摘 要

在混凝土生产制备过程中，水和水泥的比值决定了混凝土的强度和耐久性。砂石骨料的含水率的波动决定需要补充水分的用量，现有砂料含水量的检测方法是抽样干燥法，这种方法存在一定时间的滞后现象， 故不能及时用于生产控制，从而不能保障混凝土的生产质量，因此对砂子含水率进行快速测定方法的研究具有重要意义。

本论文设计一种叉指平面电容传感器来实现对砂子含水率的快速测定，相较于普通的平面电容传感器而言，叉指式在实际生产中应用更加方便，在砂子流经电容器表面的过程中即可以实现对含水率的测量，此外，叉指式电容器具有电场分布均匀的优势。因此，本文围绕叉指电容器进行了以下工作：

首先，对于电容器如何放置怎样测量的问题进行了讨论和预实验，对叉指平面电容传感器的性能进行了初步地分析，发现这种电容器电场强度信号较弱，需要紧贴着砂子进行测量。

其次，叉指平面电容传感器的参数主要包括电极间距和电极宽度，就这两个参数进行设计和性能分析。 为了便于分析，控制电极间距为一定值，设计不同极宽的板子，优选最佳电极宽度，提高测量精度。

最后，根据在实际的测量过程中得到的数据进行曲线的拟合和分析，确定合适的电容-介电常数-含水率的数学模型，并得到测量性能最优极宽的叉指电极板。

关键词：砂子含水率，叉指式平面电容，介电常数

ABSTRACT

In the preparation of concrete production, the ratio of water to cement determines the strength and durability of the concrete. The change of water content of gravel aggregate determines the amount of supplemental moisture. The existing method for detecting the moisture content of sand (sampling drying method) has a certain time lag. Therefore, this method cannot be used in production control in time, and the quality of concrete can not be guaranteed. , so the study of the rapid determination of sand moisture content content is of great significance.

In this paper, an interdigital planar capacitive sensor is designed to realize the rapid determination of the moisture content of sand. Compared with the ordinary planar capacitive sensor, the interdigital type is more convenient to be used in actual production, measurement of moisture content can be achieved as sand flows through the surface of the capacitor. In addition, interdigital capacitors have the advantage of uniform electric field distribution. Therefore, this article has done the following work around the interdigital capacitor:

Firstly, the problem of where to place the capacitor and how to measure is discussed and pre-experimented. The performance of the interdigital capacitive sensor is preliminary analyzed. It is found that the electric field strength signal of this capacitor is weak and needs to be measured close to the sand.

Secondly, the parameters of the interdigital capacitive sensor are designed. The parameters mainly include electrode spacing and electrode width. In order to facilitate the analysis, the electrode spacing is set to a certain value, and boards is designed with different electrode widths to select the optimal electrode width and improve the measurement accuracy.

Finally, according to the data obtained in the actual measurement process, the curve is fitted and analyzed to determine the appropriate capacitance-dielectric constant-water content mathematical model, and the electrode with the best measurement performance is obtained.

Key words: sand moisture content, interdigitated planar capacitance, dielectric constant

