溼敏傳感器的製作方法

2023-05-01 16:00:56

專利名稱：溼敏傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及用磁敏感原理測量氣體、固體、油類以及乳化物(牛奶)液體中含水量的裝置。可以動態監測以水為媒質的物質固化過程中內應力的變化、固態物質內部的毛細管效應的速度，動態監測水泥建築物穩定狀態及破壞過程中內應力的變化。
目前有乾濕球溫差式溼度計、用陶瓷製成的電阻式溼敏元件以及電容式溼度傳感器。
上述溼敏傳感器都不能測出液態物質中如油類、乳化物(牛奶)、土壤中的含水量，也不能測出吸水性固體物質內部含水量變化及毛細管效應的速度、內應力與溼度的關係。
而且電阻式、電容式溼敏傳感器工作電路與輸出電路都存在著公共端，很難實現隔離，容易受到外界幹擾影響。
本發明的任務旨在克服上述現有技術的不足，提供一種能測出土壤、液態物質中的含水量而且調整方便、穩定性好的溼敏傳感器。
本發明的任務是通過以下措施來達到的利用磁性材料在固化過程中的應力效應，即當磁性基體表面被水泥、粘土等固化物包圍封閉後，對磁性基體表面產生固化應力，經一定時間固化過程完成後，吸水性固化物的內應力與其含水量有密切的對應關係。由於周圍環境的影響，當其含水量降低，固化物應力增加，迫使磁性基體材料的磁導率下降，反映到溼敏傳感器的輸出電壓呈現有規律的下降，而該過程具有一定的可逆性。當外層吸水性固化物受介質環境影響，通過氣體對流、固體接觸、毛細管效應、含水液體復蓋等條件作用，含水量重新增加時，吸水性固化物的內應力減小，從而使磁性基體所受應力減小，磁導率增加，反映到溼敏傳感器的輸出電壓增加。當固化物吸水量達飽和值後，輸出電壓將穩定保持不變。而這種可逆性是具有選擇性的，只有當溼敏傳感元件中的固化物從周圍介質吸收或釋放水份時，其輸出電壓才會發生相應變化，當吸收或釋放非水類物質汽油、酒精等，溼敏傳感器的輸出電壓基本保持不變。由於溼敏傳感元件中固化物的含水量與周圍介質含水量密切相關，兩者達到動態平衡後，從而可測量出介質的溼度及含水量。
圖2為磁性材料基本磁化曲線受固化應力影響示意圖，其中L1為無固化物包圍時所測得的B-H曲線，L2為溼敏傳感元件的外層固化物固化後在相對溼度一定(如60%)條件下測得的B-H曲線，L3為溼敏傳感元件在飽和吸水條件下(相對溼度100%或浸入水溶液)測得的B-H曲線。當激磁電流I1保持不變，由H＝I1·N1/L，磁埸強度H保持不變，因為μ＝B/H，H不變，則μ與B成正比關係，其中B是磁感應強度，N1是初級繞組的圈數，L是磁敏傳感片的平均磁路長度作H0線，分別與曲線L1、L2、L3相交於d、e、f點，分別得到對應的B1、B2、B3，從而計算出各點的磁導率μ1、μ2、μ3。
我們可以通過水泥固化應力的測定，從而確定磁導率μ與固化應力σ的變化曲線，從圖3可知，在d點當σ＝0時，μ＝μ1;固化後在e點，相對溼度η＝60%時，μ＝μ2;在重新吸水達飽和值後在f點，μ＝μ3。由於吸水性固化物的內應力與溼度有對應關係，從而可以得出圖4磁導率μ與吸水性固化物中的含水量η的關係，其中f點為吸水量飽和點，在g點η＝O，μ＝μ4。
由電磁感應定律e2＝4K1·B·S·N2·f×10-8伏，其中K1為波紋係數，f為交流激磁電源的頻率，N2為磁敏傳感件的次級感應繞組圈數，S為磁迴路截面積。
因B＝μH，H＝I1·N1/Le2＝(4K1·f·N2·S×10-8)×(I1·N1/L)e2＝Kμ同時考慮測量過程中溫度等因素Ti予以修正，這樣得到了完整的標定數據曲線，μ＝F(σ、η、Ti)配合計算機進行處理，就可以實現對水泥等物質的固化過程應力的動態測量。在固化過程完成之後，利用μ-η曲線的可逆性得到溼敏傳感器的輸出電壓與溼度的關係e2-η曲線及對不同介質敏感的選擇性曲線，達到並實現對各類介質溼度和含水量的動態測量。
對附圖的說明

圖1-溼敏傳感器示意圖。
圖2-磁性材料磁化曲線受固化應力影響示意圖。
