一种基于电容的湿度检测装置及方法与流程

本发明涉及一种湿度检测装置及方法，特别是一种基于电容的湿度检测装置及方法。

背景技术：

湿度计是测量气体湿度的物性分析仪器。湿度表示气体中的水蒸汽含量，有绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度指气体中水蒸汽的绝对含量，最常用的单位是克/米^3。在一定温度、压力时，单位体积内的水蒸汽含量有一定的限度，称为饱和水蒸汽含量。相对湿度指气体中水蒸汽的绝对含量与同样温度、压力时同体积气体中饱和水蒸汽含量之比，常用符号为％R.H.。湿度计的用途很广，例如在超纯金属冶炼、纺织品加工、造纸和印染等生产过程以及食品储存和气象测量等方面，常需要用湿度计来测量或控制空气或工业流程气体的湿度。

现在的普遍的商用湿度计总共包含三种。分别是氯化锂湿度计，氧化铝湿度计和干湿球湿度计。但由于以上的湿度计是通过材料性质的改变以及温度差去反应湿度，因此如今的湿度计存在许多缺点，包括湿度计的灵敏度不够，反应速度慢，要有适宜的温度条件和多次测量有损耗。而在许多领域中，湿度检测尤其重要，例如，化工行业对环境的湿度测量精度要求特别高，有些化工产品能快速与环境的湿气发生反应，因此对检测装置灵敏度的要求也很高。

电容测湿度是如今新型湿度计的重要方法之一。不同于材料的方法，电容法的湿度测量装置具有许多优点，例如测量灵敏度高，损耗小等。但电容法的湿度测量需要对微小电容变化进行测量，因此如今许多电容法测湿度用到很多精密仪器。而精密仪器制造工艺复杂并且成本高昂，从而造成电容测湿度装置价格较高，难以形成有效的推广和应用。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于电容的湿度检测装置及方法，其不需要用到紧密仪器，从而降低了电容测湿度成本，便于推广应用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种基于电容的湿度检测装置，其特征在于：包含射频发射模块、射频接收模块、放大电路、LC震荡电路、测湿度电容C₂和电阻R，射频发射模块与射频接收模块通过无线天线无线连接，放大电路与射频接收模块连接用于放大接收的射频信号，LC震荡电路一端与放大电路连接，LC震荡电路另一端与电阻R一端连接，电阻R另一端接地，测湿度电容C₂与LC震荡电路的电容C₁并联并且电容C₁为带示数的可调电容。

进一步地，所述射频发射模块和射频接收模块采用FM发射模块和FM接收模块。

进一步地，所述FM接收模块采用SP7021FM接收模块。

进一步地，所述测湿度电容C₂两端并联有一个示波器。

进一步地，所述测湿度电容C₂为平板电容，由两片平行正方形金属板构成。

一种基于电容的湿度检测方法，其特征在于包含以下步骤：

步骤一：在已知湿度环境下进行校准，已知湿度记为RH1，射频发射模块发射的频率F₀为一个定值，则电容C₁和测湿度电容C₂的并联电容值C₀为一个定值，调节电容C₁使放大电路放大倍数最大，测湿度电容C₂＝C₀-C₁，记此时测湿度电容值为C₂1；

步骤二：测试空气湿度，记被测空气湿度为RH2,调节电容C₁使放大电路放大倍数最大，记此时测湿度电容值为C₂2；

步骤三：计算测湿度电容差值△C＝C₂2-C₂1，湿度差△RH＝RH2-RH1，根据公式ΔRH＝γ·ΔC计算出被测空气湿度RH2的值，其中γ为常数。

进一步地，所述步骤一中调节C1使放大电路放大倍数最大通过示波器观察进行调节。

进一步地，所述公式ΔRH＝γ·ΔC的计算过程为：

空气湿度

其中，为空气内水的偏压，为空气在一定温度下的饱和偏压；

相对介电常数与空气成分偏压的关系为

其中，α_i为各成分的极化强度；

水蒸气偏压

由(1)(2)(3)式可得

当∈_r变化很小时，公式(4)可近似成：

可得

由介电常数∈＝∈_r∈x (7)

可得

令

可得ΔRH＝μ·Δ∈ (10)

已知对于无限大的均匀带电的两平行板的电容决定公式：

其中C为电容器的电容大小，∈₀为真空介电常数，∈_r为相对介电常数，∈是电容器中的介质的介电常数，d为两平行板的间距；

电容的定义式为：

C＝Q/U (12)

Q为其中电容器一端的电荷量，而U为电容器两端的电势差；

电容C理论值为

由于现实中不存在所谓的无限大的金属平行板，两端金属板也不会带电均匀，因此近似为：

C＝C₀+Δ∈·k (14)

ΔC＝Δ∈·k (15)

Δ∈＝ΔC/k (16)

其中C₀为已知某一电容值，k为在这一点附近的电容变化率；

由此可得

令：

于是：

ΔRH＝γ·ΔC (19)。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明即保证了电容测湿度装置的高灵敏度和精度，同时又不需要高精度精密仪器进行辅助，大大降低了电容式湿度计的成本，便于应用和推广。

附图说明

图1是本发明的基于电容的湿度检测装置的示意图。

图2是本发明的FM接收模块信号幅值与电容值的关系图。

图3是本发明的实验数据图。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

如图所示，本发明的一种基于电容的湿度检测装置，包含射频发射模块1、射频接收模块2、放大电路3、LC震荡电路、测湿度电容C₂和电阻R，射频发射模块1与射频接收模块2通过无线天线无线连接，放大电路3与射频接收模块2连接用于放大接收的射频信号，LC震荡电路一端与放大电路连接，LC震荡电路另一端与电阻R一端连接，电阻R另一端接地，测湿度电容C₂与LC震荡电路的电容C₁并联并且电容C₁为带示数的可调电容。

