基于微波透射原理在线检测石料含水量应用探究

林智 黄前龙 洪伟华 蔡燕霞

(1.浙江交投矿业有限公司，浙江 舟山 316000;2.中路高科(北京)公路工程与技术股份有限公司，北京 100088;3.公路工程的建设和养护新型材料技术在交通运输领域的应用研究中心，北京 100088)

石料是基础设施建设中不可或缺的建筑材料。据统计，混凝土结构中65%～75%的部分都采用石料，是混凝土结构的主要组成材料，起到骨架填充作用[1]。石料质量不达标，严重情况下将会缩短结构服役寿命，甚至引发结构性破坏。石料含水量检测是评估石料质量的一项核心工作，目前多由人工检测。人工检测取样存在占用空间大、频次低、耗时长、安全隐患多等问题，且无法为生产线提供实时数据，严重影响石料质量的稳定性和可靠性。本文通过分析目前石料含水量的检测方法和原理，提出一套适用于在线检测含水量的微波透射原理在线检测技术。

一、石料含水量检测技术

石料中含水量的检测技术包括直接检测和间接检测[2]。直接检测主要通过烘干法、砂浴法、酒精燃烧法等方法进行检测，该法应用范围广，对石料温度、密度等要求不高，但检测效率低，不适于大规模石料生产加工和应用，难以实现在线反馈石料检测信息。间接检测是通过检测石料的介电常数、电导率、磁导率、光谱等介质特性参数，通过算法模型建立石料含水量与介质特性参数的含水关系，通过参数变量的变化确定石料含水量。

微波透射原理[3]是通过传感器发射端发射微波到石料上，与石料相互作用后，石料中水分子在固定频率激发下会吸收微波能量，在微波场发生极化损耗，产生极化现象，剩余的微波能量则透过石料后由微波传感器接收端接收，石料的含水量检测最终通过计算微波参数变化量实现。该技术可通过空间电磁波方式贯穿石料内部进行检测，在不损坏石料结构的情况下，快速、准确的反馈石料含水量检测信息，效率高、稳定性好、成本相对较低和功耗较低，适于对石料含水量在线实时检测。因此可采用基于微波透射原理在线检测含水量技术实现石料含水量在线检测。

二、应用试验研究

（一）含水量在线检测装置

基于微波透射原理的石料含水量在线检测装置设置集成安装于石料输送皮带上。该装置主要包括微波传感器、微波数据处理和系统校准软件等模块。微波传感器模块包含微波发射端和微波接收端两个传感器，微波频段范围为1GHz～5GHz，功率为0.1mW～10DBM，灵敏度为0.1NW，工作温度范围在-20℃～60℃，由HF-传输线传输信号线缆；微波数据处理模块是该仪器微波信号的控制和处理中心，采用带NV功能的微波处理系统，通讯连接采用RS485/232方式的通讯接口，工作环境范围在-20℃～85℃，功耗为50VA，测量精度范围根据现场工况控制在0.3%～1%；系统校准软件模块安装在电脑端，由6种可自由调整与变换的算法和计算模型构成。该计算模型根据微波传感器检测石料的微波信号吸收率与含水量之间的对应关系，通过现场采用烘干法检测的含水量数据与微波传感器检测数据进行线性回归建模标定得到石料含水量检测结果，自动分析每种算法的相关性、误差、散点图、趋势图等信息，得到合适的算法模型。校准模型具有自适应自学习功能，根据不同的石料规格、重量、厚度、密度、水分范围的数据自动调整标准曲线，实现同一校准曲线适用不同工况和介质的能力，无需频繁更换校准曲线和调整曲线偏差。

（二）试验方案

为验证基于微波透射原理石料含水量在线检测装置的精度和准确度，与传统利用烘干法检测含水量方法进行对比分析，并计算二者检测含水量结果的对比偏差。试验选取16mm～31.5mm规格的石料，在线检测石料含水量由基于微波透射原理在线检测含水量装置进行检测，并实时传输、记录检测结果。烘干法检测石料含水量依据《公路工程集料试验规程》进行操作，首先称取干净铝盒的质量记为m1，再称取含水石料试样与铝盒的总质量记为m2，然后将试样与铝盒放入温度控制在105℃±5℃的烘箱中进行烘干至恒重。称取烘干冷却后的铝盒与试样的总质量记为m3，并按式（1）计算含水量。每次取样试验的测定结果以两次平行试验结果的平均值为准[4]。

（三）结果对比分析

通过以上试验方案，对石料进行10次随机取样试验，检测数据如表1所示。

表1 石料含水量检测结果

由表1可知，通过10次随机取样试验，微波在线检测所得石料含水量与烘干法所得石料含水量对比偏差控制在±0.3%，表明利用微波透射原理在线检测石料含水量数据与烘干法检测数据有较高的契合度，满足工程要求。另外，微波在线检测石料含水量解决了传统烘干法费时费力、易受人为因素干扰的缺点，可实时掌握石料加工生产和应用的质量情况，实现石料含水量检测的全自动控制，将石料含水量在线检测结果控制在较小的波动范围，取得良好的使用效果。

三、结语

含水量检测是石料加工生产和应用过程中主要的检测和考核指标，基于微波透射原理的石料含水量在线检测技术应用于实际工程中，不仅可以实时反馈石料含水量检测情况，提高检测效率，保证检测精准性，利于节能降耗，还可以据此调节石料加工生产和应用过程中的控制参数，改善石料质量，降低劳动强度。石料含水量在线检测技术作为提升石料管理的途经之一，积极探索“互联网+交通基础设施”的发展创新思路和推进智慧工程建设，对于实现项目管理大数据与石料含水量在线检测技术的深度整合，逐步达到石料管理关键信息的互联共享，提升石料管理项目的信息化能力具有重大意义。