介质含水量动态测量方法及湿敏传感器技术

本发明专利技术涉及用磁敏感原理测量气体、固体、油类及乳化物（牛奶）中的含水量。主要由湿敏传感元件、放大器（或显示器）、交流电源组成。当介质的含水量降低时，磁敏传感片所受固化应力增加，使磁导率降低，当含水量增加时，应力减小，磁导率增加，输出电压发生相应变化，这样可以动态监测各类介质的含水量，以水为媒质的物质固化过程，水泥建筑物的稳定状态及破坏过程中内应力变化。（*该技术在2008年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用磁敏感原理测量气体、固体、油类以及乳化物(牛奶)液体中含水量的装置。可以动态监测以水为媒质的物质固化过程中内应力的变化、固态物质内部的毛细管效应的速度，动态监测水泥建筑物稳定状态及破坏过程中内应力的变化。目前有干湿球温差式湿度计、用陶瓷制成的电阻式湿敏元件以及电容式湿度传感器。上述湿敏传感器都不能测出液态物质中如油类、乳化物(牛奶)、土壤中的含水量，也不能测出吸水性固体物质内部含水量变化及毛细管效应的速度、内应力与湿度的关系。而且电阻式、电容式湿敏传感器工作电路与输出电路都存在着公共端，很难实现隔离，容易受到外界干扰影响。本专利技术的任务旨在克服上述现有技术的不足，提供一种能测出土壤、液态物质中的含水量而且调整方便、稳定性好的湿敏传感器。本专利技术的任务是通过以下措施来达到的利用磁性材料在固化过程中的应力效应，即当磁性基体表面被水泥、粘土等固化物包围封闭后，对磁性基体表面产生固化应力，经一定时间固化过程完成后，吸水性固化物的内应力与其含水量有密切的对应关系。由于周围环境的影响，当其含水量降低，固化物应力增加，迫使磁性基体材料的磁导率下降，反映到湿敏传感器的输出电压呈现有规律的下降，而该过程具有一定的可逆性。当外层吸水性固化物受介质环境影响，通过气体对流、固体接触、毛细管效应、含水液体复盖等条件作用，含水量重新增加时，吸水性固化物的内应力减小，从而使磁性基体所受应力减小，磁导率增加，反映到湿敏传感器的输出电压增加。当固化物吸水量达饱和值后，输出电压将稳定保持不变。而这种可逆性是具有选择性的，只有当湿敏传感元件中的固化物从周围介质吸收或释放水份时，其输出电压才会发生相应变化，当吸收或释放非水类物质汽油、酒精等，湿敏传感器的输出电压基本保持不变。由于湿敏传感元件中固化物的含水量与周围介质含水量密切相关，两者达到动态平衡后，从而可测量出介质的湿度及含水量。图2为磁性材料基本磁化曲线受固化应力影响示意图，其中L1为无固化物包围时所测得的B-H曲线，L2为湿敏传感元件的外层固化物固化后在相对湿度一定(如60%)条件下测得的B-H曲线，L3为湿敏传感元件在饱和吸水条件下(相对湿度100%或浸入水溶液)测得的B-H曲线。当激磁电流I1保持不变，由H＝I1·N1/L，磁埸强度H保持不变，因为μ＝B/H，H不变，则μ与B成正比关系，其中B是磁感应强度，N1是初级绕组的圈数，L是磁敏传感片的平均磁路长度作H0线，分别与曲线L1、L2、L3相交于d、e、f点，分别得到对应的B1、B2、B3，从而计算出各点的磁导率μ1、μ2、μ3。我们可以通过水泥固化应力的测定，从而确定磁导率μ与固化应力σ的变化曲线，从图3可知，在d点当σ＝0时，μ＝μ1;固化后在e点，相对湿度η＝60%时，μ＝μ2;在重新吸水达饱和值后在f点，μ＝μ3。由于吸水性固化物的内应力与湿度有对应关系，从而可以得出图4磁导率μ与吸水性固化物中的含水量η的关系，其中f点为吸水量饱和点，在g点η＝O，μ＝μ4。由电磁感应定律e2＝4K1·B·S·N2·f×10-8伏，其中K1为波纹系数，f为交流激磁电源的频率，N2为磁敏传感件的次级感应绕组圈数，S为磁回路截面积。因B＝μH，H＝I1·N1/Le2＝(4K1·f·N2·S×10-8)×(I1·N1/L)e2＝Kμ同时考虑测量过程中温度等因素Ti予以修正，这样得到了完整的标定数据曲线，μ＝F(σ、η、Ti)配合计算机进行处理，就可以实现对水泥等物质的固化过程应力的动态测量。在固化过程完成之后，利用μ-η曲线的可逆性得到湿敏传感器的输出电压与湿度的关系e2-η曲线及对不同介质敏感的选择性曲线，达到并实现对各类介质湿度和含水量的动态测量。对附图的说明附图说明图1-湿敏传感器示意图。图2-磁性材料磁化曲线受固化应力影响示意图。图3-磁导率μ与固化应力σ变化曲线。图4-磁导率μ与湿度(含水量)η变化曲线。