圖3-磁導率μ與固化應力σ變化曲線。
圖4-磁導率μ與溼度(含水量)η變化曲線。
圖5-水泥固化過程及在土壤、空氣中溼敏傳感器輸出電壓隨時間變化曲線。
圖6-水泥、粘土固化過程及對物質的選擇敏感曲線。
圖7-不同配比的水泥固化過程和極限吸溼曲線。
圖8-簡易型溼敏傳感器電路及特性曲線。
圖9-控制系統電路圖。
圖1是溼敏傳感器示意圖，磁敏傳感件1由磁敏傳感基片和在基片磁迴路孔上繞有的初級激磁繞組N1和次級感應繞組N2組成。2為吸水性固化物如水泥、特配粘土等，3為乾燥繞組N3，4為激磁電流輸入端，使N1與交流激磁電源7相接，5為次級感應繞組輸出端，使N2與測量放大器(或顯示器)8相接，6為乾燥繞組接線端，使N3與加熱電源10相接。磁敏傳感件1、吸水性固化物2、乾燥繞組3、激磁電流輸入端4、感應繞組輸出端5、乾燥繞組接線端6構成了溼敏傳感元件。固化物2的固化應力σ與周圍介質含水量、溼度η密切相關，並使磁敏傳感件1的磁導率μ發生變化，當N1加以交流激磁電流I1時，在溼敏傳感元件輸出端e2將相應發生變化。
7為交流激磁電源，其頻率f和輸出電流I1根據溼敏傳感元件磁路工作狀態選擇決定。8為測量放大器或顯示器(如電壓表)，9為控制系統，內部可配有計算機並存貯有關特性曲線，根據所測得e2值判讀溼度η、應力σ、等;發出不同的指令，控制加熱電源10的通斷;加熱電源10向乾燥繞組3提供發熱功率。
綜上所述，溼敏傳感元件，交流激磁電源7、測量放大器(或顯示器)8、控制系統9、加熱電源10構成了溼敏傳感器。
在測量時調整交流激磁電源7的頻率f和輸出電流I1，使磁敏傳感件工作在B-H曲線斜率大的部位，這時溼敏傳感元件的輸出電壓e2相對變化量大。
圖5為水泥固化過程及在土壤、空氣中溼敏傳感器輸出電壓隨時間變化曲線。圖5.1中列出了磁敏傳感片的尺寸，件1採用0.8mm厚鐵鎳合金製做，其中N1＝2，N2＝1，採用多股絕緣線繞制，其接線方式均按圖1所示。乾燥繞組N3採用φ0.2鎳鉻絲繞制，R＝12歐，加熱電源10採用5瓦變壓器、輸出電壓6伏。吸水性固化劑2採用水泥、成型後長方體尺寸為16×20×15mm，將繞有N1、N2的件1固化在中間位置。N1接7低頻信號發生器，使f＝400Hz、I1＝0.1A，N2接8測量放大器，從而測得圖5所示e2-t曲線，其中a0 a4曲線表示水泥固化過程，a0表示水泥固化應力時起始點，E0＝340μV，當水泥灌注後，其輸出電壓e2沿a0a1a2下降，在a2點t＝8天、e2＝210μV、隨後變化趨緩，a2a3段噴水後e2值有所回升，自然乾燥後下降至a4點t0A＝12天，e2＝195V，這時水泥固化過程基本完成。將溼敏元件放入有正常植物生長的花盆土壤之中得到a4b1b7曲線。其中a4b1b2段表過渡曲線，b2b3段表土壤含水量降低時，e2值下降，在b3點e2＝190μV。b5、b7點表示澆水後，溼敏元件在飽和吸水後電壓回升極大點，在b7點e2＝310μV為最大值，經tAB＝13天後又將溼敏元件移入室外大氣之中，曲線b7c1c2表示2天的過渡期，在c3、c5點表在早晨有霧條件下所測得溼敏傳感電壓最大值e2＝250μV，c4點表空氣溼度為η＝50%條件下測得曲線極小值e2＝180μV，利用乾濕球溫差法或其他溼度表可標定溼敏傳感器輸出電壓與大氣溼度的關係e2-η1曲線，同樣也可以標定與土壤含水量的關係e2-η2曲線，並利用上述曲線對土壤含水量和大氣溼度實現動態測量，通過控制系統中的計算機記錄描繪出如圖5所示的e2-t曲線並轉換成η-t曲線。按圖5.1所製作的溼敏元件構成的溼敏傳感器在通風條件下15分鐘能測量出大氣溼度以及判斷土壤深處的是否處於飽和吸水態。
