本發(fā)明涉及一種濕度檢測(cè)裝置及方法，特別是一種基于電容的濕度檢測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

濕度計(jì)是測(cè)量氣體濕度的物性分析儀器。濕度表示氣體中的水蒸汽含量，有絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度兩種表示方法。絕對(duì)濕度指氣體中水蒸汽的絕對(duì)含量，最常用的單位是克/米^3。在一定溫度、壓力時(shí)，單位體積內(nèi)的水蒸汽含量有一定的限度，稱為飽和水蒸汽含量。相對(duì)濕度指氣體中水蒸汽的絕對(duì)含量與同樣溫度、壓力時(shí)同體積氣體中飽和水蒸汽含量之比，常用符號(hào)為％R.H.。濕度計(jì)的用途很廣，例如在超純金屬冶煉、紡織品加工、造紙和印染等生產(chǎn)過(guò)程以及食品儲(chǔ)存和氣象測(cè)量等方面，常需要用濕度計(jì)來(lái)測(cè)量或控制空氣或工業(yè)流程氣體的濕度。

現(xiàn)在的普遍的商用濕度計(jì)總共包含三種。分別是氯化鋰濕度計(jì)，氧化鋁濕度計(jì)和干濕球濕度計(jì)。但由于以上的濕度計(jì)是通過(guò)材料性質(zhì)的改變以及溫度差去反應(yīng)濕度，因此如今的濕度計(jì)存在許多缺點(diǎn)，包括濕度計(jì)的靈敏度不夠，反應(yīng)速度慢，要有適宜的溫度條件和多次測(cè)量有損耗。而在許多領(lǐng)域中，濕度檢測(cè)尤其重要，例如，化工行業(yè)對(duì)環(huán)境的濕度測(cè)量精度要求特別高，有些化工產(chǎn)品能快速與環(huán)境的濕氣發(fā)生反應(yīng)，因此對(duì)檢測(cè)裝置靈敏度的要求也很高。

電容測(cè)濕度是如今新型濕度計(jì)的重要方法之一。不同于材料的方法，電容法的濕度測(cè)量裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如測(cè)量靈敏度高，損耗小等。但電容法的濕度測(cè)量需要對(duì)微小電容變化進(jìn)行測(cè)量，因此如今許多電容法測(cè)濕度用到很多精密儀器。而精密儀器制造工藝復(fù)雜并且成本高昂，從而造成電容測(cè)濕度裝置價(jià)格較高，難以形成有效的推廣和應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于電容的濕度檢測(cè)裝置及方法，其不需要用到緊密儀器，從而降低了電容測(cè)濕度成本，便于推廣應(yīng)用。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種基于電容的濕度檢測(cè)裝置，其特征在于：包含射頻發(fā)射模塊、射頻接收模塊、放大電路、LC震蕩電路、測(cè)濕度電容C₂和電阻R，射頻發(fā)射模塊與射頻接收模塊通過(guò)無(wú)線天線無(wú)線連接，放大電路與射頻接收模塊連接用于放大接收的射頻信號(hào)，LC震蕩電路一端與放大電路連接，LC震蕩電路另一端與電阻R一端連接，電阻R另一端接地，測(cè)濕度電容C₂與LC震蕩電路的電容C₁并聯(lián)并且電容C₁為帶示數(shù)的可調(diào)電容。

進(jìn)一步地，所述射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊采用FM發(fā)射模塊和FM接收模塊。

進(jìn)一步地，所述FM接收模塊采用SP7021FM接收模塊。

進(jìn)一步地，所述測(cè)濕度電容C₂兩端并聯(lián)有一個(gè)示波器。

進(jìn)一步地，所述測(cè)濕度電容C₂為平板電容，由兩片平行正方形金屬板構(gòu)成。

一種基于電容的濕度檢測(cè)方法，其特征在于包含以下步驟：

步驟一：在已知濕度環(huán)境下進(jìn)行校準(zhǔn)，已知濕度記為RH1，射頻發(fā)射模塊發(fā)射的頻率F₀為一個(gè)定值，則電容C₁和測(cè)濕度電容C₂的并聯(lián)電容值C₀為一個(gè)定值，調(diào)節(jié)電容C₁使放大電路放大倍數(shù)最大，測(cè)濕度電容C₂＝C₀-C₁，記此時(shí)測(cè)濕度電容值為C₂1；

