棉浆粕含水率在线检测的研究(可编辑)

棉浆粕含水率在线检测的研究(可编辑) 棉浆粕含水率在线检测的研究 中国科学技术大学 硕士学位论文 棉浆粕含水率在线检测研究 作者姓名: 黄贵林 学科专业: 模式识别与智能系统 导师姓名: 关胜晓副教授獬 。 完成时间: .年五月六日 ’ : ’: . : : 丽, 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作 所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 签字日期:丛主。么丝 作者签名:豁盔木 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权,即:学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入《中国学 位论文全文数据库》等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口保密??年 碱开 导师签名: 作者签名:戥越 签字日期: 签字日期:涩三、丝.竺 避摘要 摘要 棉浆粕是以棉短绒为原料,经过传统的造纸工艺而生产出来的一种浆粕。在 生产过程中,棉浆粕中的水分是一个非常重要的因素,它影响着棉浆粕的质量、 存储和运输。目前国内棉浆粕的生产工艺比较传统,对水分缺乏完善的实时在线 检测,这势必降低棉浆粕的生产效率和加大资源浪费。本文就棉浆粕含水率的实 时在线检测,展开了一系列研究,包括含水率检测机理的探索和分析、含水率检 测传感器的设计、检测系统的搭建以及软件的设计等方面。 本文首先对比了目前较为成熟的几种含水率检测方法,从中选取介电测量法 作为本系统的检测方法,并对介电测量技术应用于棉浆粕含水率测量所涉及到的 关键理论和一些影响因素进行研究。介电测量技术的核心思想是 建立棉浆粕的含 水率与其介电性能之间的关系,通过测介电性能以达到测量含水率的目的。文章 分析了棉浆粕作为电介质,其弛豫极化和介电损耗是如何影响宏观复介电常数 的。 介电测量法通常利用电容式传感器测量物质的复介电常数。本系统采用传感 器为平行极板电容传感器。文章详细描述了适用于棉浆粕的电容传感器的结构、 尺寸参数、材料及其等效电路模型。同时采用一种新型的检测电桥分析方法,得 出棉浆粕含水率与检测系统的输出电压之间的定性关系,并对传感器的一些影响 因素进行分析。 此外,文章就检测系统的软硬件结构展开阐述,给出了棉浆粕含水率检测系 统的组成结构,包括信号发生单元,调理单元,电容式传感器,温度传感器,湿 度传感器,微控制器单元。并分别对各个部分进行简单阐述。其中信号调理电路 运用到差分放大,滤波,整流等技术。论文还介绍了检测系统的机 械结构和软件 设计。 针对检测系统我们进行了一系列试验。试验内容包括以下几个方 面:介电测 量技术的可行性试验、棉浆粕含水率与检测系统输出电压之间的 关系、温度的影 响以及湿度的影响。最后还对棉浆粕含水率检测系统的精度和重 复性试验进行描 述并做出评估。 关键词:棉浆粕含水率电容传感器介电测量 , , . .,.., . , , , .,, ., 甜 . ’ . , .. , . , ,. ,. , , , , , .. 缸 , . . :.,. . : ,, 目 录 目 录 第一章绪论。 . 引言??. .棉浆粕及其含水率检测的意义? .水分在棉浆粕中的存在状态.测量含水率的各种方法比较.介电 测量技术.国内外研究现状.. .论文的主要研究工作第二章水分检测机理与介电测量技术? . 电介质?. .棉浆粕介电特性.. .. 电介质的极化.. ..介质损耗??.. ..复介电常数? ..介电弛豫和德邦方程 ..影响复介电常数的因素..棉浆粕的介电特性? ..水分对棉浆粕介电性能影响 .介电测量技术? ..介电测量基本概念?。 ..介电谱与单一频率?.. .实时在线检测? .本章小结? 第三章 电容传感器设计? .平行板电容传感器及其等效模型 . 