图5-水泥固化过程及在土壤、空气中湿敏传感器输出电压随时间变化曲线。图6-水泥、粘土固化过程及对物质的选择敏感曲线。图7-不同配比的水泥固化过程和极限吸湿曲线。图8-简易型湿敏传感器电路及特性曲线。图9-控制系统电路图。图1是湿敏传感器示意图，磁敏传感件1由磁敏传感基片和在基片磁回路孔上绕有的初级激磁绕组N1和次级感应绕组N2组成。2为吸水性固化物如水泥、特配粘土等，3为干燥绕组N3，4为激磁电流输入端，使N1与交流激磁电源7相接，5为次级感应绕组输出端，使N2与测量放大器(或显示器)8相接，6为干燥绕组接线端，使N3与加热电源10相接。磁敏传感件1、吸水性固化物2、干燥绕组3、激磁电流输入端4、感应绕组输出端5、干燥绕组接线端6构成了湿敏传感元件。固化物2的固化应力σ与周围介质含水量、湿度η密切相关，并使磁敏传感件1的磁导率μ发生变化，当N1加以交流激磁电流I1时，在湿敏传感元件输出端e2将相应发生变化。7为交流激磁电源，其频率f和输出电流I1根据湿敏传感元件磁路工作状态选择决定。8为测量放大器或显示器(如电压表)，9为控制系统，内部可配有计算机并存贮有关特性曲线，根据所测得e2值判读湿度η、应力σ、等;发出不同的指令，控制加热电源10的通断;加热电源10向干燥绕组3提供发热功率。综上所述，湿敏传感元件，交流激磁电源7、测量放大器(或显示器)8、控制系统9、加热电源10构成了湿敏传感器。在测量时调整交流激磁电源7的频率f和输出电流I1，使磁敏传感件工作在B-H曲线斜率大的部位，这时湿敏传感元件的输出电压e2相对变化量大。图5为水泥固化过程及在土壤、空气中湿敏传感器输出电压随时间变化曲线。图5.1中列出了磁敏传感片的尺寸，件1采用0.8mm厚铁镍合金制做，其中N1＝2，N2＝1，采用多股绝缘线绕制，其接线方式均按图1所示。干燥绕组N3采用φ0.2镍铬丝绕制，R＝12欧，加热电源10采用5瓦变压器、输出电压6伏。吸水性固化剂2采用水泥、成型后长方体尺寸为16×20×15mm，将绕有N1、N2的件1固化在中间位置。N1接7低频信号发生器，使f＝400Hz、I1＝0.1A，N2接8测量放大器，从而测得图5所示e2-t曲线，其中a0 a4曲线表示水泥固化过程，a0表示水泥固化应力时起始点，E0＝340μV，当水泥灌注后，其输出电压e2沿a0a1a2下降，在a2点t＝8天、e2＝210μV、随后变化趋缓，a2a3段喷水后e2值有所回升，自然干燥后下降至a4点t0A＝12天，e2＝195V，这时水泥固化过程基本完成。将湿敏元件放入有正常植物生长的花盆土壤之中得到a4b1b7曲线。其中a4b1b2段表过渡曲线，b2b3段表土壤含水量降低时，e2值下降，在b3点e2＝190μV。b5、b7点表示浇水后，湿敏元件在饱和吸水后电压回升极大点，在b7点e2＝310μV为最大值，经tAB＝13天后又将湿敏元件移入室外大气之中，曲线b7c1c2表示2天的过渡期，在c3、c5点表在早晨有雾条件下所测得湿敏传感电压最大值e2＝250μV，c4点表空气湿度为η＝50%条件下测得曲线极小值e2＝180μV，利用干湿球温差法或其他湿度表可标定湿敏传感器输出电压与大气湿度的关系e2-η1曲线，同样也可以标定与土壤含水量的关系e2-η2曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种湿敏传感器，由湿敏传感元件、交流电源、放大器、控制器等部件所组成，其特征是：利用磁性材料的磁导率当介质含水量降低所受固化应力增加而出现有规律的下降，反应到湿敏传感元件的输出电压也随之有规律下降这一种特性，这一特性具有可逆性，使用受应力变化敏感的磁性材料制成的磁敏传感件１，周围装填有吸水性固化物２，并放在干燥绕组３的中间，并配以相应接线端，构成湿敏传感元件，磁敏传感件有闭合磁回路，其上有二条电回路与其相耦合，初级回路中有初级激磁绕组Ｎ１，Ｎ１经激磁电流输入端４与交流激磁电源７相接，次级回路中有次级感应绕组Ｎ２，Ｎ２两端所得到的次级感应电压ｅ２经输出端５与测量放大器（或显示器）８相连接，Ｎ１、Ｎ２具有良好的外绝缘，湿敏传感元件和交流激磁电源７、测量放大器（或显示器）８、控制系统９、加热电源１０构成湿敏传感器 。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：邱安生，
申请(专利权)人：本溪市继电器厂，
类型：发明
国别省市：21[中国|辽宁]