步驟二：測(cè)試空氣濕度，記被測(cè)空氣濕度為RH2,調(diào)節(jié)電容C₁使放大電路放大倍數(shù)最大，記此時(shí)測(cè)濕度電容值為C₂2；

步驟三：計(jì)算測(cè)濕度電容差值△C＝C₂2-C₂1，濕度差△RH＝RH2-RH1，根據(jù)公式ΔRH＝γ·ΔC計(jì)算出被測(cè)空氣濕度RH2的值，其中γ為常數(shù)。

進(jìn)一步地，所述步驟一中調(diào)節(jié)C1使放大電路放大倍數(shù)最大通過(guò)示波器觀察進(jìn)行調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步地，所述公式ΔRH＝γ·ΔC的計(jì)算過(guò)程為：

空氣濕度

其中，為空氣內(nèi)水的偏壓，為空氣在一定溫度下的飽和偏壓；

相對(duì)介電常數(shù)與空氣成分偏壓的關(guān)系為

其中，α_i為各成分的極化強(qiáng)度；

水蒸氣偏壓

由(1)(2)(3)式可得

當(dāng)∈_r變化很小時(shí)，公式(4)可近似成：

可得

由介電常數(shù)∈＝∈_r∈x (7)

可得

令

可得ΔRH＝μ·Δ∈ (10)

已知對(duì)于無(wú)限大的均勻帶電的兩平行板的電容決定公式：

其中C為電容器的電容大小，∈₀為真空介電常數(shù)，∈_r為相對(duì)介電常數(shù)，∈是電容器中的介質(zhì)的介電常數(shù)，d為兩平行板的間距；

電容的定義式為：

C＝Q/U (12)

Q為其中電容器一端的電荷量，而U為電容器兩端的電勢(shì)差；

電容C理論值為

由于現(xiàn)實(shí)中不存在所謂的無(wú)限大的金屬平行板，兩端金屬板也不會(huì)帶電均勻，因此近似為：

C＝C₀+Δ∈·k (14)

ΔC＝Δ∈·k (15)

Δ∈＝ΔC/k (16)

其中C₀為已知某一電容值，k為在這一點(diǎn)附近的電容變化率；

由此可得

令：

于是：

ΔRH＝γ·ΔC (19)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和效果：本發(fā)明即保證了電容測(cè)濕度裝置的高靈敏度和精度，同時(shí)又不需要高精度精密儀器進(jìn)行輔助，大大降低了電容式濕度計(jì)的成本，便于應(yīng)用和推廣。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的基于電容的濕度檢測(cè)裝置的示意圖。

圖2是本發(fā)明的FM接收模塊信號(hào)幅值與電容值的關(guān)系圖。

圖3是本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，以下實(shí)施例是對(duì)本發(fā)明的解釋而本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施例。

如圖所示，本發(fā)明的一種基于電容的濕度檢測(cè)裝置，包含射頻發(fā)射模塊1、射頻接收模塊2、放大電路3、LC震蕩電路、測(cè)濕度電容C₂和電阻R，射頻發(fā)射模塊1與射頻接收模塊2通過(guò)無(wú)線天線無(wú)線連接，放大電路3與射頻接收模塊2連接用于放大接收的射頻信號(hào)，LC震蕩電路一端與放大電路連接，LC震蕩電路另一端與電阻R一端連接，電阻R另一端接地，測(cè)濕度電容C₂與LC震蕩電路的電容C₁并聯(lián)并且電容C₁為帶示數(shù)的可調(diào)電容。