电容传感器优缺点及需注意的问题?. .. 电容传感器的优缺点 目 录 ..电容传感器的设计要点和注意事项.??. .本文所用传感器结构设计??.. ..传感器技术指标..结构设计..参数选择.检测电桥 .传感器灵敏度影响因素. .. 空气缝隙的影响 ..其他一些因素的影响 .本章小结 第四章检测系统设计. 棉浆粕含水率检测系统组成结构 ..信号发生单元 ..调理电路及缓冲跟随器..微控制器.. /数模转换 ..显示和存储? .温度检测和湿度检测电路??.. .机械结构设计??。 .软件系统设计?. .本章小结.. 第五章实验数据与结果分析.实验方法和步骤 ..实验仪器..实验方法..实验过程和结果分析 .输入输出特性? .. 多元回归分析法.. 电容传感器的输入输出特性 .重复性及精度分析 ..重复性分析? 目录 ..精度分析.本章小结? 第六章结论与展望 . 总结.未来的工作参考文献附录棉浆粕及实验仪器 致谢 在读期间发表的学术论文及其他研究成果??钾 第一章绪论 . 引言 物质中所含水分的多少可用含水率来表示对气体而言,一般用湿度来表示 气体中的水蒸气含量,早期的含水率测量主要应用在气象方面的湿度研究中。 随着社会进步和生产力的发展,含水率测量已经广泛应用于工业、农业、科研、 医药、军事等领域。现在人们逐渐认识到含水率对生产安全、产品质量、科学实 验的结果都有着直接或间接的影响,并越来越重视对含水率的测量方法的研究。 世界上关于含水率测量的最早记录始于世纪。早期的测量技术是根据羊 毛吸收水分后发生重量的变化而发明的,在经过几百年不断的探 索后,含水率测 量技术逐渐趋于成熟。第一届“湿度与水分”国际会议于年在美国华盛顿 召开,标志着含水率研究进入了一个新的阶段,。 .棉浆粕及其含水率检测的意义 棉浆粕又叫做精制棉浆,它是以棉短绒为主要原料,经过碱法蒸煮、漂洗等 工艺精制而成的一种高纯度纤维素.通常压制成片状结构。棉浆粕是一种工业用 品,主要用于制造硝化纤维素、醋酸纤维素和醚类纤维素等工业产品,其涉及到 的领域很广,包括食品、医药、建材、日化、造纸、航天、电子和军工等。 棉浆粕是生产粘胶纤维的主要原料,作为半成品,其品质的优劣将是影响粘 胶纤维质量的重要因素.我国化纤用棉浆粕的生产方式经过五十多年的发展仍然 处在传统的生产方式中。棉浆粕生产工艺和设备都沿袭制浆造纸的传统工艺和设 备而来,普遍采用传统而原始的造纸制浆工艺,例如苛性钠蒸煮法、次氯酸钠漂 白法;设备则采用旋转式蒸球、荷兰式打浆机以及槽式漂白机或 漂池等间歇式生 产设备。由于制浆造纸与棉浆粕的生产原料性质稍有不同,而且产品质量要求也 不同,所以制浆造纸设备并不完全适合棉浆粕的生产。典型的情况是生产过程 中对含水率的监控不够实时,一些情况下依然采用人工取样测量的方式。这是一 种离线测量方式,测量周期长,大大降低生产效率。本文针对棉浆粕特殊的生产 环境,采用电容式含水率检测方法实现棉浆粕含水率的实时在线检测。 .水分在棉浆粕中的存在状态本课题的研究对象是片状的棉浆粕。棉浆粕的主要成分是植物纤维,由于植 物纤维中有大量的亲水基团,并且棉浆粕是疏松的多孔结构材料,故而具有很强 大的吸湿特性。 棉浆粕中的水分一般有四种存在状态,及棉浆粕周围空气中水蒸气、被吸附 在棉浆粕表面上的水分、棉浆粕纤维毛细管中的自由水以及与棉纤维紧密结合的 束缚水。实际中对束缚水和自由水的划分很难有一个明确的界限。束缚水是指那 些与棉纤维分子团结合得相对紧密的水分子,这类水分子在外加电磁场的作用下 运动很受限制。而且要将这种水分蒸发出来需要很大的能量,才能断开纤维分子 与水分子之间的化学键,从而使水分子能够自由运动,从棉浆粕向周围环境扩散。 在一定温度下,束缚水和自由水是处于动态平衡的。当环境温度发生变化时,这 种平衡状态将会被打破。当温度升高时,分子能量得以加大,水分子和棉纤维分 子中的结合键相对变弱,以至于束缚水向自由水转化,导致物体中水蒸气气压升 高,使得水分从物体向外界扩散乜,。 