射频发射模块和射频接收模块采用FM发射模块和FM接收模块。FM接收模块采用SP7021FM接收模块。测湿度电容C₂两端并联有一个示波器，可以通过示波器观察测湿度电容C₂的波形信号。测湿度电容C₂为平板电容，由两片相互平行的边长2cm的正方形金属板构成。

测湿度电容C₂基于谐振电路的放大效果，FM接收模块是用于接收高频的载波信号，通过谐振电路挑选出某一个频率，之后再解调成有用信号。之所以用FM接收模块是由于频率高的谐振电路能够放大小电容的变化量。与标准的RLC谐振电路不一样的是，本电路采用的是LC并联谐振。谐振电路是指电路频率变化时，电路中的信号强度会随之改变，当电路中的频率达到该电路的谐振频率时，信号强度最大，发生谐振现象。若此时电路中的电容发生变化，谐振现象就会消失，信号强度立即变小。因此谐振电路能够反应微小的电容变化。我们所用的FM接收模块是SP7021FM接收模块，该模块通过谐振端口接收固定的混信号波，之后通过解调，分离出有用的信号。

一种基于电容的湿度检测方法，包含以下步骤：

本发明中所称湿度均为相对湿度。

步骤一：在已知湿度环境下进行校准，已知湿度记为RH1，射频发射模块发射的频率F₀为一个定值，则电容C₁和测湿度电容C₂的并联电容值C₀为一个定值，调节电容C₁使放大电路放大倍数最大，测湿度电容C₂＝C₀-C₁，记此时测湿度电容值为C₂1；

步骤二：测试空气湿度，记被测空气湿度为RH2,调节电容C₁使放大电路放大倍数最大，记此时测湿度电容值为C₂2；

步骤三：计算测湿度电容差值△C＝C₂2-C₂1，湿度差△RH＝RH2-RH1，根据公式ΔRH＝γ·ΔC计算出被测空气湿度RH2的值，其中γ为常数。

步骤一中调节C1使放大电路放大倍数最大通过示波器观察进行调节。

公式ΔRH＝γ·ΔC的计算过程为：

空气的相对湿度RH是衡量空气内部含有水分的多少，其公式为，

空气湿度

其中，为空气内水的偏压，为空气在一定温度下的饱和偏压(是一个温度的函数)；

相对介电常数与空气成分偏压的关系为

其中，α_i为各成分的极化强度；

而我们只关心水蒸汽的偏压

由(1)(2)(3)式分析和∈_r的关系可得

当∈_r变化很小时，公式(4)可近似成：

可得

由介电常数∈＝∈_r∈₀ (7)

可得

令

则可知μ是一个不变常数

从而得到ΔRH＝μ·Δ∈ (10)

由公式(10)我们得到了相对湿度随介电常数的变化规律。

对于空气来说，空气的相对介电常数∈_r取决于温度，湿度，压强，还有空气的组成成分等等。空气湿度的改变会引起∈_r微小的改变，具体的主要原因则是因为空气内含有水分，而水分子是具有一定极性的，从而它的浓度的改变相比于其它的分子对空气的相对介电常数影响更大。既然会引起∈_r微小的改变，空气湿度也能够引起电容的微小改变。以下推导电容与介电常数的关系：

已知对于无限大的均匀带电的两平行板的电容决定公式：

其中C为电容器的电容大小，∈₀为真空介电常数，∈_r为相对介电常数，∈是电容器中的介质的介电常数，d为两平行板的间距；

电容的定义式为：

C＝Q/U (12)

Q为其中电容器一端的电荷量，而U为电容器两端的电势差；

在现实中，不存在所谓的无限大的金属平行板，两端金属板也不会带电均匀。所以求出真实的电容的决定公式会非常的困难。实验中所用的是两个金属圆片，两端通过一个电源相连。此时它的电容公式不在遵循

电容C理论值

上次公式只是一种近似。如果我们假设C是关于∈的一个函数C(∈)，但如果C₀电容处改变量Δ∈非常小的时候，可以通过一种近似方法处理:

C＝C₀+Δ∈·k (14)

ΔC＝Δ∈·k (15)

Δ∈＝ΔC/k (16)

其中C₀(未知可测)为已知某一电容值，k(未知可测)为在这一点附近的电容变化率；

由此可得

令：

于是：

ΔRH＝γ·ΔC (19)

因此湿度的变化量正比于电容的变化量。

下面通过具体实验方法来对本发明的测量湿度效果进行进一步验证：

本发明通过一个FM发射模块将一个1KHz的信号频率加载到89.1M的载波信号上，然后再通过FM接收模块接收信号并解调成1KHz的有用信号。将有用信号输入示波器中，并观察信号强度大小。而另一部分的实验装置就是空气所在的电容，我们通过两个相互平行的边长2cm的正方形金属铝片作为电容器(感应电容)，并将这个电容器通过导线并联在电路板上的可调电容上，改变可调电容，使得电路达到敏感的范围，如图2所示为FM接收模块信号幅值与电容值的关系。感应电容放置在一个密闭的箱子里面，往箱子里面通入湿气，内部湿度慢慢增加，此时将示波器中的信号强度与箱内的商用湿度计作为对比，得出相关数据，如图3所示。

通过实验装置的测量，分析数据之后，发现商业的湿度计的改变量正比于该装置所测信号的改变量，改变关系为上升1％的相对湿度，信号强度改变20mV左右。因此该装置可以测得空气相对湿度的改变量。

本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。