传感器法透湿性测试仪的检测优势 传感器是如何工作的

摘要：测试环境的温度和湿度是影响透湿性测试数据的两大主要因素，因此对这两项进行有效控制，可使测试数据准确性和重复性明显提高。本文对两类透湿性检测方法进行了对比，并以Labthink TSY-W3电解法透湿仪为例介绍了传感器法的检测优势。

关键词：透湿性，传感器法，称重法，温度控制

    由于包装内的水蒸气含量能使一些产品的质量发生变化，因此在选择包装材料时应该特别注意材料的透湿性能。包装材料的透湿性能因材料的不同而存在显著差异，因此透湿性能的检测非常重要。影响透湿性测试结果的因素很多，其中以试验温度和试样两侧湿度差的稳定性对试验结果所产生的影响最显著。

1.透湿性测试中温度控制的重要性

    绝大多数结晶高聚物都是半晶聚合物，理论上认为聚合物的结晶部分是渗透物分子在聚合物内部扩散过程所经途径中的不可穿过区域，扩散主要发生在无定形部分。聚合物分子链越长，其构象越多。当温度升高时，由于热运动，分子链构象变化得越快，聚合物内聚度下降，渗透质分子在聚合物内的扩散速度加快，即当温度升高时材料的阻隔性会降低。

    水蒸气对聚合物的渗透过程受温度波动影响明显（这点与无机气体渗透类似），与温度的关系均服从Arrhenius方程：

    随温度升高，透湿系数增大，但不同聚合物膜增加的情况有差别。有文献指出，无定形的材料随温度的升高透湿系数增加较快，而具有一定结晶度的材料增加的就会慢一些。

2.湿度差对试验数据的影响

    由于水蒸气是极性分子，在水蒸气对极性聚合物的渗透过程中，一些聚合物会首先吸收水蒸气出现溶胀现象，使其中的自由体积增大。材料的透湿系数具有明显的水蒸气浓度依赖性，相应地，材料的透湿量也受湿度变化的影响，表现为部分聚合物的透湿量与其两侧的相对湿度差成非线性的变化，如亲水性聚合物赛璐酚的透湿量与相对湿度差的关系就不成线性。这种渗透量与分压差（对于透湿性测试来讲即是相对湿度差）不成线性关系的现象就是水蒸气与常见无机气体在聚合物渗透过程中最显著的区别。

3.称重法和传感器法差异

    目前所采用的透湿性检测主要是两类：称重法和传感器法，它们的检测原理不同，设备结构具有明显差异。

    简单说，称重法就是将试样密封在透湿杯中，然后将透湿杯放置在恒温恒湿的环境中，利用恒温恒湿的环境和透湿杯内放置的干燥剂或是饱和盐溶液来控制试样两侧的相对湿度，通过测量试验过程中透湿杯重量的增减来计算试样的透湿量。这种测试方法的试验温度是由恒温恒湿环境提供的，湿度则取透湿杯内湿度与环境湿度的差值。由于在试验前及试验过程中需要在恒温恒湿环境中对透湿杯进行放置、移位等操作，因此所需的恒温恒湿环境往往体积较大，这不利于对环境的温度和湿度进行控制。

图1. 减重法测试原理图

    传感器法依照所采用的传感器种类的不同分为红外传感器法、电解法以及动态相对湿度测定法。其中红外传感器法与电解法的检测结构相近，原理相似，都是将试样密封在上下测试腔中，利用饱和盐溶液将试样的一侧控制为高湿的状态，而另一侧用干燥气体吹扫以保持干燥，这样试样两侧就形成了特定的湿度差。透过试样进入干燥侧的水蒸气被干燥气流携带进入传感器中测定其中的水分含量以判断试样的透湿量。基于这两种检测原理的设备工作独立性都很好，而且所需的测试腔体积非常小，使得控温控湿易于进行。动态相对湿度测定法的检测原理与红外传感器法以及电解法有一定差别，在这种方法中温度控制也易于实现，而试样两侧的湿度差根据测试原理在整个测试过程中都是在不断变化的。

图2. 电解法示意图

4.传感器法透湿性测试仪的温湿度控制优势

    体积是在某个空间中实现温度和湿度均匀的主要影响因素之一，体积越小，温度、湿度的均匀控制效果越好。如前所述，传感器法的设备结构比称重法的设备结构更易于实现测试环境中的温湿度均匀控制，可以通过特殊技术处理获得理想的控制效果。以Labthink TSY-W3为例说明一下电解法在温湿度控制方面的优势。