研究水分在棉浆粕中存在状态目的有两个:一是不同类型的水分在电磁场中 的行为不一样,亦即其介电特性不同,这对以介电测量技术为基础的传感器中贡 献也不同。另一个是与物体中含水率的定义有关,有的水分子由于与棉纤维结合 得很紧密,无论外界条件怎么变化,它们都不会游离出来,对棉浆粕的质量不会 造成多大的影响,因此这部分水分不应该认为是水含量乜。 .测量含水率的各种方法比较 在木材、造纸、纺织等工业领域中,物质的含水率用含水质量分数竹表示: :. % .. 其中,聊是物质干燥前的质量,聊。是绝干状态物质质量。 目前,国际上用得较多的材料含水率测量方法主要有一下几种: 称重法 称重法是一种古老而经典的含水率测量方法,它的基本原理是取少量样品使 用特定烘干设备进行高强度烘干,使用精密天平称量样品烘干前后的重量,由此 计算出样品的含水率口。称重法是所有方法中最为常用的一种,它有非常高的准 确性,许多材料的含水率测量均采用这种方法作为 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 方法。称重法要获得高准 确度,必须对测量条件,设备和操作人员有严格的要求。由于其操作繁琐,费时, 不适合日常含水率测量,而用于标定其他的测量方法,。 称重法的误差来源有一下几种:样品中的水分不能完全蒸发出来。这是第一章绪论 因为部分水分和物质结合得很紧密,不容易被蒸发出来。虽然高 干燥温度可以使 大部分水分蒸发出来,但这同时也可能破坏样品的分子结构,产生气体蒸发,从 而使测量变得不准。另一个原因是被干燥样品周围空气中含有一定的水蒸气, 这导致样品中必然还有一部分水分残留。除此之外,精密天平也只能精确到 级,这也会带来一定误差。 卡尔费休滴定法强 这种方法是一种经典的含水率测量的化学方法。其原理是碘。氧化二氧化 硫时需要有水的存在。具体滴定过程是把样品放入溶有碘和二氧化硫的甲醇 混合试剂溶液中,通过电解在阳极上生成碘。依据法拉第定律,所生成的碘的量 和消耗的电量成正比例关系: .. 。一专 由于参加反应的碘的摩尔数等于水的摩尔数,所以测量过程中,只要测出消 耗的电量,就能计算出生成的碘的量,从而计算出水分值。由于用有机溶剂提取 水分比干燥更温和、彻底,因而对某些物质来说,采用卡尔费休滴定法更快速、 准确。 电导率测量法肺 使用电导率来测量含水率时一种常用且简单的方法,测量仪器可以做成便携 式的,而且能连续测量。这种方法的理论依据是物质的含水率与其电导率存在着 对数关系。它只能用来测量中等含水率的物质。对于很干的物质,因其电阻值过 高而不能测量;对很湿的物质,因为材料中存在的电解质对电导率影响过大,故 也不能测量。 介电测量方法 物质的介电常数和损耗与其含水率之间存在一定的对应关系。只要测量物质 的介电常数和损耗,就能得到含水率。这种方法的缺陷是样品的密度对测量结果 的影响非常大。介电常数和损耗一般随着密度增加而成一定比例的增加,故当疏 松的样品压缩后,其测量结果将发生变化。另外,温度和频率对介电常数的影响 也很大,它们都会对测量结果产生影响。 微波透射法 微波法的基本原理是水分对微波的吸收。测量出微波的损耗就可以知道被测 物的含水率。当微波通过含水物料和干燥物料时,微波在传播方向上的传播速度 和强度会发生不同的变化,含水物料会使微波的传播速度变慢,强度减弱。微波 水分仪测量原理就是通过检测在穿过物料后微波的这两种物理性质变化来计算第一章绪论 物料中的水分含量口。除了微波透射法外,常用的还有微波反射法、微波谐振腔 法,其基本原理都是相同的。微波法不适合用于低含水率的棉浆粕测量中。原因 是低含水率状态下,水分处于束缚态,水分子和棉纤维分子团结合得非常紧密, 这就限制了水分子在微波场中的运动,分子摩擦变小,亦即损耗降低。只有自由 态或者束缚不太紧的水分子,才能在微波场中自由运功,从而产生摩擦损耗。 近红外线法随 近红外线法的基本原理是根据红外光谱中,水分子对某一特定波 长的光带吸 收强烈,对其他波长的光吸收弱。将一束红外辐射照射到待测物上,经过待测反 射或透射,红外辐射的衰减情况就能反映待测物的含水率。