一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统及方法，本发明专利技术涉及传感检测技术和单片机控制技术领域，包括盛装待测水泥混凝土的绝缘检测容器，所述绝缘检测容器外设有电容式测量探头，所述电容式测量探头能够将所述待测水泥混凝土作为电容介质，本发明专利技术采用了同一平面内的电容传感器，利用边缘效应，解决了以往电容传感器体积较大、安装复杂以及易受环境影响的缺点，本发明专利技术通过电容式测量探头采用无接触时的方式对水泥混凝土进行含水率测量，本实发明专利技术采用MSP430F5529LP单片机，该单片机最显著的特点是能够超低功耗运行,并且体积小,工作电压低(1.8V～3.6V),非常适用于长时间使用的检测设备。适用于长时间使用的检测设备。适用于长时间使用的检测设备。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统及方法


[0001]本专利技术涉及传感检测技术和单片机控制
，具体为一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统及方法。

技术介绍

[0002]水泥是日常生活中最为常见、普通的建筑材料。配成的水泥混凝土会发生水化反应，水泥水化反应过程中其结构和强度都在不断的变化，其中含水率在一定程度上反映了其水化程度，从而能间接的得出水泥混凝土的凝固程度。因此，对于水泥混凝土的含水率检测不应该仅仅停留在配料时的检测，而应该对整个水泥水化进行长时间的含水率监测。
[0003]目前，测量含水率的方法可以分为两大类：直接测量法和间接测量法。直接测量法主要是热重法，在实际生产中常使用该方法，但是，热重法需要对水泥混凝土进行煅烧，破坏水泥混凝土原有的化学性质和物理性质，而且测量需要较长时间。间接测量法主要是通过水泥的电化学性质与水的差别来实现的，主要的方法有电导法和微波法。电导法(CN202020889544.9)，但该方法容易受到温度、样本松散程度影响，故测量精度较低，并且其传感器需要接触到水泥混凝土，由于水泥混凝土的水化反应，长时间使用会对传感器造成不可挽回的伤害。微波法(CN202110230373.8)，该方法测量结果易受物料堆积密度影响，而且成本较高。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统及方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统，包括盛装待测水泥混凝土的绝缘检测容器，所述绝缘检测容器外设有电容式测量探头，所述电容式测量探头能够将所述待测水泥混凝土作为电容介质；
[0006]所述电容式测量探头包括正极板和负极板，所述正极板和所述负极板紧贴在检测容器外壁，所示电容式测量探头上连接有能给正极板施加不同频率的电压且能够测量所述电容式测量探头的微小电容测量电路，所述微小电容测量电路的一端连接一个电感L5和电容C6，组成LC振荡电路，将所述正极板和负极板的一端接入LC振荡电路，微小电容测量电路的另一端通过IIC 接口连接至微处理器，所述微处理器通过USB接口连接上位机，所述上位机具有数据采集和数据处理的功能。
[0007]作为优选，所述正极板和所述负极板为同一平面内且平行放置的矩形电容极板，其采用PCB印刷技术，表面单面覆铜板，基底为FR
‑
4的材料，其介电常数为4.2；所述容器为亚克力板，介电常数为4.5；所述正极板和所述负极板面积相同。
[0008]作为优选，所述检测容器中所添加待测水泥混凝土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不同龄期的水泥混凝土含水率。
[0009]作为优选，所述微小电容测量电路采用FDC2214电容数字转换器，所述微处理器采用MSP430F5529LP单片机。
[0010]作为优选，所述正极板和所述负极板包括基底，所述基底采用FR
‑
4环氧树脂材料制成，介电常数为4.2，厚度为1mm，基底上覆盖有正电极和负电极，所述正电极和负电极是两块相同大小的长方形铜片，厚度为17um，两极板在同一平面内且平行放置，且二者分别接入微小电容检测电路，待测的水泥混凝土作为电容介质，在正电极施加10kHz
‑
10MHz的激励电压，作为激励端，而负极板作为感应端，边缘电场产生于正极和负极之间，电场线穿过待测水泥混凝土从正极板传播到负极板上，由于电极板的几何参数和材料的介电常数都会影响电极板之间的电容，当电极板的几何参数和材料确定后，电极板之间所产的电容值只会随着材料的介电常数变化而变化，本专利技术根据多组仿真结果，优选矩形的电容极板。
[0011]一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量方法，包括以下步骤：
[0012]步骤S1，将多组不同水灰比的标准水泥混凝土样本分别放入检测容器中并作为电容介质，依次测量不同龄期的水泥混凝土的电容值；
[0013]步骤S2，利用热重法，称其该龄期水泥混凝土的质量，将其煅烧后在进行称重，然后用质量的变化来表示其含水率；
