一种基于叉指电容的砂石含水率的测量方法

【技术领域】

本发明涉及材料性能检测技术领域，尤其涉及一种基于叉指电容的砂石含水率的测量方法。

【背景技术】

目前，测试含水率的方法可以分为两类：直接测量法、间接测量法。直接测量法主要是人工烘干法，在混凝土实际生产过程中常使用该方法，但是，人工烘干法不仅仅耗时长，间隔久，另外，获得的数据往往与实际使用的材料之间存在严重的滞后，而且测定的含水率由于材料的水分分布的不均匀而无法具有代表性，对于实际生产很难有指导意义。间接测量法主要有电导法、微波法。所谓电导法(例如中国本实用新型专利CN212083302U)是根据含水物料的电阻随其含水率变化而变化的原理而来，因此就可以通过测量物料的电导率来间接地得到其含水率，但该方法容易受到环境的温度、湿度、样本松散程度的影响，故测量的精度较低；所谓微波法(例如中国实用新型专利CN212083273U)是根据含水物料对微波吸收反射的频率、能量的不同而测定的，但是其成本较高，而且测量结果受物料堆积密度的影响较大。

本发明就是基于这种情况作出的。

【发明内容】

本发明目的是克服了现有技术的不足，提供一种检测快速、测量精度高、测定数据准确、成本低的基于叉指电容的砂石含水率的测量方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于叉指电容的砂石含水率的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1，将多组不同预设含水率的标准砂石样本分别放入电容装置中并作为电容介质，并依次测量不同含水率的标准砂石对应的所述电容装置的电容值；

步骤S2，根据步骤S1测得的各组标准砂石对应的所述电容装置的电容值，建立电容值和含水率关系的数学模型并得出电容值与含水率的关系式；

步骤S3，将待测砂石放入所述电容装置中作为电容介质，并测量待测砂石对应的所述电容装置的电容值；

步骤S4，将步骤S3测得的电容值代入上述电容值与含水率的关系式中计算出待测砂石的含水率。

如上所述的一种基于叉指电容的砂石含水率的测量方法，所述电容装置包括用作容器的绝缘的检测盒和插在检测盒中用作电容电极板的叉指电极板；在步骤S1中或步骤S3中，将标准砂石样本或待测砂石放入所述电容装置中作为电容介质，具体操作步骤为：将砂石放置至检测盒内并振实，振实后使砂石刚好装满至检测盒的上边缘，将叉指电极板插入检测盒中且叉指电极板一边紧贴盒子内壁另一边紧贴砂子。

如上所述的一种基于叉指电容的砂石含水率的测量方法，所述叉指电极板包括有用作电路板的基底，所述基底上设有裸露的梳状的驱动电极和感应电极，所述驱动电极和感应电极的梳齿相互交错但不接触，所述驱动电极和感应电极之间设有用于屏蔽外部电磁干扰的屏蔽电极。

如上所述的一种基于叉指电容的砂石含水率的测量方法，所述驱动电极连接有阻抗分析仪，所述阻抗分析仪另一端连接感应电极；在步骤S1或步骤S3中，测量所述电容装置的电容值，具体操作步骤为：用阻抗分析仪在驱动电极上施加正弦电压V

如上所述的一种基于叉指电容的砂石含水率的测量方法，所述阻抗分析仪和感应电极之间还连接有电容为固定值C

如上所述的一种基于叉指电容的砂石含水率的测量方法，在步骤S2中，建立电容值和含水率关系的数学模型并得出电容值与含水率的关系式，具体操作步骤为：将各组不同预设含水率的标准砂石样本对应的电容值记录下来，通过计算机软件将以上各组含水率和电容值的数据进行拟合分析后得到拟合曲线，由拟合曲线得出电容值与含水率的关系式。

如上所述的一种基于叉指电容的砂石含水率的测量方法，多次重复步骤S1，取各次实验数据的平均值来确定拟合曲线、得出电容值与含水率的关系式。

与现有技术相比，本发明有如下优点：

1.本发明主要原理是砂石含水率不同导致其介电常数不同，作为电容介质时整体电容不同，不同的电容值对应不同的含水率，建立映射关系后即可通过电容法测量砂石含水率，该方法具有操作简单、精度较高、测量快速的优点。