具体吸收可用比尔公 式表示如下田: .. %枷 式中: ??被水吸收后的红外辐射光强度; 厶??被水吸收前的红外辐射光强度; 口??吸收系数; ??水分含量。 近红外线法是一种非接触式测量方法,无破坏性。该方法受待测物的密度和 杂质以及温度的影响很小。还可远距离测量。缺点是只能测量物体表面的含水率, 可能与材料的中心含水率有较大的偏差;受物体表面特征影响大,特别是粗糙程 度;另外,光学特性的变化,比如光密度、颜色、反射物的变化等,会使测量无 法进行。 中子法们 中子源发射快中子,当快中子进入待测物质中时,与各种原子和离子碰撞, 能量衰减而变成慢中子。特别是与氢原子碰撞时能量衰减最大,所形成的慢中子 云密度和氢原子含量成正比,从而可以推测出待测物质的含水率。不过,该方法 的主要测量对象是土壤、建筑材料、烧结混合物等无机物,不适合用来测量棉浆 粕的含水率。因为棉浆粕是有机物,其本身含有氢元素,故用中子法测得的氢原 子数不能反映含水率四。 综合以上各法发现,称重法和化学法卡尔费休滴定法等虽然测量结果精 确,但只能离线测量,操作繁琐,费时:射线法微波法、近红外法、中子法 极易受到被测物形状、密度、厚度等物理特性的影响。对物质中心含水率的测量 有局限性。而且设备体积大而复杂,价格昂贵;电导率法虽然简单易行,可在线 测量,但只能测量中等含水率,测量范围大大受限。考虑到本课题研究对象棉浆 粕的特性,需要在线实时测量,做到快速简便,故采用介电测量法最为适宜。虽 第一章绪论 然该法会受到温度,松紧度等因素的影响,但可以通过软件补偿方法修正温度产 生的影响;通过采用平行极板方法排除松紧度的影响。 .介电测量技术 介电测量技术在国际上一直用来研究绝缘材料的介电性能和物理性能之间 的关系。主要有三种方法:弛豫电流测量法、恢复电压测量法 和介电频谱测量法。 弛豫电流测量法是在被测物上施加一个直流阶跃电压信号后,测量通过被测 物所产生的极化与去极化电流的时域函数。极化过程一般很缓慢,只要测量时间 足够长,就能够从极化与去极化电流的规律中得出被测物的介电响应函数。因为 去极化电流并没有直流量,故使用起来很便利。许多固态介电质的介电响应随时 间衰减。通常要对待测样品充电到次,使其彻底极化和去极化,才能得到 和介电响应函数成正比例的极化电流和去极化电流。通过测量这 两种电流还可以 得到待测物的电导率。 恢复电压测量法和驰豫电流法类似,也是一种研究缓慢极化的时域法。同样 也是对待测物施加一个阶跃直流电压信号,这段时间内被测物充电,极化电流流 经其中。之后,将被测物短路接地,接地时间通常少于充电时间。短路过程结束 之后,在开路情况下测量被测物的恢复电压。恢复电压的产生机理是,被测物内 剩余的极化在弛豫过程中,感应电荷聚集在电极上而形成的电势。通过恢复电压 就可以计算出介电常数、介电响应函数和电导率。改变充放电时间,进行一系列 测量,即可得到相应的极化谱,从而记录下各个恢复电压相应的初始斜率和峰值, 并针对各个充电时间绘制出相应曲线。利用各个曲线的差别即可得出被测物的平 均含水率‘。 介电频谱法是一种频域方法。其基本原理是对被测物施加不同频率的正弦信 号,然后测量各频率下的响应电压,从而计算出被测物在各个频 率下的复介电常 数,这样就得到被测物的介电频谱舶。因为水分对被测物的介电频谱会产生很大 的影响,所以利用这种影响反推就能够得到被测物的含水率。 上述这些测量方法虽然已经取得很大进步,但还有一些缺陷未完善。 比如在中运用到了恢复电压测量法,与其他评估方法相比,这种方 法测控的含水率要高于其他方法的测量值;另外这种方法对测量结果解释过于简 单;而且没有考虑被测物的几何尺寸等外界因素的影响。 介电频谱测量法和弛豫电流测量法的测量结果同样缺乏充分的理论解释。第一章绪论 .国内外研究现状 从二十世纪八十年代开始,国际上就对介电方法用于变压器绝缘纸板的含水 率测量进行研究。麻省理工学院的.和.等研究人员研究工 作处于世界领先水平,研究重点为绝缘纸板物理特性与介电频谱之间的关系。具 体方法是用扫频法得到纸板的介电频谱,进而分析含水率与介电谱的关系。 