圖6為水泥、粘土固化過程及對物質的選擇敏感曲線。件1選用與圖5.1中參數相同的磁敏傳感件、外層固化體尺寸改為12×15×14mm，省去乾燥繞組N3和加熱電源10，溼敏元件的外接電路按圖1所示，調節7信號發生器使f＝400Hz，I1＝0.1A。當2分別採用水泥，粘土為固化劑從而得到Ga、Gc水泥和粘土固化過程(η＝60%條件)的e2-t曲線，而Sa為水泥飽和吸水的極限恢復曲線。圖6.1中e2-t1和圖6、2中e2-t2曲線束分別表示以水泥和粘土為固化劑在形成固化體後對四種不同液態物質的選擇敏感曲線。由圖6可知在Ga和Gc的起始點兩種溼敏元件e2＝330μV，以水泥為固化劑2-a經10天後，溼敏元件e2＝210μV(η＝60%條件)，當其飽和吸取純水後，如圖6.1所示t1＝5分後穩定值為e2＝285μV，吸取牛奶後輸出電壓值e2＝255μV，該穩定值主要隨牛奶中的含水量變化，當牛奶中的含水量較高時，e2穩定值較高，將吸取牛奶後溼敏元件重新放入純水中後經7分鐘後也可達285μV值。當吸取汽油後e2＝210μV不變，吸取無水酒精後，e2值略有下降，當再吸水後汽油與酒精溢出，溼敏元件e2值增加可接近285μV。以粘土為固化劑2-c的溼敏元件，經1天後e2從330降至250μV將這種溼敏元件分別吸取純水，牛奶、汽油、酒精後可得到圖6.2中所示的e2-t2四條曲線。其中吸水後20秒e2值從250μV立即回復至330μV，這時失去固化強度。吸取牛奶後20秒回復至295μV，吸取汽油後e2＝250μV，吸取酒精後e2值略有下降。由上述曲線可知牛奶、汽油、酒精等液態物中含水量不同，溼敏傳感器顯示出的電壓穩定值不同，只要預先標定其e2-η(含水量)曲線，即可對被監測的液態物質中的含水量進行動態測量。同時可以看出粘土層的吸水毛細管效應速度比水泥層快。
圖7為不同配比的水泥固化曲線和極限吸溼曲線。件1中磁敏傳感片尺寸如圖7.1所示，材料為0.8mm鐵鎳合金板，N1＝2，N2＝1，採用導線截面0.07mm2多股絕緣塑料線繞制。外接線方式如圖1所示相同，調整7使f＝400Hz，I1＝0.15A，外層固化物成形尺寸為30×30×20mm，其中料2-a為純水泥，料2-b加有30%的河砂。將磁特性相同的兩個磁敏傳感件1-a和1-b用料2-a和2-b固化成圖7.1所示的長方體尺寸，在圖7所示的e2-t曲線，其中時間坐標採用對數坐標，監測時間300天，其中溼敏元件無固化應力時起始值e2＝690μV，而曲線Ga和Gb表示在60%條件下料2-a和2-b製成的兩種溼敏元件A和B的輸出電壓隨時間變化的e2-t曲線，而Sa和Sb表示料2-a和2-b製做的兩種溼敏元件A和B在飽和吸溼條件下的輸出電壓極限恢復e2-t曲線。特別指出若在tx至ty時間內對溼敏元件A和B如圖7.1所示方向加以外加壓應力P，(不超過極限允許值)各曲線Ga、Gb、Sa、Sb都會出現圖7中所示的不同下降，當壓應力P消失後各曲線上的e2值將恢復原值，如不能恢復原值，則表明外層固化物已受損壞。利用上述特性可對重要的混凝土基礎的外加動負荷變化進行動態監測，只要預先將溼敏元件放入並灌注在水泥基礎預製件中，標定e2-σ曲線在N1中加以激磁電流I1，通過N2輸出電壓e2的變化可動態監測建築物基礎內應力(強度)及外加動負荷變化，結構是否損壞。另外可以對不同標號配比成份的水泥及其製件的固化過程的內應力(強度)進行無損動態測量，而現有靜態試驗方法是分別在3天、7天、28天對所製做的100或150mm的立方塊進行破壞性強度試驗，才能得出結論，而本發明試驗樣塊小，可以進行無損動態測量，而試驗樣塊隨後即可做溼敏元件使用，還可永久保存。
圖8為簡易型溼敏傳感器電路及特性曲線。
