷卻后的鋁盒與試樣的總質(zhì)量記為m3，并按式（1）計(jì)算含水量。每次取樣試驗(yàn)的測定結(jié)果以兩次平行試驗(yàn)結(jié)果的平均值為準(zhǔn)[4]。

（三）結(jié)果對比分析

通過以上試驗(yàn)方案，對石料進(jìn)行10次隨機(jī)取樣試驗(yàn)，檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 石料含水量檢測結(jié)果

由表1可知，通過10次隨機(jī)取樣試驗(yàn)，微波在線檢測所得石料含水量與烘干法所得石料含水量對比偏差控制在±0.3%，表明利用微波透射原理在線檢測石料含水量數(shù)據(jù)與烘干法檢測數(shù)據(jù)有較高的契合度，滿足工程要求。另外，微波在線檢測石料含水量解決了傳統(tǒng)烘干法費(fèi)時(shí)費(fèi)力、易受人為因素干擾的缺點(diǎn)，可實(shí)時(shí)掌握石料加工生產(chǎn)和應(yīng)用的質(zhì)量情況，實(shí)現(xiàn)石料含水量檢測的全自動控制，將石料含水量在線檢測結(jié)果控制在較小的波動范圍，取得良好的使用效果。

三、結(jié)語

含水量檢測是石料加工生產(chǎn)和應(yīng)用過程中主要的檢測和考核指標(biāo)，基于微波透射原理的石料含水量在線檢測技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程中，不僅可以實(shí)時(shí)反饋石料含水量檢測情況，提高檢測效率，保證檢測精準(zhǔn)性，利于節(jié)能降耗，還可以據(jù)此調(diào)節(jié)石料加工生產(chǎn)和應(yīng)用過程中的控制參數(shù)，改善石料質(zhì)量，降低勞動強(qiáng)度。石料含水量在線檢測技術(shù)作為提升石料管理的途經(jīng)之一，積極探索“互聯(lián)網(wǎng)+交通基礎(chǔ)設(shè)施”的發(fā)展創(chuàng)新思路和推進(jìn)智慧工程建設(shè)，對于實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理大數(shù)據(jù)與石料含水量在線檢測技術(shù)的深度整合，逐步達(dá)到石料管理關(guān)鍵信息的互聯(lián)共享，提升石料管理項(xiàng)目的信息化能力具有重大意義。