[0014]步骤S3，根据步骤S1测得的各组水泥混凝土所对应的电容值，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；
[0015]步骤S4,将待测水泥混凝土放入所述检测容器中作为电容介质，并测量待测出不同龄期的水泥混凝土所对应的电容值；
[0016]步骤S5，将步骤3测量出的电容值代入步骤3所述的电容值与含水率的关系式中计算出待测水泥混凝土的含水率。
[0017]作为优选，在步骤S1，分别配置了十种水泥混凝土的水灰比为0.20、0.25、 0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65，所述水灰比是指水泥混凝土中水的用量与水泥用量的重量比值，在步骤S1中使用这十组水泥混凝土样本进行测量，并且在水化反应前期(0
‑
7天)每隔1小时进行一次数据读取；在水化反应中期(7
‑
28天)每隔12小时进行一次数据读取；在水化反应后期(28
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90天)每隔24小时进行一次数据读取进行一次数据读取。
[0018]综上所述，本专利技术有益效果是：
[0019]1、本专利技术采用了同一平面内的电容传感器，利用边缘效应，解决了以往电容传感器体积较大、安装复杂以及易受环境影响的缺点。
[0020]2.、本专利技术通过电容式测量探头采用无接触时的方式对水泥混凝土进行含水率测量，由于含水率的变化会影响其介电常数的变化，故其含水率与物料的复合介电常数存在着一定的关系，在测量时利用FDC2214电容数字转换器测量出该电容器电介质的电容值，再经过标定公式便可间接推算出物料的含水率，实现了连续测量不同龄期的水泥混凝土的含水率。
[0021]3、本专利技术采用FDC2214电容数字转换器，其使用LC谐振的方法，在每个通道输入端连接一个电感L和电容C，由于FDC2214电容数字转换器内置振荡电路驱动器，所以可组成LC振荡电路，电容式测量探头与FDC2214电容数字转换器相连接，即正极板和负极板分别接入IN1A和IN1B通道的LC振荡电路中，当含水率变化，传感器的电容值随之变化，进而振荡电路的频率也发生变化。该技术具有精度高、噪声少和抗干扰能力强的优点。
[0022]4.本实专利技术采用MSP430F5529LP单片机，该单片机最显著的特点是能够超低功耗运行,并且体积小,工作电压低(1.8V～3.6V),非常适用于长时间使用的检测设备。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统，包括盛装待测水泥混凝土(3)的绝缘检测容器(4)，其特征在于：所述绝缘检测容器(4)外设有电容式测量探头，所述电容式测量探头能够将所述待测水泥混凝土(3)作为电容介质；所述电容式测量探头包括正极板(1)和负极板(2)，所述正极板(1)和所述负极板(2)紧贴在检测容器(4)外壁，所示电容式测量探头上连接有微小电容测量电路(7)，所述微小电容测量电路(7)的一端连接一个电感L5和电容C6，组成LC振荡电路，微小电容测量电路(7)的另一端通过IIC接口连接至微处理器(8)，所述微处理器(8)通过USB接口连接上位机(9)。2.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统，其特征在于：所述正极板(1)和所述负极板(2)为同一平面内且平行放置的矩形电容极板，其采用PCB印刷技术，表面单面覆铜板，基底为FR
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4的材料，其介电常数为4.2；所述容器为亚克力板，介电常数为4.5；所述正极板(1)和所述负极板(2)面积相同。3.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统，其特征在于：所述检测容器(4)中所添加待测水泥混凝土含水率不同，从而使其介电常数不同，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不同龄期的水泥混凝土含水率。4.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统，其特征在于：所述微小电容测量电路(7)采用FDC2214电容数字转换器，所述微处理器(8)采用MSP430F5529LP单片机。5.根据权利要求1所述的一种基于电容传感器的水泥混凝土含水率的测量系统，其特征在于：所述正极板(1)和所述负极板(2)包括基底(30)，所述基底(30)上覆盖有正电极(10)和负电极(20)，所述正电极(10)和所述负电极(20)是两块相同大小的长方形铜片，厚度为17um，两极板在同一平面内且平行放置，且二者分别接入微小电容检测电路。6.根据权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：吕侃俊，孔明，刘璐，朱维斌，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：