2.本发明是种基于电容法的砂石含水率快速检测方法，本发明通过砂石等无机非金属材料的介电常数与水的介电常数的差异来实现含水率测定，常温下水的介电常数为81，砂石等材料的介电常数小于10，因此，含水率不同的砂以及石材料对应的介电常数是不同的，其导电性也是不同的。本发明利用了水分的导电性，含水物料与电极板形成了一个电容器，通过测量电容器电容的变化来得到测试物料的含水率，具有检测简单、检测精度高的优点。

3.本发明先使用几组标准砂石样本试验测定得出电容值与含水率的关系式，再测待测砂石对应的电容值，通过计算即可得出测待测砂石含水率；在得出电容值与含水率的关系式后，以后还要测另外的未知含水率的砂石时，无需再测标准样品，只测该未知含水率的砂石，即可。具有测量快速、成本低、计算量低、检测精度高的优点。

4.本发明的叉指电极板主要由驱动电极和感应电极组成，二者分别用作电容装置的电容结构的正极板和负极板，砂石填充作为电容介质，在相邻梳状电极上施加不同的电位，边缘电场产生于正极和负极之间，电场通过被测材料从梳状电极的正极传播到负极上。因此，电极和材料的几何形状以及材料的介电性能都会影响电极之间的电容和电导，电极和材料的几何形状固定后，梳状电极之间的边缘电容测量值只随着材料介电常数的变化而变化。因此，本发明检测精度高，具有代表性。

5.本发明所述驱动电极和感应电极之间设有用于屏蔽外部电磁干扰的屏蔽电极。这样可以使测量结果更准确。

6.本发明使用阻抗分析仪可以给驱动电极施加电压并测量感应电极输出电压，并且可以直接在阻抗分析仪读出电容装置的电容值，测量装置简单、操作简单而无需人工进行复杂计算、测量精确、快速。

【附图说明】

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1是本发明测量结构示意图；

图2是本发明电路原理示意图；

【具体实施方式】

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1至图2所示的一种基于叉指电容的砂石含水率的测量方法，包括以下步骤：

步骤S1，将多组不同预设含水率的标准砂石样本分别放入电容装置1中并作为电容介质，并依次测量不同含水率的标准砂石对应的所述电容装置1的电容值；

步骤S2，根据步骤S1测得的各组标准砂石对应的所述电容装置1的电容值，建立电容值和含水率关系的数学模型并得出电容值与含水率的关系式；

步骤S3，将待测砂石放入所述电容装置1中作为电容介质，并测量待测砂石对应的所述电容装置1的电容值；

步骤S4，将步骤S3测得的电容值代入上述电容值与含水率的关系式中计算出待测砂石的含水率。

其中，在步骤S1，优选分别配置含水率为0％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％共十一组标准砂石样本，在步骤S1中使用这十一组标准砂石样本进行测量。

本发明主要原理是砂石含水率不同导致其介电常数不同，作为电容介质时整体电容不同，不同的电容值对应不同的含水率，建立映射关系后即可通过电容法测量砂石含水率，该方法具有操作简单、精度较高、测量快速的优点。

具体的，所述电容装置1包括用作容器的绝缘的检测盒和插在检测盒11中用作电容电极板的叉指电极板12；在步骤S1中或步骤S3中，将标准砂石样本或待测砂石放入所述电容装置1中作为电容介质，具体操作步骤为：将砂石放置至检测盒11内并振实，振实后使砂石刚好装满至检测盒11的上边缘，将叉指电极板12插入检测盒11中且叉指电极板12一边紧贴盒子内壁另一边紧贴砂子。

具体的，所述叉指电极板12包括有用作电路板的基底121，所述基底121上设有裸露的梳状的驱动电极122和感应电极123，所述驱动电极122和感应电极123的梳齿相互交错但不接触，所述驱动电极122和感应电极123之间设有用于屏蔽外部电磁干扰的屏蔽电极124。

