LTCC传感器在建筑材料含水率测量中的应用外文翻译资料

 2022-01-24 04:01

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建筑材料

LTCC传感器在建筑材料含水率测量中的应用

文章信息：

  1. 文章历史：2011年2月20日收录，2011年5月27日收录修订版，2011年6月18日接受，2011年7月14日可供网上查阅
  2. 关键词：传感器、含水率、粘土块、蒸压加气混凝土砌块

摘要：

本文介绍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。它被嵌入已经放置在池水中的建筑材料的测试样品中，因此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。水的介电常数比测试样品的介电常数高得多，样品中水分含量的增加了LC谐振传感器的电容，从而减少了传感器的谐振频率。

  1. 介绍

为了了解建筑行业的建筑物和其他土木工程结构的状况，需要监测大量参数，例如振动、水分含量、温度、材料疲劳和

其他参数的影响。 通过这种方式，在恰当的时间小型（和廉价）维修来延长建筑物的使用寿命是被肯定的。 这对于对环境影响敏感的物体尤其重要[1-3]。水分无处不在——从空气到多孔建筑材料如砖、混凝土、木材、砂浆和岩棉保温材料。 在现代建筑业中，有必要了解建筑的材料和组分的含水量，因为水分对大多数材料的性能和结构的耐久性有负面影响。 通常，大多数物理、化学和生物腐蚀过程在潮湿的情况下发生并且导致建筑物的各种损坏。各种各样的对水分含量提供或多或少的准确结果测量装置和方法正使用在建筑材料领域[4-8].多年来水分含量的测量一直备受建筑专业人员的关注。监测和测量土木工程建筑材料含水量的创新技术的开发因此在商业和科学上都很重要。他们可以使用一系列技术，每种技术都有其应用范围的局限性。本文的重点是电气技术，更多详细描述见第2节。通常，技术应该给出一致的结果，并且应相对快速和容易执行并允许持续监控。将这些技术转化为实用的仪器或传感器供建筑专业人员使用是一项挑战，这将使人们能够进行更详细的现场测量，并改进了解和预防造成建筑缺陷的条件[9-11]。高含水量也能促进各种混凝土结构的劣化过程。因此，在建设期间和之后有一个有效的传感器系统是非常可取的[12，13]。根据传感器在水分测量中的广泛应用，对其性能的技术要求较广[4，14]，如在高湿度范围有高灵敏度、响应快、重复性好、滞回率小、耐污染性强、使用寿命长、结构简单、成本低。本文的重点是设计和制造一个电感电容(LC)平面传感器，用于监测最常用的建筑材料的水分含量，如粘土砖和蒸压加气混凝土砌块。建议的传感器可用于以下几种方式：在已经建造的墙壁中，它可以通过小切口(由一些锯子制成)放入建筑材料中，或者在建筑墙过程中也可以被埋在筑墙泥中。采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术制作传感器。天线线圈跟踪传感器谐振频率的变化用来无线测量被测样品中水分含量的变化，测量是用射频阻抗分析仪HP-4191进行的。

  1. 建筑材料含水率电学测量方法

材料的电气特性对于水的存在是非常敏感的，因此良好的传感器设计是非常重要的。在适当注意材料状况的情况下，电气技术可以提供一种快速、无损的方法，通过比较测量来识别表面湿度的范围。多年来，材料的电学性能与其含水率之间的关系已经建立起来。材料的电阻、阻抗、电容和介电常数的测量都受到水分的影响并且都已被使用[15]。虽然用于测量这些特性的策略是多年来发展起来的，并且已经用于广泛的工业应用，但将这项技术转移到建筑物材料中仍然需要精心设计的仪器[11]。

电阻测量的基础是每一种材料都具有电阻，水分含量直接影响材料的电阻，更多的是水意味着较小的电阻。电阻的测量通常使用针进行。将两个测量探测器放置在建筑物元件中，驱动或钻入，并测量电阻随电导率的变化。湿材料具有较高的导电性和较低的电阻。测量装置根据不同的建筑材料，将测量结果转化为含水率。这种测定建筑元素含水量的方法是一种简便、快速的方法。电阻抗层析成像法[16]提出了一种在实际建筑结构中进行砖墙阻尼无损检测的方法，利用这种方法可以得到墙的三维分布。砖墙阻尼的评估是根据测试墙内电导率的分布情况来确定的，根据数值处理的表面电位得到测量结果。