圖8.1為磁敏傳感片尺寸，件1材料採用1.0mm厚鐵鎳合金板、衝制後繞線窗口尺寸為7×10mm，N1、N2採用φ0.2高強漆色線繞制、N1＝40匝，N2＝160匝。吸水固化劑2採用水泥，固化成形後如圖8.1所示長方體30×19×15mm，件1被固定在中間位置，在正常條件養護10天後，按圖8所示電路連接，可對介質的溼度(含水量)進行動態測量，其中B為電源變壓器，將交流220VAC電壓轉換成次級V＝6Vf＝50Hz的交流電壓，K為電源開關，BX為保險絲，W為150歐5W線繞電位器，次級迴路中接有交流毫安表，通過激磁繞組輸入端4與溼敏元件中件的N1相接，調節W1的電阻值使I1＝0.2A，8為毫伏表或數字式萬用表，將1、2、4、5構成的溼敏元件放在不同溼度的空氣(或介質)中，採用溼度表進行對比，即得到圖8.2所示的溼敏傳感器輸出電壓e2隨介質溼度η變化的關係曲線，將上述溼敏傳感器配接控制系統9後，即可對庫房、土壤、惡劣條件(腐蝕性介質)的溼度進行監測，當超出規定要求後可報警或通過控制系統自動採取措施進行調節。
圖9為控制系統電路圖，採用了一個電壓比較器，由F007運算放大器和BC13AX62及附屬電路構成，可以與來自溼敏傳感元件(器)輸出電壓信號進行比較。當反映介質溼度(含水量)、固化應力的輸出電壓達到預定值時，執行電路中的繼電器J1吸合，綠色指示燈XD2發亮，蜂鳴器FM發聲，主迴路中繼電器J2動作，通過其觸點轉換，控制某些供水設施和空調設備、調節介質溼度(含水量)不超過所規定值。
電路工作原理採用220V、50Hz工業電源，K1為主迴路控制開關，當K1閉合，變壓器B1初級N1接通，次級N2輸出9V交流電壓，紅色指示燈XD1亮，表電源接通。次級N3和N4為交流15V電壓，經QSZ全橋整流及F8331集成塊穩壓後，分別在A、B兩處輸出正負12V直流電壓作為電壓比較器及驅動極的工作電源，BX1和BX2為0.25A保險絲，C1、C2為電解濾波電容，C3、C4為高頻濾波電容。
由圖8所示的溼敏傳感器的輸出電壓(反映介質溼度、含水量)在8～24mV之間，經偶合電容C5進入比較電路，預先調整電位器W1，使波段開關在適當位置，以獲得適當的分壓比，確定F007的閥止電壓，按下式U1＝U0/R0+RNU0＝12伏R0由電位器W1確定，RN由R1、R2、R3和R4中選定，當來自溼敏傳感件(器)的信號(反映被測介質溼度、含水量)與預定的閥止電壓值U1相等時，F007輸出負階躍。
圖中DW1、DW2為穩壓管，2CW6～7.5V，D1、D2為2CP12其中D2為保護二極體，防止J1產生的過電壓損壞BG1，其中J1採用JRX-30F靈敏型6V繼電器，J2可採用大功率繼電器，其觸點控制土壤噴水設備電機或空調器電源。
權利要求
1.一種溼敏傳感器，由溼敏傳感元件、交流電源、放大器、控制器等部件所組成，其特徵是利用磁性材料的磁導率當介質含水量降低所受固化應力增加而出現有規律的下降，反應到溼敏傳感元件的輸出電壓也隨之有規律下降這一種特性，這一特性具有可逆性，使用受應力變化敏感的磁性材料製成的磁敏傳感件1，周圍裝填有吸水性固化物2，並放在乾燥繞組3的中間，並配以相應接線端，構成溼敏傳感元件，磁敏傳感件有閉合磁迴路，其上有二條電迴路與其相耦合，初級迴路中有初級激磁繞組N1，N1經激磁電流輸入端4與交流激磁電源7相接，次級迴路中有次級感應繞組N2，N2兩端所得到的次級感應電壓e2經輸出端5與測量放大器(或顯示器)8相連接，N1、N2具有良好的外絕緣，溼敏傳感元件和交流激磁電源7、測量放大器(或顯示器)8、控制系統9、加熱電源10構成溼敏傳感器。
2.根據權利要求1所述的溼敏傳感器，其特徵是吸水性固化物2是用水泥或粘土製成。
3.根據權利要求1所述的溼敏傳感器，其特徵是磁敏傳感件1是具有一個或一個以上閉合磁迴路的磁性件。
全文摘要
本發明涉及用磁敏感原理測量氣體、固體、油類及乳化物(牛奶)中的含水量。主要由溼敏傳感元件、放大器(或顯示器)、交流電源組成。當介質的含水量降低時，磁敏傳感片所受固化應力增加，使磁導率降低，當含水量增加時，應力減小，磁導率增加，輸出電壓發生相應變化，這樣可以動態監測各類介質的含水量，以水為媒質的物質固化過程，水泥建築物的穩定狀態及破壞過程中內應力變化。
文檔編號G01N27/72GK1042419SQ8810764
公開日1990年5月23日 申請日期1988年11月4日 優先權日1988年11月4日
發明者邱安生 申請人:本溪市無線電九廠