基于微波透射原理在線檢測石料含水量應用探究

林智 黃前龍 洪偉華 蔡燕霞

(1.浙江交投礦業有限公司，浙江 舟山 316000;2.中路高科(北京)公路工程與技術股份有限公司，北京 100088;3.公路工程的建設和養護新型材料技術在交通運輸領域的應用研究中心，北京 100088)

石料是基礎設施建設中不可或缺的建筑材料。據統計，混凝土結構中65%～75%的部分都采用石料，是混凝土結構的主要組成材料，起到骨架填充作用[1]。石料質量不達標，嚴重情況下將會縮短結構服役壽命，甚至引發結構性破壞。石料含水量檢測是評估石料質量的一項核心工作，目前多由人工檢測。人工檢測取樣存在占用空間大、頻次低、耗時長、安全隱患多等問題，且無法為生產線提供實時數據，嚴重影響石料質量的穩定性和可靠性。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。

一、石料含水量檢測技術

石料中含水量的檢測技術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行檢測，該法應用范圍廣，對石料溫度、密度等要求不高，但檢測效率低，不適于大規模石料生產加工和應用，難以實現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、電導率、磁導率、光譜等介質特性參數，通過算法模型建立石料含水量與介質特性參數的含水關系，通過參數變量的變化確定石料含水量。

微波透射原理[3]是通過傳感器發射端發射微波到石料上，與石料相互作用后，石料中水分子在固定頻率激發下會吸收微波能量，在微波場發生極化損耗，產生極化現象，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算微波參數變化量實現。該技術可通過空間電磁波方式貫穿石料內部進行檢測，在不損壞石料結構的情況下，快速、準確的反饋石料含水量檢測信息，效率高、穩定性好、成本相對較低和功耗較低，適于對石料含水量在線實時檢測。因此可采用基于微波透射原理在線檢測含水量技術實現石料含水量在線檢測。

二、應用試驗研究

（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、微波數據處理和系統校準軟件等模塊。微波傳感器模塊包含微波發射端和微波接收端兩個傳感器，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；微波數據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，通訊連接采用RS485/232方式的通訊接口，工作環境范圍在-20℃～85℃，功耗為50VA，測量精度范圍根據現場工況控制在0.3%～1%；系統校準軟件模塊安裝在電腦端，由6種可自由調整與變換的算法和計算模型構成。該計算模型根據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關系，通過現場采用烘干法檢測的含水量數據與微波傳感器檢測數據進行線性回歸建模標定得到石料含水量檢測結果，自動分析每種算法的相關性、誤差、散點圖、趨勢圖等信息，得到合適的算法模型。校準模型具有自適應自學習功能，根據不同的石料規格、重量、厚度、密度、水分范圍的數據自動調整標準曲線，實現同一校準曲線適用不同工況和介質的能力，無需頻繁更換校準曲線和調整曲線偏差。

（二）試驗方案

為驗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確度，與傳統利用烘干法檢測含水量方法進行對比分析，并計算二者檢測含水量結果的對比偏差。試驗選取16mm～31.5mm規格的石料，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行檢測，并實時傳輸、記錄檢測結果。烘干法檢測石料含水量依據《公路工程集料試驗規程》進行操作，首先稱取干凈鋁盒的質量記為m1，再稱取含水石料試樣與鋁盒的總質量記為m2，然后將試樣與鋁盒放入溫度控制在105℃±5℃的烘箱中進行烘干至恒重。稱取烘干冷卻后的鋁盒與試樣的總質量記為m3，并按式（1）計算含水量。每次取樣試驗的測定結果以兩次平行試驗結果的平均值為準[4]。

（三）結果對比分析

通過以上試驗方案，對石料進行10次隨機取樣試驗，檢測數據如表1所示。

表1 石料含水量檢測結果

由表1可知，通過10次隨機取樣試驗，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據與烘干法檢測數據有較高的契合度，滿足工程要求。另外，微波在線檢測石料含水量解決了傳統烘干法費時費力、易受人為因素干擾的缺點，可實時掌握石料加工生產和應用的質量情況，實現石料含水量檢測的全自動控制，將石料含水量在線檢測結果控制在較小的波動范圍，取得良好的使用效果。

三、結語

含水量檢測是石料加工生產和應用過程中主要的檢測和考核指標，基于微波透射原理的石料含水量在線檢測技術應用于實際工程中，不僅可以實時反饋石料含水量檢測情況，提高檢測效率，保證檢測精準性，利于節能降耗，還可以據此調節石料加工生產和應用過程中的控制參數，改善石料質量，降低勞動強度。石料含水量在線檢測技術作為提升石料管理的途經之一，積極探索“互聯網+交通基礎設施”的發展創新思路和推進智慧工程建設，對于實現項目管理大數據與石料含水量在線檢測技術的深度整合，逐步達到石料管理關鍵信息的互聯共享，提升石料管理項目的信息化能力具有重大意義。