射頻發(fā)射模塊和射頻接收模塊采用FM發(fā)射模塊和FM接收模塊。FM接收模塊采用SP7021FM接收模塊。測(cè)濕度電容C₂兩端并聯(lián)有一個(gè)示波器，可以通過(guò)示波器觀察測(cè)濕度電容C₂的波形信號(hào)。測(cè)濕度電容C₂為平板電容，由兩片相互平行的邊長(zhǎng)2cm的正方形金屬板構(gòu)成。

測(cè)濕度電容C₂基于諧振電路的放大效果，F(xiàn)M接收模塊是用于接收高頻的載波信號(hào)，通過(guò)諧振電路挑選出某一個(gè)頻率，之后再解調(diào)成有用信號(hào)。之所以用FM接收模塊是由于頻率高的諧振電路能夠放大小電容的變化量。與標(biāo)準(zhǔn)的RLC諧振電路不一樣的是，本電路采用的是LC并聯(lián)諧振。諧振電路是指電路頻率變化時(shí)，電路中的信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨之改變，當(dāng)電路中的頻率達(dá)到該電路的諧振頻率時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度最大，發(fā)生諧振現(xiàn)象。若此時(shí)電路中的電容發(fā)生變化，諧振現(xiàn)象就會(huì)消失，信號(hào)強(qiáng)度立即變小。因此諧振電路能夠反應(yīng)微小的電容變化。我們所用的FM接收模塊是SP7021FM接收模塊，該模塊通過(guò)諧振端口接收固定的混信號(hào)波，之后通過(guò)解調(diào)，分離出有用的信號(hào)。

一種基于電容的濕度檢測(cè)方法，包含以下步驟：

本發(fā)明中所稱濕度均為相對(duì)濕度。

步驟一：在已知濕度環(huán)境下進(jìn)行校準(zhǔn)，已知濕度記為RH1，射頻發(fā)射模塊發(fā)射的頻率F₀為一個(gè)定值，則電容C₁和測(cè)濕度電容C₂的并聯(lián)電容值C₀為一個(gè)定值，調(diào)節(jié)電容C₁使放大電路放大倍數(shù)最大，測(cè)濕度電容C₂＝C₀-C₁，記此時(shí)測(cè)濕度電容值為C₂1；

步驟二：測(cè)試空氣濕度，記被測(cè)空氣濕度為RH2,調(diào)節(jié)電容C₁使放大電路放大倍數(shù)最大，記此時(shí)測(cè)濕度電容值為C₂2；

步驟三：計(jì)算測(cè)濕度電容差值△C＝C₂2-C₂1，濕度差△RH＝RH2-RH1，根據(jù)公式ΔRH＝γ·ΔC計(jì)算出被測(cè)空氣濕度RH2的值，其中γ為常數(shù)。

步驟一中調(diào)節(jié)C1使放大電路放大倍數(shù)最大通過(guò)示波器觀察進(jìn)行調(diào)節(jié)。

公式ΔRH＝γ·ΔC的計(jì)算過(guò)程為：

空氣的相對(duì)濕度RH是衡量空氣內(nèi)部含有水分的多少，其公式為，

空氣濕度

其中，為空氣內(nèi)水的偏壓，為空氣在一定溫度下的飽和偏壓(是一個(gè)溫度的函數(shù))；

相對(duì)介電常數(shù)與空氣成分偏壓的關(guān)系為

其中，α_i為各成分的極化強(qiáng)度；

而我們只關(guān)心水蒸汽的偏壓

由(1)(2)(3)式分析和∈_r的關(guān)系可得

當(dāng)∈_r變化很小時(shí)，公式(4)可近似成：

可得

由介電常數(shù)∈＝∈_r∈₀ (7)

可得

令

則可知μ是一個(gè)不變常數(shù)

從而得到ΔRH＝μ·Δ∈ (10)