通过试验他们发现,纸板式样的水分不同,并不会改变介电谱曲 线的形状, 只是介电谱位置会发生改变。具体情况是,含水率不同会导致介电谱水平移动, 温度不同会导致介电谱垂直移动。所以,只要知道介电谱的形状和位置,以及环 境温度,就可以计算出纸板的含水率。 目前国内只有大连理工大学的传感器测控所使用电容传感器测量绝缘纸板 的含水率引,先后尝试了介电频谱法和弛豫电流法等,取得一定成果 。 虽然介电测量技术已经有许多研究成果,但至今未见相应产品出现。而市面 上成熟的含水率产品都是针对日常用纸,并没有针对棉浆粕而专门研制的工业级 含水率检测设备。在棉浆粕生产工厂里,水分检测设备沿用传统的造纸设备,甚 至不用水分检测设备,靠人工取样用称重法测量。诸多方面都表明研究棉浆粕含 水率检测的重要意义。 。论文的主要研究工作 本论文的研究课题是棉浆粕生产企业的预研项目,旨在开发一个棉浆粕含水 率的在线检测系统。论文的主要研究工作是在电容传感器的基础上,利用介电测 量技术探索棉浆粕含水率与其介电特性之间的关系,进而搭建一个含水率检测系 统,由此实现棉浆粕含水率的检测。具体工作包括: .分析棉浆粕的介电特性,从理论上探索棉浆粕中水分的极化过程,阐明水 分极化过程与其含量、正弦驱动信号频率、温度以及湿度之间的关系。 .根据棉浆粕的特点,设计合适的电容传感器。 .建立完整的含水率检测系统,包括硬件调理电路、软件系统。 .利用完整的检测系统作为实验平台,进一步试验验证棉浆粕的介电特性与 含水率之间的关系,并由此对介电测量技术的可行性和棉浆粕含水率检测系统的 性能做出分析和评估。第二章水分检测机理与介电测量技术 第二章水分检测机理与介电测量技术 。 电介质 电介质是指电阻率很大、导电性很弱的物质。电介质的显著特征是它的原子 或分子内部的电子与原子核的结合力非常强大,电子处于束缚态 而无法自由运 动。因此在给电介质通电时,能做宏观运动的电子数很少,故导电性很弱。通常 情况下忽略其微弱的导电能力而将其看作是理想的绝缘体。 把电介质放入任何电场中,它都会感应到电场而产生电偶极矩,最终表现为 电介质的不同表面上出现等量的正电荷和负电荷叫做极化电荷或者束缚电荷, 这个过程叫做极化。它们各自聚集,这样就会在电介质内部形成一个电场,这个 内部电场与外加电场方向相反。内电场抵消了部分外电场,于是合电场比外加电 场要小。从宏观上看,电介质的放入,使得电介质所在空间原来的电场变弱了。 消弱程度就用介电常数来描述,具体定义是真空状态下的电场强度与放入电介质 后的合电场强度之比。并且这个比值是电介质本身的固有性质,并不会随外加电 场而变。因此,介电常数是表征电介质性质的一个非常重要的参数。 .棉浆粕介电特性 .. 电介质的极化 电介质以感应的方式对外部电场作出反应,即沿着电场方向建立电偶极矩或 改变电偶极矩,这种现象我们称为电介质的极化。 以分子中正负电荷的重心是否重合为依据,可将分子分为极性分子和非极性 分子。极性分子是指正负电荷的重心不重合的分子结构;而非极性分子则是指正 负电荷重心重合的分子结构。不同的分子在电场作用下的极化方式是不一样的。 对于非极性分子来说,极化时正负电荷的重心发生位移,当外加电场撤销后,重 心会再次重合起来,这种极化叫做位移极化。而对极性分子来说,极化前由于分 子本身的热运动,偶极子的排列杂乱无章,宏观上看对外无电性。极化时偶极子 会沿着外加电场方向进行排列,电场强度越强,排列得越整齐。这种随外加电场 方向而取向排列的极化方式叫做取向极化归。通常,取向极化的过程中还伴随着 位移极化,只不过后者相对微弱,可忽略。 电介质的极化过程其实就是极化电荷的正极转向电场的负极,而 其负极转向第二章水分检测机理与介电测量技术 电场的正极的过程。常用极化强度和极化率来描述极化程度。 若用,表示负电荷.中心到正电荷的矢量,则粒子的电偶极矩可表示为 . 在电介质中取一个无限小体积,其中所有的粒子电偶极矩矢量和为 ?,则单位体积的电偶极矩为肚古? ?矿厶一 称为物质的极化强度,它具有平均意义。 