ORNL建筑研究人员，左起Philip Boudreaux、Rui Zhang、Stephen Killough和实习生Mercy Sammy在演示演示微波雷达系统如何检测木板中的水分。图片来源：Carlos Jones/ORNL，美国能源部
对于房主来说，湿气积聚是最令人头疼的问题。霉菌生长在干墙和木质材料上，沿着墙壁、地板和天花板爬行。建筑材料开始腐蚀和腐烂。由于隔热层被破坏，房屋的能源效率下降。甚至人类的健康也会受到影响，因为潮湿也会导致空气质量问题。
防止大面积受潮损坏的关键是及早发现，因为这很容易修复。
能源部橡树岭国家实验室的研究人员正在使用微波雷达反射来无损地探测和测量墙内材料的水分含量，而不需要移除干墙或包层。这也加快了水分识别，使霉菌生长在早期阶段进行处理。
ORNL的Philip Boudreaux说：“我们知道微波雷达在这方面显示出很大的希望，因为众所周知，它可以测量木材样本中的水分。”“但它能测量墙内木材的水分，在高水分问题成为大问题之前发现它们吗？”这就是挑战所在。”
漏水的密封件
建筑的围护结构由外墙、屋顶和基础组成，所有这些都连接在一起以防止水分的传递。但封皮本身容易受到多种因素的影响：雨水过多、地面潮湿、空气从洞中泄漏，以及水分通过封皮从高浓度向低浓度移动时的蒸汽扩散。
大多数房屋都是由木结构建筑制成的，当木材潮湿时，它是霉菌生长的完美环境。如果墙壁被损坏或设计不正确，水蒸气通过木材渗透会使其潮湿。布德罗说，出于这个原因，木材被选为研究微波雷达性能的初始材料。
布德罗说：“你可以利用雷达反射材料的微波能量来探测木材中的水。”“你还可以测量墙内多种材料的水分。”
作为电磁波谱的一部分，微波以与可见光相似的方式与材料相互作用，但它们穿透得更远，产生反射。雷达系统的工作原理是发射类似微波的信号，然后探测这些微波的反射。当与墙壁一起使用时，微波反射脉冲特性基于材料中的水分。墙壁是由材料层组成的，每一层的水分含量可能不同。然而，通过测量微波返回传感器所需的时间长度，可以计算出与墙壁中每种材料的距离，这可以用于绘制和测量层内的水分。
ORNL的研究人员设置了仪器，将微波雷达引导到刨花板样本上，刨花板代表了建筑物外壳的第一个内层或护套。经试验证明，这种方法是不可行的
无损检测水分在发展的早期阶段。图片来源：Carlos Jones/ORNL，美国能源部
测量了
ORNL的研究重点是检测墙壁结构护套中的水分，这种护套通常由定向刨花板制成。这块木板位于木框架结构的包层或外层的后面。
Boudreaux和他的团队对305毫米见方、10毫米厚的木护套样品进行了实验测试。每一块都在烤箱中干燥，然后调节到特定的水分含量。该团队使用微波雷达测量了护套的水分含量，然后将结果与传统的手持式湿度计进行了比较。
他说：“结果证明，微波雷达技术可以检测和测量护套内的水分，与传统的手持式检测仪相比，可以在3%的范围内进行检测。”为了使这项技术在建筑物中发挥作用，布德罗的团队首先要弄清楚微波雷达是否能看到干墙后面的护层。他说：“所以，我们在护套前面放置了一块石膏板，距离护套3.5英寸，然后立即发现，是的，雷达看到了护套。”
概念验证测试随后进入第二阶段——确定雷达是否能够区分护套的水分含量。通过应用ORNL研究小组开发的数学算法，结果再次证明是肯定的。雷达反射信号可以与水分含量相关联。
他说：“我们能够预测潮湿定向刨花板反射的微波脉冲形状。”“但脉冲也可以通过将脉冲特性与水分含量相关联来进行经验分析。”
接下来，研究人员将实验装置改造成便携式定制微型电子系统，以便进行现场测量。实验装置包括基于频率为10-15千兆赫的微波信号反射的测量。
除了墙
随着研究小组的成果，他们的意图是将ORNL的技术授权给制造商，以便有一天便携式微波雷达系统可以在货架上买到，允许任何检查员或房主购买和使用该设备。该工具还可用于评估屋顶和地基，并可以通过识别在检查过程中可能被忽视的问题，帮助潜在购房者避免意外。
Boudreaux说：“在开发探测器时，我们制作了一个专门适用于住宅墙壁的系统，并供公众使用。”“它体积小，便携，重量轻，安装方便，可以在频率规定的范围内进行传输。”
该团队的下一阶段研究包括测量具有不同包层的全墙组件的微波反射，例如乙烯基壁板和砖。
他说：“在早期发现的情况下，一个小问题可以在发生重大损害之前得到修复。”“我们已经找到了可以帮助早期定位水分的方法，但我们还有工作要做，还有更多的材料需要测试，还有更多的微波雷达反射需要探索。”
研究小组的研究结果发表在IEEE explore杂志上，并在丹佛举行的IEEE雷达会议2024上进行了展示。除Boudreaux外，在ORNL建筑信封子项目经理Diana Hun的指导下，Stephen Killough和Rui Zhang也参与了本文的撰写。资金由美国能源部建筑技术办公室提供。
UT-Battelle为美国能源部科学办公室管理ORNL，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者。科学办公室正在努力解决我们这个时代的一些最紧迫的挑战。欲了解更多信息，请访问energy.gov/science。