    Labthink TSY-W3电解法透湿仪采用高精度电解法湿度传感器，其突出结构特点是在采用水浴控温的原理上加以改进利用恒温循环水来保持测试腔的温度，而且恒温循环水由外循环控制器来控温并提供循环动力。尤其值得一提的是，TSY-W3所采用的循环控制器既可制热又可制冷，控温范围在0℃～100℃，控温精度可达±0.1℃，不但完全满足国内外检测标准的需要，而且在Labthink系列透湿性测试仪中控温也是较好的。选择饱和盐溶液进行湿度控制可使试样高湿一侧的湿度均匀稳定，而低湿一侧的气流由干燥器控制湿度，因此试样两侧能获得非常稳定的湿度差，波动非常小。温湿度控制得越精确越有利于试验结果，TSY-W3的实测数据重复性在其整个测试范围内都非常好（当然材料的均一性也是影响测试数据重复性的一个关键因素）。此外这款设备测试时间相对与称重法设备有一定的缩短，尤其是在进行透湿性较低的材料的检测时能体现出较大的检测效率优势。而且对测试环境中的震动也不敏感，有效避免了环境干扰对试验效率的影响。

5.总结

    测试环境的温度和湿度是影响透湿性测试数据的两大主要因素，因此对这两项进行有效控制可使得测试数据准确性和重复性明显提高。综合比较显示，Labthink TSY-W3电解法透湿仪在温湿度检测控制方面表现出较强的检测优势。

(刘茂林) 引言

目前国内外研制开发了一些馈电状态传感器，这些馈电状态传感器大多数是基于光纤、电压互感器或采用霍耳器件的馈电状态传感器。日本、欧洲等国家研制并应用了煤矿光纤电压传感器；在国内，镇江中煤电子有限公司开发的KGT8馈电状态传感器；煤炭科学研究总院常州自动化研究所研制的KGT23矿用本安型馈电状态传感器；三恒自动化仪表有限公司开发的KGT9型矿用机电设备馈电状态传感器；长春东煤高技术开发公司开发的KJ19-31型机电设备馈电状态传感器等。这些馈电状态传感器在煤炭安全生产中发挥着重要作用。

然而，由于现有馈电状态传感器除进行防爆、防尘、防潮外，均没有进一步针对煤矿井下特殊条件进行研究，存在着难以维护、灵敏度低、可靠性差、系统复杂、造价高等问题，严重地制约了这些馈电状态传感器的推广应用。

因此，有必要针对现有矿井安全监控系统存在的功能复杂、可靠性差、成本高、不能与现有安全生产的检测仪器很好的配合运行、使用维护不当等问题，以及针对煤矿井下的特殊情况，研究可靠性高、便于维护、经济型馈电状态传感器具有重要意义。

1、馈电状态传感器方案的选择

根据矿井监控系统对断电及馈电状态检测的要求，可以将对断电及馈电状态检测的方式分为两种，一种是直接接触式检测馈电状态，一种是间接非接触式检测馈电状态。直接式是指在电气上与负荷设备直接联系，从供电网络上直接获取信号，如用电压互感器、电流互感器检测有无信号输出等。间接式是指在电气上与负荷设备不发生直接联系，如电磁感应原理、霍尔原理、测温原理、测磁原理、光电原理、接近（电感）原理等。直接接触式又可根据检测馈电状态的工作原理可以分为电压互感器电压传感器等。间接非接触式又可以根据检测馈电状态的工作原理可以分为光纤电压传感器，电磁感应电压传感器，霍耳电压传感器，电容原理电压传感器等。

根据电压互感器原理、电流互感器原理做成的这些直接接触式的电压检测方法，其优点是设备结构简单，缺点是与被检测电压直接接触。然而对于井下所用的电缆来说，若是采用这种直接接触式方法来检测电缆的馈电状态，就必须去除井下电缆的绝缘外皮，这必然给井下的安全生产带来隐患，违反《煤矿安全规程》，所以这种检测电压的方法不适合对井下馈电状态的检测。

在间接非接触式电压传感器中，光纤电压传感器虽然具有抗电磁干扰能力强、耐恶劣环境、绝缘性能好、体积小、质量轻、灵敏度高等优点，但是这种传感器成本很高、结构复杂、不便维护等缺点，因此制约了这种传感器在矿井监控系统中的应用；电磁感应原理和霍耳原理电压传感器是通过检测磁场的有无状态来检测电流（或电压）的有无，当没有电流存在时，也就没有磁场。对于井下电缆馈电状态的检测来说，我们不但要检测有电流时的馈电状态，同时也要检测无电流时的馈电状态。因此这种类型的电压传感器不适合用作井下电缆馈电状态的检测。