电容式测量是在不使用接触电极的情况下进行的，方法是在测试样本上放置测量传感器。这是测量水分的“介电”程序。介电常数越大，水分含量越高。测量通常是在测量仪器传输的高频波的基础上进行的。在这种情况下，电容器的电容被测量出来。如果测量是合理的，那么传感器实际上是一个LC电路。在那之后，额外的电子转换在测量百分比值的数据。当传感器在建筑材料上没有良好的附着力时，在不均匀的表面上会产生测量误差。因此，有必要开发一种传感器，其中LC传感器的感应部分(L)和电容部分(C)被实现在一个金属(导电)层中。这就需要传感器的电感部分的创新设计，正如本文所提出的，与通常在文献[3，17]中报告的传统的螺旋电感器类型不同，由于它的实施需要另一层，称为立交桥或地下通道。该解决方案需要焊接一个额外的电线或导电层，这取决于已实现的技术(这意味着额外的成本和时间)。研究了LTCC电容器[18]和电感器[19]的电气特性和长期稳定性，发现它们显示出非常好的稳定性特性，推荐它们应用于如建筑材料中水分含量的测量中。除印刷电路板(PCB)技术已被用于传感器制造类似的应用[3]，本文介绍了一种用于测量建筑材料含水率的LTCC传感器。这也是建议的传感器的一个非常重要的优点，若同时考虑到LTCC技术的所有好处，例如高产量和低成本的并行制造过程(PCB也是低成本技术，但对多层结构和恶劣环境下的暴露有严重的限制)、能够利用高导电和廉价的金属化、快速循环、在原型制造、环境稳定性、结构紧凑、集成等方面。此外，技术原因如亲水行为、孔隙率等与这项技术的应用相关。LTCC的另一个优点是它的稳定性和对环境压力的相对不敏感。烧成的陶瓷体的致密结构对水分的渗透性很低，这使得LTCC元件可以在没有特殊包装或保护的情况下在高湿度下工作[20，21]。

  1. 水分传感器设计

LTCC技术在涡流传感器、气体检测传感器、电化学传感器或压力传感器等不同类型传感器中的应用报告要更早[22]。然而，例如报告涡流接近传感器具有包含在LC振荡器中的具有传统方形螺旋几何结构的多层线圈。本文提出的传感器由两层介质组成，LC结构被丝网印刷在第一介电层(作为衬底)和第二层有一个窗口超过电容的电极。通过这个窗口，传感器暴露在水分中(由于其亲水性)，这将导致其介电常数和总电容发生变化，并最终提高LC传感器的谐振频率。本文提出的传感器设计是一种由非常规方型电感构成的平面谐振电路，它的创新设计在于其绕组(从一个外部端子开始的导电轨迹到另一个终端，而不需要任何地下通道或立交桥)和一个交错的电容器。该LC传感器实现了传感器的电感不变。感应部分覆盖了介电层(如图1所示的介质带)。相反，交错电极系统的电容随介质介电常数的变化而变化(从开关顶部的小窗口表现出来)。.这将导致传感器谐振频率的漂移。传感器尺寸如图2所示，以毫米表示。交叉电容器共有18个Ag电极(指)，长度21 mm。电感的导电线宽度电容为0.5mm。相邻电极或电容器手指之间的间距为0.1mm。导电线(它们之间的距离很小)是丝网印刷的。使用自动厚膜丝网打印机(不锈钢320目，衬上30micro;m模板)。电容式传感器用于测量各种材料的水分含量，其灵敏度依赖于传感器与材料之间的间距，因此存在严重的缺陷。。从这个角度看，该传感器的优点是传感器的电极位于同一平面上，因此，只适用于被测建筑材料的一侧，而不是三明治类型的结构。交错电容电极暴露在水分中，允许单面测量和高灵敏度.交错电容器手指间的散射场当电容器与被测试的建筑材料接触时，测试样品。通过垂直于高度砖墙的小均匀切割，传感器放在中间建筑材料（例如，粘土深度为2厘米）。 由于传感器的单金属层结构，交叉指型电容器可以很好地接触电容器测试的粘土砖样品或蒸压加气混凝土砌块。散射场的穿透深度与导电线之间的距离近似成反比。这个距离和其他几何尺寸是按顺序选择的。在试件中产生足够的场穿透。介电常数的变化导致传感器谐振频率的变化，该频率是用天线线圈进行无线测量的。LC无源性质该传感器不受电池寿命等限制，可对参数进行长期监测。

图1.LC传感器设计的剖面视图。(a)开窗的上介质层。(b)置于底部介电层上的导电层。

图2.LC传感器的尺寸。

  1. 利用LTCC技术制作传感器

传感器采用LTCC技术制造，构造磁带的处理步骤包括激光的微加工、金属化、层压和共烧两个LTCC磁带层。用于传感器制造HeraeusCT700[23]介电带与兼容的银结合粘贴Heraeus TC 7303A用于导电线印刷。整理的磁带将层在70巴的压力和75℃的温度下等静压层压3分钟。 层压叠层在六层中烧制区域（表1）带式炉温度峰值为880℃和a总烧制周期为2小时，炉子的长度是2.4米。

图3示出了由平面表面(覆盖)和一副电容器(可见)制成的传感器，包括带有银电极的窗口(图.3b)作为敏感元素。图4示出所述LC传感器的横截面图。导电层的银(厚度约10micro;m)，其中传感器的L和C部分可以在传感器结构的中间看到。介电带(厚度300 micro;m)放置在上面(除了与交错电极系统在窗口上方)和在这个银层之下，获得没有任何裂缝的均匀的导电银镀层。在电介质中层可以看到非常小的孔（图4），这是固有材料属性的结果，但了解到介电层是被影响的角色，所以这不会影响传感器的工作。我们进行了不同的测试（机械方面的、暴露在恶劣的环境中），最终证明了传感器的厚度足以满足当前的工作条件。由于机械和化学稳定性，已经选择了应用的LTCC胶带和浆料。