极化强度与合电场强度有关。不同的介电质,其极化强度与合电场强度 的关系是不一样的。实验表明,对各向同性的电介质来说,极化强度与合电场强 度成正比关系,可表示如下 . 。 其中因子厄叫做电介质的极化率,它和电介质的性质有关。对于不均匀的电介 质来说,各点的厄是不同的。 电学中关于电位移的定义是 . 把.式带入.可得 . 。 式中,苁是介电质的相对介电常数,占是静态介电常数。 极化的形式有多种,主要有电子极化、离子极化、偶极极化以及空间电荷极 化。 .电子极化 电子位移极化是指分子或者原子内部正负电荷重心发生偏移,使得分子或者 原子由中性变成偶极子。通常这种极化方式在极短时间。口。内即 可完成,所以所有的电介质中都存在这种极化方式。电子极化也叫电子畸变极化 或者电子位移极化,“畸变极化和“位移极化”说明原子内电子云发生畸变而 。 使得正负电荷重心位移的过程 .离子极化 在电场作用下,正负离子会产生相对位移,原来的电中性状态被打破,电荷 重新分布,从而形成偶极子,这种极化叫做离子极化。很明显,离子极化也是一 种位移极化。第二章水分检测机理与介电测量技术 .偶极极化 对于极性电介质来说,在无外加电场时,极性分子杂乱无章的排列,但宏观 上看整个电介质时电中性的。对其施加电场,每个极性分子都受到电场力矩的作 用而发生旋转并趋向于电场方向一致,这种极化叫取向极化。其建立较长 之口。。 .空间电荷极化 两种不同的电介质组成的系统中,由于它们的介电常数及电导率不同,它们 的界面上将会聚集电荷,从而出现极化现象。空间电荷极化也叫界面极化,其建 立时间很长,有时可达几分钟。 各种极化过程的复介电谱如图.所示。界面极化和偶极极化处于电频段 内,其极化弛豫时间接近于电场周期,故称为弛豫型极化;而电子极化和离子极 化过程中,电子或离子在电场频率下共振,从而发生极化,故称为共振型极化。 本文涉及的棉浆粕在预设电场下发生的极化过程主要是偶极极 化和空间电 荷极化。 电频区 ??. 皇 子 极 化 ‖.. 套似叭 荽似小厂叠争雠呱 甜 图.电介质的各种极化频谱图 ..介质损耗 介质损耗的本质是,施加给电介质的电能,其中的一部分被用来强迫电介质 固有偶极矩的转动,在此过程中偶极子因摩擦生热而消耗掉这部分电能,这部分 电能就是介电损耗。 电介质损耗的原因主要有三种:极化弛豫损耗、电导损耗和谐振损耗刳。 、弛豫损耗第二章水分检测机理与介电测量技术 极化弛豫损耗发生在慢极化中,比如热离子弛豫极化、取向极化 等。外加电 场频率不是很高时,这类极化过程能跟随电场频率而得以完成。当频率过高时, 这类极化过程来不及完成,而电场已经改变了,从而产生弛豫现象。在此过程中, 偶极子不断摇摆摩擦,从而消耗一部分能量。在高频电场下,这部分能量损耗是 介电损耗的主要部分。 、谐振损耗 电子、原子和离子在光频范围内会产生共振效应。电介质的介电常数随频率 而变化的现象属于色散现象,电子极化和离子极化属于谐振色散,取向极化等弛 豫型极化属于弛豫色散。色散现象会伴随能量损耗,从而产生色散损耗。弛豫损 耗和谐振损耗是两种不同类型的色散损耗引。 、电导损耗 任何电介质都不是理论意义上的绝缘体。其中必定有微量的导电载流子,若 有电场作用于其上,导电载流子必定在电场能的推动下漂移,产生传导电流。传 导电流会在电介质内产生热量,这部分热量损耗就是电导损耗。 对于棉浆粕来说,其介电损耗情况如图.所示。图中表示棉浆粕的直 流电导;表示棉浆粕的界面极化;表示棉浆粕中的束缚水的极化;表示棉 浆粕中的自由水的极化。在低频段,主要的损耗是由水分薄膜与棉浆粕表面发生 的界面极化以及直流电导贡献的。特别是超低频下,损耗基本上由棉浆粕电导损 耗决定。在高频段,损耗主要是由束缚水和自由水的取向极化贡献的。而在超高 频段主要是谐振损耗。 吐心 彩 图.介质损耗图 不管是哪种损耗机制,电导损耗、弛豫损耗和谐振损耗都可以统一地用复介 第二章水分检测机理与介电测量技术 电常数的虚部”表示,相应地,在实际工程中都可以用并联或者串联电阻进行 等效,只不过在不同频率和温度下及环境条件改变时电阻值都会动态变化。 ..复介电常数 倒, 在真空中,电容器的介电常数是岛。在电容器上施加交流电压“ 则在电极上出现极化电荷,则电容器的传导电流为 七 鲁响甜 电流和电压的关系如图.所示。可以看出, 电流的相位超前电压。。 厶 ??????????图.理想电流与电压的关系 一串 ” 图.充满电介质时的电容器 当电容器电极间充满电介质时,响应情况将与真空时大不一样,如图.所 示。介电质的响应将与外加电场的频率有关。这个现象的原因是,一种解释是由 于电介质分子有质量,分子的极化响应无法跟上瞬变的外加电场。为了反映这种 现象,我们可以用相位差来表达,这就得到了介电常数的复数形式,其参数是电 场频率缈:专。另一种解释是电介质是弱导电性材料、或是一种极性材料、 或者兼具这两种特性,此时电容器不是理想电容器,其内部不仅 有传导电流 . /础归舻弘昙第二章水分检测机理与介电测量技术 而且有位移电流厶。所以总的电流为两者之和 . ,缈 此时电的电介质的导纳可写成如下形式 弘 国/ 岛\、 / 岛\ 、 , 岛。\叫肇卜和,三汜, 枣 :,缈鱼,一/占一:/缈 式中,占枣”是电介质的复介电常数,占’占对应电容器的存储能 量,”一 国 为损耗因子,代表电容器的功率损耗。 在工程上,充满介质的电容器可用图.中的,并联等效电路来表 示。 其参数是 ,’, 一 . 二,二缈 乇。 式.清楚表达了复介电常数的物理意义。复介电常数的实部和静态介 电常数的意义相同,表征电容存储电荷的能力,亦即存储电能的能力;而虚部可 理解为在理想电容器上并联一个电阻/而导致的能量损耗。由式. 看出占”越大,则越小,若施加同样的交流电压,由其旁路产生的损耗越大。 这说明复介电常数的虚部表示损耗的大小。 ..介电弛豫和德邦方程 弛豫的定义是一个宏观系统由于受到一个外界的作用而变成一个非热平衡 系统,它总是要过渡到一个新的热平衡状态的,这需要经过一定时间才能完成, 这个过程就叫做弛豫。介电弛豫过程的实质是系统中微观粒子间能量交换过程, 最终达到稳定分布。极化和弛豫是两个相反的过程:极化表征了物质在电场作用 下各种电矩的有序化而弛豫表征电矩的无序化啪。 在角频率为国的正弦电场作用下,电介质的极化弛豫现象可以用下面的式子 来表示 . 缈气口弘’酬 其中,口称为衰减因子。在突然撤销外电场时,用口,来描述电介质极 化衰减规律,或者突然施加外电场时,口,描述电介质趋于平衡态的规律。由 第二章水分检测机理与介电测量技术 于电介质中电矩具有一定质量,其运动需要时间,这看起来像是具有惯性;同时, 宏观上看,弛豫过程中粒子间的能力交换表现为一种损耗。 在特殊情况下口?,可以令 . 口口‖ 将式.带入.中并积分,可得 . 国:气等玉:,矿 十, 式中气为高频介电常数,。氏觋静态相对介电常数。 由.可得到复介电常数的实部’和虚部占”的表达式 以咖气赫 . 以咖焉掰 上式称为德邦方程。德邦方程表明,复介电常数的实部和虚部都紧密依赖于 外电场频率,但是随着频率的增加,两者的变化规律是不一样的。由图.可见, 实部总体上是成阶梯状下降,但在光频区的电子极化和离子极化过程中,实部会 先增加而后下降的现象,亦即出现共振现象,这是由于电介质的色散现象引起的; 虚部会在每个极化过程中出现峰值,亦即过峰值现象。每一个峰值都代表对应极 化过程能量的最大损耗值。 当电场频率很高时,由德邦方程可得占’氏,”专。。静电场时, ’专,。一缈。 圭岛训 图. .图 在德邦方程中消去国,得到 第二章水分检测机理与介电测量技术 .?, ’.丢巳。”丢,一占。 若以 为横坐标,”为纵坐标作图,式.实际上是一个半圆周曲线, 如图所示。这个图叫作.刚刳。 ..影响复介电常数的因素 、驱动电压 只要外加电压不超过击穿电压,大部分的极化都与电压强度没有直接关系, 不过界面极化是一个例外。在界面极化时,随着电压的上升,其自由离子的极化 率,弛豫频率和电导率都会因此而改变。 、水分 电介质中的水分会加剧界面极化的程度,在宏观上表现出来的就是电介质的 复介电常数增大,电导率也会增大。 