综合以上分析，笔者提出一种非接触式电压检测方法，即通过电容检测原理来检测电缆芯线对地电场的存在与否来间接检测电缆的馈电状态。

2、电容原理测量电压法

我们先分析一下井下电缆周围电场的分布情况。如图1所示，三相电缆分别为A、B、C，电流方向仅作为参考。从三相电缆的结构以及均匀传输线的理论可知，在任何两个绝缘导体之间均有寄生电容存在，因此在三相电缆之间，也必然存在寄生电容，传输线之间的这种寄生电容的大小与电缆芯线之间距离成反比，与导线直径、绝缘材料的介电常数成正比，而与材料、环境温度以及传输交流电源的频率无关。这种寄生电容等效为C0，通常这种电容很小。

图1 电容原理电压测量法

由图1可知，无论三相电缆中有无电流，只要三相电缆之间存在电压，就会在三相电缆的绝缘外皮上产生电荷，也就必然会在电缆周围产生电场，电场的大小取决于三相交流电对地之间的电压大小。由于是对称的三相交流电，理想情况下，应该在距离三相电缆很远的周围产生0电场。而在距离三相电缆很近的位置上将会产生由三相交流电所引起电场的合电场，并且这种合电场是一种交变电场，其频率取决于三相交流电的频率。这样我们可以在这种三相电缆对地的电场中，放入定值的电容（如图1所示的电容C1），就会在电容C1两端产生电压Ux。当三相电缆之间存在交流电压时，电容C1两端也会产生交流电压；当三相电缆之间不存在交流电压时，电容C1两端也就不会产生交流电压，即Ux为零。通过这种检测电容C1两端电压Ux的存在与否，就可以间接地检测井下电缆的馈电状态，这是一种简单方便的选择方案。

3、传感器硬件电路的设计

3.1 敏感元件电路原理

根据传感器电路设计的要求，对于高输出阻抗的传感器，则要求传感器电路的输入阻抗必须与输出阻抗相适应。为此，只有选用场效应管作为输入级才能满足设计要求。因此本文选用FET场效应管来检测电场状态，其等效原理如图2所示。

图2 利用FET检测电场状态原理图

利用FET检测电场状态原理不是直接测量表面电位或电荷，而是利用分布在表面上的电荷所产生的电场在探头上感应出电荷，最终对FET的栅极产生影响。由此原理可知，若FET本身靠近绝缘膜，则在栅极上感应出电荷，从而FET可作为电场敏感元件工作。

在图2中，导电性基片相当于电缆的导体；绝缘体相当于电缆外表皮的绝缘物质；测量探头相当于电容。当导电性基片中有电压时，在绝缘体的上下表面就会感应出正负电荷，当测量探头接近绝缘体上表面（带有正电荷）时，就会在测量探头的两极分别感应出正负电荷即靠近带有正电荷绝缘体上表面的一极带有负电荷，另一极带有正电荷。也就是说在测量探头两极间产生电压Ux。当电压Ux大于栅源之间的阀值电压VT（或称开启电压）时，外加较小的VDS，漏极电流iD将随着VDS上升迅速增大。同时考虑测量探头两极间产生的电压Ux为交流微弱电压信号，应当对其进行初级放大。由此设计的馈电状态传感器电路的敏感元件电路如图3所示。

图3 馈电状态传感器的敏感元件电路图

一般场效应管的RGS一般大于107Ω，本设计中所选用的是K30A Y-2F结型N沟道场效应管，其最大值RGS=3×1010Ω。在图3中，电阻R1、R2和RG的选择主要是根据输入阻抗与输出阻抗相匹配的要求，所以电阻RG应该选择大阻值的，通常取1～10MΩ，本设计中选取RG=2MΩ，电阻R1和R2分别取值为20kΩ和80kΩ，电阻RD=10kΩ，RS=10kΩ，RL=100kΩ，电源VDD取5V。

3.2 馈电状态传感器电路设计

由于我们所要检测的是井下电缆的馈电状态，也就是检测井下电缆所产生的交变电场的有无状态。本次设计所采用电容原理来检测电场状态，在敏感元件的输出端产生交流微弱电压信号，根据传感器电路的设计要求，传感器电路输出的信号应当是开关量电压信号。因此，我们应对敏感元件的输出信号进行检波、放大和信号转换处理，其整体电路如图4所示。

图4 馈电状态传感器电路

由图4可知馈电状态传感器的工作过程如下：L7805是一个直流稳压芯片，它提供传感器电路的工作电源；二个发光二极管，红色发光二极管指示电源的状态，绿色发光二极管指示馈电状态。当把传感器放入被测量带电电缆附近，检测电容C两端感应出微弱的交流电压信号；此信号经过结型场效应管K30A进行初级放大，由场效应管的漏极输出大约是检测电容两端电压5倍的交流电压信号；接着通过检波电路，把交流电压信号转变成单极性信号；这种单极性信号仍很微弱，还要经过测量运算放大器（或仪用运算放大器）二级放大，通过调节可调电阻RW，可以得到很大范围的电压增益；最后直流电压信号经过由二个NPN型的三极管组成的开关电路，输出TTL开关量电压信号。