由于电容器被放置在窗口中，电容的变化量是通过这个窗口吸收的水量的函数。当含水量(水分)通过砖块时，一层又一层的水分子可以附着在电容器的表面。结果，叉指电容器的指状物或条状物之间的散射场(strayfield)穿透到所研究的建筑材料中，并且电容增加。这个几何图形的总电容是与叉指电容的一种非常接近的电容，其吸收的水作为介电层，建筑材料也是如此。传感器以交叉电容器的窗口与测试中的建筑材料接触放置。众所周知，与许多建筑材料的相对介电常数(范围从4到6)相比，水具有较高的相对介电常数(约80)。因此，即使在这样的材料中，少量的水(或水分)也会对有效的相对介电常数有显著的贡献。介电常数的变化导致了总电容和谐振频率的变化。传感器既可以工作在水分增加的模式下也可以在水含量减少的模式下。（如果传感器在其第一次测试后就持续工作，这就非常的重要了）

图3.(a)采用LTCC技术制作的LC水分传感器。(b)交错电容器的放大图像。

图4.传感器横截面的扫描电镜图像。

  1. 建筑材料中水分的测定

由于本工作的目的是设计和制作一种无线谐振传感器，所以采用耦合天线的测量方法进行了测量。当传感器位于常规布线不可行的区域时，无线监测水分含量具有明显的优势。通过测量阻抗作为频率的函数(使用天线线圈)，可以确定传感器的谐振频率。当谐振电路(在我们的例子中是水分传感器)放置在天线线圈的中心时，谐振电路将耦合到天线线圈和谐振线圈附近。LC电路的电容也会耦合到天线线圈上，相位也会减小。谐振频率定义为当相位变为零时，有效部分的阻抗或频率的最大值处的频率。用RF、C、Hp-进行谐振频率变化的测量(图5)。传感器(和天线线圈)与仪器之间的典型距离约为30厘米。稳定测量结果前的典型时间常数约为3-5秒.为了分析试验，粘土砖和细粒混凝土砌块作为广泛应用的建筑材料得到使用。粘土砖是用于砌体结构的传统建筑材料，不适合砌筑墙。测试中使用的砖尺寸为250times;120times;65mm。该产品为无穿孔的砖石构件，类别为为HD砖（密度1400kg/m3，根据EN 771-1 [24]的规定以保护砌体。蒸压加气混凝土是目前广泛用于建筑墙体的相对较新的建筑材料，其热工性能得到改善，质量低于传统砌体。试件密度为500 kg/m3，试块尺寸为230、200、100mm。根据EN-4[25]，混凝土砌块的预期用途是用于受保护的砌体。。选用的两种建筑材料均具有毛细孔结构，而混凝土砌块则有额外的孔隙系统(人工空气孔隙、孔隙孔和内部孔隙孔)[26]。水的介电常数明显高于被测建筑材料的介电常数，而试样中水分含量的增加导致材料的介电常数增大。这意味着要根据众所周知的方程降低传感器的谐振频率：

（1）

其中f0是电路的谐振频率，L和C分别是LC谐振传感器的电感部分和电容部分的电容。将样品浸入约10mm的水中，因此水分吸收了几天直到其饱和。之后，干燥和测量样品的重量的方法（使用非常精确的刻度），并在一定的时间间隔内测量无线传感器的LC谐振频率。

  1. 结果和讨论

图6示出了作为粘土砖中水分含量的函数的准被动传感器的谐振频率。此图显示谐振频率从109.2MHZ变化到106.9MHZ。水的百分比从2%到17.5%不等。谐振频率变化为2.3MHz当含水量变化为15.5%。还可以看出，来自理想线性相关性的测量值的偏差非常小(红线示出线性近似)，表现出1％的最大差值。如图7所示，测量了传感器的谐振频率随混凝土块含水率的变化规律。结果表明，谐振频率在109.3-106 MHz范围内变化，吸水率在2%-62%之间。总谐振频率变化为3.3MHZ时，含水量变化为60%。这种情况下传感器的灵敏度为169kHz/粘土砖的水含量百分比和50kHz/蒸压加气混凝土砌块含水量的百分比。与传统粘土砖不同的是，准混凝土砌块具有明显的高吸水率，这是由于其内部结构的多孔性。为了说明这一点，使用扫描电镜照片这两种建筑材料的内部结构用图8(对于混凝土砌块，球形空气孔是明显可见的)和图9(对于粘土砖)描述。值得注意的是，为乐指出更多的细节，SEM在图9中的粒度比在图8中大10倍。建筑材料通常是以能够承受各种环境影响和外部条件的方式制造出来的，它们都是暴露的。这

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资料编号：[622]

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