其中，本发明的叉指电极板12主要由驱动电极122和感应电极123组成，二者分别用作电容装置1的电容结构的正极板和负极板，砂石填充作为电容介质，在相邻梳状电极上施加不同的电位，边缘电场产生于正极和负极之间，电场通过被测材料从梳状电极的正极传播到负极上。因此，电极和材料的几何形状以及材料的介电性能都会影响电极之间的电容和电导，电极和材料的几何形状固定后，梳状电极之间的边缘电容测量值只随着材料介电常数的变化而变化。因此，本发明检测精度高，具有代表性。本发明优选采用矩形叉指电容，包括多个互穿梳状电极的共面结构。

具体的，所述驱动电极122连接有阻抗分析仪2，所述阻抗分析仪2另一端连接感应电极123；在步骤S1或步骤S3中，测量所述电容装置1的电容值，具体操作步骤为：用阻抗分析仪2在驱动电极122上施加正弦电压V

具体的，为了提高测量精确度，在所述阻抗分析仪2和感应电极123之间还可连接电容为固定值C

其中的基本原理是：当不同含水率的砂石材料放置被检测区域时，由于水分的占比不同会使得材料整体的介电常数存在差异，进而导致电容的差异。在驱动电极122施加正弦电压，测量感应电极123的输出电压，基底121导电性为零，因此电流仅由电容效应所致。因而电容的差异只和和含水率的差异相关。因此，本发明检测精度高，具有代表性。

其中，阻抗分析仪2作为驱动信号的发射装置，驱动信号优选为正弦波2V电压，频率的变化范围优选从10HZ到100MHZ，在选取频率范围的过程使用该仪器进行测量扫频。分别观察每一组砂石的扫频图，选取电容值C

其中，步骤S3和步骤S1中，各组试验阻抗分析仪2施加的正弦电压V

具体的，在步骤S2中，建立电容值和含水率关系的数学模型并得出电容值与含水率的关系式，具体操作步骤为：将各组不同预设含水率的标准砂石样本对应的电容值记录下来，通过计算机软件将以上各组含水率和电容值的数据进行拟合分析后得到拟合曲线，由拟合曲线得出电容值与含水率的关系式。所述电容值和含水率关系的数学模型，优选是以电容值和对应含水率分别作为纵坐标和横坐标，建立坐标系，并根据各组电容值和对应含水率绘制坐标点，由这些坐标点拟合曲线。

具体的，多次重复步骤S1，取各次实验数据的平均值来确定拟合曲线、得出电容值与含水率的关系式。这样多次试验取每组试验的平均值再拟合曲线，这样测得的数据更为准确。

具体操作示例如下：

第一步，分别配置含水率为0％、1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％共十一组砂子。

第二步，将配置好的砂子放置至塑料的检测盒内，振实后使砂子刚好装满至检测盒的上边缘。叉指电极板12一边紧贴检测盒内壁另一边紧贴砂子。其中，选取电极极宽6mm、驱动电极122级数为7、感应电极123级数为4、电极长度为100mm的叉指电极板12，板厚为6mm，另加屏蔽电极121以屏蔽外部电磁的干扰。

第三步，采用3691A阻抗分析仪作为驱动信号的发射装置，驱动信号为正弦波2V电压，频率的变化范围从10HZ到100MHZ，在选取频率范围的过程使用该仪器进行测量扫频。在每次测试的同时扫频，找到测试结果稳定的频率范围，分别观察每一组砂子的扫频图，选取电容值达到稳定的频率区间，该频率区间作为读取区间，读取对应的电容值，其为读取电容值，本案例采用10KHz附近作为读取区间。

将各组砂子读取的电容值记录下来，数据如下：

第四步，通过软件将以上数据进行拟合分析后得到拟合曲线，结果如下：y＝-1.36+0.036*x，y为含水率，x为电容值。

其中R方为0.916>0.9，说明相关性高，电容值与被测样品含水率呈现正相关规律，关系式为：y＝-1.36+0.036*x。

可以根据实际情况多做几次试验取平均值确定拟合曲线，确定好关系式后，即可对未知含水率的砂进行检测含水率。

第五步，将未知含水率的样品置于检测盒内，同样加上2V正弦电压进行扫频，读取10KHz的电容值，读取值为184.4pf，带入至关系式中进行计算，得到含水率的值为5.28％。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。