目录

第一章 绪论 1

1.1 课题背景和目的 1

1.2 课题对社会、环境等方面的意义 1

1.3 国内外研究概况 2

1.3.1 直接测量法 3

1.3.2 间接测量法 3

1.4 本文结构安排 4

第二章 测量原理及技术方案 6

2.1 单一平面平板电容器原理 6

2.2 叉指电极平板电容器原理 7

2.3 实验技术方案 9

2.3.1 实验仪器 9

2.3.2 测试原理与方法 10

第三章 实验参数的测量与选取 11

3.1频率的选取 11

3.2极板宽度和极间距选取 14

3.3极板屏蔽层的探讨 17

3.4极板涂层的选取 21

第四章 实验测定与结果分析 24

4.1 测量实验结果 24

4.2 数据处理和拟合 25

4.3 实验误差分析 32

4.3.1 砂子堆积密度的影响 32

4.3.2 砂子含水率的误差 32

4.3.3 仪器测量误差 32

第五章 总结和展望 33

5.1 总结 33

5.2 展望 33

参考文献： 35

致谢 37

第一章 绪论

1.1 课题背景和目的

现代工业的发展，对工矿参数的实时监测显得越来越重要了。混凝土的生产是以水泥为胶凝材料，将砂子、碎石、石灰、煤渣等原料进行混合搅拌，最后制成混凝土。强度和耐久性是衡量混凝土质量的主要性能指标，在拌和制备混凝土的过程中，混凝土的耐久性和强度会受到水灰比直接的影响。

水灰比，即是水分含量与水泥用量之比。在控制水泥用量不变的条件下，添加水的用量，水泥浆被稀释，因此其流动性增强，被添加到混凝土拌和物中搅拌后，拌和物的流动性也会加强、粘聚性减弱、保水性不良，并因此而导致离析、流浆的现象，因此其强度达不到预期。若减少预期水分的用量，即当水灰比偏小时，水泥浆会变得粘稠而使拌和物流动性差，结果就是在施工过程中操作困难，混凝土的密实性无法得到保证。此外，若要增强混凝土的强度，除了可以使用高等级的水泥以外，也可以在水泥等级不变的条件下适当减小水灰比，由此可以提高水泥石的强度，在混凝土拌和物中起到的胶凝材料的黏结作用也越强。因此可以提高混凝土成品的强度。因此，精确控制混凝土生产中的水灰比十分的重要。

在实际生产线上，混凝土搅拌站对骨料水分进行的监测，大部分是抽样烘干监测，存在耗时时间长、与实际生产不同步等问题。混凝土骨料中的砂子，其含水率易受外界环境的影响，天气的变化以及堆放的方式都会使砂子出现含水率不均匀的问题。在梅雨季节或者一些南方城市，空气湿度大，这个问题就更加地突出。同时，混凝土的生产采用间歇式配料，砂子的含水率无法通过烘干法立即得到并应用于生产配制，因而存在砂子的理论含水率与实际含水率的偏差。若按照理论的用水量进行配制，水灰比出现偏差，从而得不到预期生产质量的混凝土。因此，在生产高质量混凝土时，就有必要测出砂子的含水量并对其进行实时监测以便及时调整掺和料中的加水量。

在实际生产需求的推动下，本课题研究设计一种叉指电极式平面电容传感器，该电容传感器电场分布均匀，灵敏度高，通过实验确定最优的电极数量、电极间距和驱动信号频率、电压等参数，采用这种电容传感器检测砂子含水率。通过实验数据分析和建模，确定该传感器检测电容和砂子含水率的数据模型，从而实现混凝土砂子含水率快速检测方法。

1.2 课题对社会、环境等方面的意义

本课题针对砂子含水量变化与测定不同步的问题研究混凝土砂料含水率快速测定方法，有良好的意义与价值。

在混凝土的实际生产线上，存在粉尘大、噪声强、温度高等问题。在实际测量砂子的含水率过程中，采用传统的测量方法即烘干法需要实地去取样，因此工人需要深入现场进行操作取回砂子样品并带回实验室测量砂子烘干前后的质量，工人易受到粉尘对身体带来的负面影响，危害工人身体健康。此外，这种方法也会影响施工进度。因此，快速测定方法的研究能够减轻工人的劳动强度，减去了工人取样的过程，不仅有利于保障工人的身体健康与生命安全、减少企业生产过程中工人的用工成本，而且能够提高混凝土生产的质量，为连续性施工创造条件。同时，也是节约大自然赋予人类的资源，是对环境资源的保护，对社会的经济效益和环境效益有积极的影响。