4、结论与展望

把图4所示电路在EWB（Electronics Workbench）软件上仿真，当在检测电容两端施加大于0.1V的交流电压信号时，就能在三极管集电极输出大于3.6V的高电平电压信号；当检测电容两端施加小于0.1V的交流电压信号时，三极管集电极输出小于0.3V的低电平电压信号。同样，在实际电路实验中，通过调节可调电阻RW的阻值，会得到比在EWB软件上仿真更高的灵敏度。因此，证明所设计的馈电状态传感器电路满足《矿井安全监控新标准、新规程汇编及矿井安全监控系统设计与选型手册》的设计标准。

本文根据2001年版《煤矿安全规程》、2002年版《矿井安全监控新标准、新规程汇编及矿井安全监控系统设计与选型手册》等有关标准和规程，研制出矿井馈电状态传感器。这种传感器具有以下的优点：①可靠性高；②设备简单、成本低，所需附加设备少；③设备灵敏度高；④信号传输距离远；⑤设备易于维护，更换方便。其突出的特点是这种传感器是一种非接触式检测电缆芯线对地电场的状态，这使得这种馈电状态传感器在矿井监控系统中无疑具有很好的应用前景。

古代传感器在道理与构造上千差万别，怎样依据详细的丈量目标、丈量工具以及丈量情况公道地选用传感器，是在停止某个量的丈量时起首要处理的成绩。当传感器断定之后，与之相配套的丈量办法跟丈量装备也就能够断定了。丈量成果的成败，在很年夜水平上取决于传感器的选用能否公道。

1、依据丈量工具与丈量情况断定传感器的类

要停止—个详细的丈量任务，起首要斟酌采取何种道理的传感器，这须要剖析多方面的要素之后才干断定。由于，即便是丈量统一物理量，也有多种道理的传感器可供选用，哪一种道理的传感器更为适合，则须要依据被丈量的特色跟传感器的应用前提斟酌以下一些详细成绩：量程的年夜小;被测地位对传感器体积的请求;丈量方法为打仗式仍是非打仗式;旌旗灯号的引出办法，有线或长短打仗丈量;传感器的起源，国产仍是入口，价钱是否蒙受，仍是自行研制。

在斟酌上述成绩之后就能断定选用何品种型的传感器，而后再斟酌传感器的详细机能指标。

2、敏锐度的抉择

平日，在传感器的线性范畴内，盼望传感器的敏锐度越高越好。由于只有敏锐度高时，与被丈量变更对应的输出旌旗灯号的值才比拟年夜，有利于旌旗灯号处置。但要留神的是，传感器的敏锐度高，与被丈量有关的外界噪声也轻易混入，也会被缩小体系缩小，影响丈量精度。因而，请求传感器自身应存在较高的信噪比，尽员增加从外界引入的厂扰旌旗灯号。

3、频率呼应特征

传感器的频率呼应特征决议了被丈量的频率范畴，必需在答应频率范畴内坚持不掉真的丈量前提，现实上传感器的呼应总有—定耽误，盼望耽误时光越短越好。

4、线性范畴

传感器的线形范畴是指输出与输入成正比的范畴。以实践上讲，在此范畴内，敏锐度坚持定值。传感器的线性范畴越宽，则其量程越年夜，而且能保障必定的丈量精度。在抉择传感器时，当传感器的品种断定当前起首要看其量程能否满意请求。

        5、稳固性

传感器应用一段时光后，其机能坚持稳定化的才能称为稳固性。影响传感器临时稳固性的要素除传感器自身构造外，重要是传感器的应用情况。因而，要使传感用具有精良的稳固性，传感器必需要有较强的情况顺应才能。

6、精度

精度是传感器的一个主要的机能指标，它是关联到全部丈量体系丈量精度的一个主要环节。传感器的精度越高，其价钱越昂贵，因而，传感器的精度只有满意全部丈量体系的精度请求就能够，不用选得过高。如许就能够在满意统一丈量目标的诸多传感器当选择比拟廉价跟简略的传感器。

假如丈量目标是定性剖析的，选用反复精度高的传感器即可，不宜选用相对量值精度高的;假如是为了定量剖析，必需取得准确的丈量值，就需选用精度品级能满意请求的传感器。对某些特别应用场所，无奈选到适合的传感器，则需自行计划制作传感器。克己传感器的机能应满意应用请求。

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