由公式(10)我們得到了相對(duì)濕度隨介電常數(shù)的變化規(guī)律。

對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，空氣的相對(duì)介電常數(shù)∈_r取決于溫度，濕度，壓強(qiáng)，還有空氣的組成成分等等?？諝鉂穸鹊母淖儠?huì)引起∈_r微小的改變，具體的主要原因則是因?yàn)榭諝鈨?nèi)含有水分，而水分子是具有一定極性的，從而它的濃度的改變相比于其它的分子對(duì)空氣的相對(duì)介電常數(shù)影響更大。既然會(huì)引起∈_r微小的改變，空氣濕度也能夠引起電容的微小改變。以下推導(dǎo)電容與介電常數(shù)的關(guān)系：

已知對(duì)于無(wú)限大的均勻帶電的兩平行板的電容決定公式：

其中C為電容器的電容大小，∈₀為真空介電常數(shù)，∈_r為相對(duì)介電常數(shù)，∈是電容器中的介質(zhì)的介電常數(shù)，d為兩平行板的間距；

電容的定義式為：

C＝Q/U (12)

Q為其中電容器一端的電荷量，而U為電容器兩端的電勢(shì)差；

在現(xiàn)實(shí)中，不存在所謂的無(wú)限大的金屬平行板，兩端金屬板也不會(huì)帶電均勻。所以求出真實(shí)的電容的決定公式會(huì)非常的困難。實(shí)驗(yàn)中所用的是兩個(gè)金屬圓片，兩端通過(guò)一個(gè)電源相連。此時(shí)它的電容公式不在遵循

電容C理論值

上次公式只是一種近似。如果我們假設(shè)C是關(guān)于∈的一個(gè)函數(shù)C(∈)，但如果C₀電容處改變量Δ∈非常小的時(shí)候，可以通過(guò)一種近似方法處理:

C＝C₀+Δ∈·k (14)

ΔC＝Δ∈·k (15)

Δ∈＝ΔC/k (16)

其中C₀(未知可測(cè))為已知某一電容值，k(未知可測(cè))為在這一點(diǎn)附近的電容變化率；

由此可得

令：

于是：

ΔRH＝γ·ΔC (19)

因此濕度的變化量正比于電容的變化量。

下面通過(guò)具體實(shí)驗(yàn)方法來(lái)對(duì)本發(fā)明的測(cè)量濕度效果進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證：

本發(fā)明通過(guò)一個(gè)FM發(fā)射模塊將一個(gè)1KHz的信號(hào)頻率加載到89.1M的載波信號(hào)上，然后再通過(guò)FM接收模塊接收信號(hào)并解調(diào)成1KHz的有用信號(hào)。將有用信號(hào)輸入示波器中，并觀察信號(hào)強(qiáng)度大小。而另一部分的實(shí)驗(yàn)裝置就是空氣所在的電容，我們通過(guò)兩個(gè)相互平行的邊長(zhǎng)2cm的正方形金屬鋁片作為電容器(感應(yīng)電容)，并將這個(gè)電容器通過(guò)導(dǎo)線并聯(lián)在電路板上的可調(diào)電容上，改變可調(diào)電容，使得電路達(dá)到敏感的范圍，如圖2所示為FM接收模塊信號(hào)幅值與電容值的關(guān)系。感應(yīng)電容放置在一個(gè)密閉的箱子里面，往箱子里面通入濕氣，內(nèi)部濕度慢慢增加，此時(shí)將示波器中的信號(hào)強(qiáng)度與箱內(nèi)的商用濕度計(jì)作為對(duì)比，得出相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖3所示。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)裝置的測(cè)量，分析數(shù)據(jù)之后，發(fā)現(xiàn)商業(yè)的濕度計(jì)的改變量正比于該裝置所測(cè)信號(hào)的改變量，改變關(guān)系為上升1％的相對(duì)濕度，信號(hào)強(qiáng)度改變20mV左右。因此該裝置可以測(cè)得空氣相對(duì)濕度的改變量。

本說(shuō)明書中所描述的以上內(nèi)容僅僅是對(duì)本發(fā)明所作的舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，只要不偏離本發(fā)明說(shuō)明書的內(nèi)容或者超越本權(quán)利要求書所定義的范圍，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。