1.3 国内外研究概况

随着技术的发展，实验仪器的更新以及理论的探索，如今测量含水率的方法越来越多，比如微波法、红外探测法、烘干法、电阻（电导）法等等。本文研究的是通过电容法来测量砂子含水率。

目前国内外对电容法测量含水率的技术有许多的研究，在食品化工、建筑等行业都有广泛的应用。在国内，比如在农业生产中，南京林业大学信息科学技术学院的戴宇培等人对他们之前研制的电容型土壤湿度传感器中存在的测量范围小，误差大的问题进行了进一步地探索，其土壤湿度的测量范围拓宽到0~60%，误差为±2%^[1]。在油水两相流的测量中，吴昊等人利用电导传感器和电容传感器在含率测量上的不同敏感范围，实现了在水平管道内油水两相流全含率范围内的测量^[2]。李秀农等人利用油的介电常数相对于水可以忽略不计的特点进行试验，提出了电容法来测量油水两相中水的含水率^[3]。在木材工业生产上，何毅等人使用电容法对刨花的含水率进行了测试，试验表明含水率和电容值存在分段函数关系，需要分段进行处理^[4]。在烟草行业卷烟的生产过程中，劳令耳等人采用电容法，使用同轴圆筒形测量探头来减小试验误差，试验结果显示测量精度在0.5~2%^[5]。汪蓓蓓，黄云志等人利用了材料内部不同损伤处介电系数的差异性，设计了一种叉指式平面电容传感器实现了无损检测^[11]。

国外对电容器来测量含水率这一方法也有一定的研究。CHETPATTANANONDH P等人设计了叉指电容式传感器测试了木材板子中的含水率，探头采用印刷电路板的形式，使用了改进的电桥电路，测量精度很高^[5]。ANTTI V等人对电容层析成像（ECT）在水泥基材料中监测不饱和水分流进行了可行性研究，ECT是一种成像方式，其中基于测量的电容重建物体内的电容率分布。结果表明，ECT能够对样本中的水分进入成像，ECT可以提供监测可视化的工具并且非破坏性地量化水泥基材料中的水分进入速率^[6]。ALAM M N等人将叉指电容器夹在在两块混凝土板之间。两块混凝土板子都是经过浸水处理，其含水率相同，通过测量一系列的不同含水率板子的电压值来得到对应关系，其测量数据拟合所得曲线线性度好，精度也较高^[7]。MIRJANA M等人研究了被动式传感器在建筑材料含水率测量中的应用，该传感器采用低温共烧陶瓷(LTCC)工艺制备，被嵌入已经放置在池水中的建筑材料的测试样品中，样品的水分含量的变化可以由测量无线跟踪传感器谐振频率的变化来表示。采用粘土砖和蒸压加气混凝土砌块对传感器的性能进行了分析和测试，得到传感器的谐振频率与粘土、砖、混凝土块等建筑材料的含水量成正比。该传感器具有0%~70%大范围的吸水率检测范围，线性度高，响应快。可用于持续监测建筑材料和设施的湿度，以便有效、及时地维修和维护在建筑业的各种设施^[8]。

针对砂子含水量的测试中，黄原信设计实验，分析了当使用电容法进行测试时，砂石含水率对砂水混合物介电常数的影响，建立了复合介质介电常数模型，并着重分析了温度变化对实验结果的影响，不过也指出了单一平面电容传感器存在电场不均匀等问题^[9]。为了探究含水率在线检测方法相较于传统烘干法所具有的优势，都广雄研究设计了对比试验，得出含水率在线检测技术优于传统烘干法的结论，并排除了一些可能对实验结果产生影响的因素^[10]。

目前，国内外在测试含水率上有各种各样的方法，将各类方法可以分为两类：直接测量法、间接测量法，接下来会对这两类方法做进一步的阐述。

1.3.1 直接测量法

直接测量法也叫做烘干法，物料含水率的计算公式如下：

（1.1）

在公式1.1中，w是所测量物料的含水率，m₀是其在测试样品在干燥前的质量，m₁是测试样品在干燥后的质量。这种方法就是根据公式进行测量带入计算，因此命名为直接测量法。虽然使用这种方法得到的结果直接、准确，但是也存在一些问题。其一就是该方法在离线条件下工作，无法对物料进行在线持续地测量。其二就是在物料较多时，所取样本的代表性差，因此测试所得含水率并非可以做到对物料含水率的准确反映。还有一个就是测量时间较长，耗费人力。因此，目前随着技术的更新与理论的探究，许多间接测量的方法应运而生。

1.3.2 间接测量法

（1）电阻法

作为应用较早的一种方法，其测试过程的优缺点得到了全面深入的研究。电阻法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。电阻法一般是直流测量，其测量仪器与电路的结构都不复杂，成本也不高并兼具测量方便快捷的特点。其缺点就是测量准确度差，在实际测量过程中砂石的状态会较大地影响测量结果，比如颗粒的粒径。若粒径过大则其中的空气占用空间也相应变大，空气的存在会极大地影响测量电阻，因此测量结果的精度得不到保证。此外，其测量过程中的影响因素还有很多，比如其测量时环境的温度、湿度、样本松散程度以及电容器两块电极板之间的距离等。 因此，电阻法并不适合于测量砂子中的含水率。

（2）微波法

微波的波段是所有无线电波谱中最短的，其波长均介于30 MHz-300 GHz之间。水分子是极性分子，在微波场中能够对微波产生相应的特殊敏感性，因此水分子能够吸收改变微波电场的能量，然后在系统末端配置微波接收器，通过检测能量的变化就能够间接地反应水分含量，将经检测而得到的数据信号进行收集并经过系统响应的处理换算，最终在显示屏中就可以得到被测样品的含水率。 微波法测量含水率的原理是： 水会吸收、反射微波的能量或者随着物料中水分含量的变化，微波谐振腔谐振频率等各种参数也会相应变化，由此而进行测定。 透射法和反射法是目前常见的用来检测物料含水率的方法^[10]。

微波法的优点是灵敏、测量迅速，因此方便进行实时监测。但是，微波法的成本较高，其测量结果受物料堆积密度的影响较大。若仪器要有高的精度则仪器价格也相应很高，因此而存在成本和测量精度之间的矛盾。

（3）电容法

电容法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^[10]， 这种方法因为其测试仪器结构简单、成本低廉、反应迅速而得到人们普遍的关注，适用于在线检测。 但是其测量方法的弊端就是影响因素过多，比如被测物料的环境温度、疏密度、被测物料的深度等都会影响测结果，导致其可靠性降低，所以测量的精度是电容法亟待解决的问题。

目前，国外也在积极探索减少电容法测量误差的方法，成果也很多。德国Arnold公司开发的含水率测试仪即是用的电容法，采用高频电容来测量含水率，穿透性可达到物料层150毫米的深度。瑞士 Libheer公司开发的水分测量仪 Litro- FMSⅡ，其仪器性能更为先进， 其带有内置标准曲线，并且集成在探头中的平衡补偿机构可以解决测量过程中容易出现的温度和 PH值所带来的影响，当控制被测配料的厚度这一变量一定时，该仪器表现出很高的测量精度^[10]。

另外，电容器的结构也呈现出多样化的趋势。目前，就有同心圆筒式电极、矩形电极叉指形、方形回路交错电容器、圆盘形等等。

（4）红外法

红外光谱中某些特定的波长对水分有强烈的吸收带，因此测量物料的含水率就可以通过检测红外线通过测试样品后前后光强所产生的变化来得到。这种方法也称作红外线吸收法，其特点是无需接触样品既可以进行测量并且还具有响应速度快、受物料温度和密度影响小，但是缺点就是只能测量物料表面含水率，物料内部的含水率无法得到，因此体积含水率的测定并不适用。

1.4 本文结构安排

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