图.占’与温度的关系 寸 图.占”与温度的关系 第二章水分检测机理与介电测量技术 、温度 温度很低时,分子热运动的能量很小,极化粒子几乎处于束缚状态,于是弛 豫极化建立速度缓慢,完全跟不上电场的变化,弛豫极化难以建立,只有共 振极化能够完成。此时占接近于光频介电常数气,介电损耗。也极小。 温度升高时,极化粒子的热运动能量加大,弛豫时间变短。极化速度跟得上 外电场的变化速度。弛豫极化建立起来,使得’逐渐增加。当温度继续增加时, 弛豫时间迅速下降,相应地’迅速上升,几乎接近静态介电常数。。这个过程 中同时伴随着能量的损耗并出现损耗极值,则占”取极值。 当温度继续升高时,弛豫时间继续减小,弛豫极化迅速完成,’更接近。, 而此时很小,即占”又变得很小?。 温度对复介电常数的影响如图.和图.所示。从图.中还可以看到当 频率增加时占”的极值向温度增大的方向移动,反之则向温度减小的方向移动瞳。 、频率 在低频时,电场变化缓慢,比电介质的分子弛豫时间长,极化速度跟得上电 场变化。占’向静态介电常数占.靠近,而占”很小。 随着频率升高,电场周期变短以至于和极化弛豫时间相差不大时,极化逐渐 一 一 跟不上外加电场变化,此时损耗将增大。占从占。增大到.的过程中,”出 。 现极值。区域称为弥散区域心引,.国区间即是弥散区。 高频时,电场变化极快,电介质的弛豫极化跟不上外加电场变化,只有共振 极化能够发生,占’专瓦光频介电常数,。专,共振极化损耗很小。 频率对复介电常数的影响如图.所示。图中占’和占”频率的关系是典型的 德邦型介电弛豫模型。 , 瓦 么 一氏 . . 图. ’和占”与的关系第二章水分检测机理与介电测量技术 ..棉浆粕的介电特性 棉浆粕是由棉纤维、空气和水组成的多孔介质。在频率以下,水的介 电常数大概是,在光频区,水的介电常数是瓦.,其介电频谱图如图 .所示。可以看出,水的介电特性完美地符合德邦方程。而棉浆粕主要成分棉 纤维素的介电常数通常在之间,做成棉浆粕后,由于结构变得疏松,其介 电常数在~之间。由此可以看出,含有一定水分的棉浆粕,其总的介电常数 主要由其内部的水分决定。 图.水的介电频谱 ..水分对棉浆粕介电性能影响 棉浆粕中的水分主要有两种存在形态:自由水和束缚水。这两种形态的水的 介电特性是不一样的。自由状态下的水分子的偶极矩能够快速跟随外加电场的变 化而与其保持一致,亦即其介电弛豫时间极短;而束缚态下的水分子与纤维大分 子间的相互作用形成了某种键包括氢键,这导致束缚态下的水分子在跟随外 电场做自由取向运动时受到限制,故而其弛豫时间相对自由水而言要长得多乜副。 棉浆粕中水分与温度的关系是:当温度升高时,自由水的介电常数相应下降, 而束缚水的介电常数却上升。这是由于温度升高时,会使水分子 之间的结合力减 弱,于是水分子的极化就变得容易了。但当温度升高到一定程度时,会加剧自由 水的分子运动,其分子动能大增,极化过程中需要的能量也相应增大,这就使得 自由水的介电常数反而随温度上升而下降。而束缚态的水情况却刚好相反,因为 其与棉纤维素中的羟基结合得很紧,动能随温度增加不多,反而导致束缚水与棉 纤维素之间的氢键以及范德华力减小了。这就使得束缚水分子的转动比温度较低第二章水分检测机理与介电测量技术 时更容易,亦即更容易得到极化,因而其介电常数及电导率变大了。 从图.可以看出,当温度升高时,自由水的介电频谱向高频区移动,实 部和虚部的峰值都减小了。 图. 和.。下自由水的介电常数 .介电测量技术 ..介电测量基本概念 介电测量技术是一种新型的无损测量技术,目前已得到广泛应用。该技术的 基本原理是首先研究被测物质的介电性能和其待测物理性能之 间的关系,建立两 者之间关系的理论模型;利用这个关系模型,可将待测的物理性能转而测量介电 性能,从而达到测量被测物质的某个特定物理性能的目的。介电测量技术的过程 如图.所示。 图.介电测量技术的过程 第二章水分检测机理与介电测量技术 被测物质的的介电性能取决于许多因素,包括被测物的几何尺寸、组织结构、 化学成分、老化程度,以及其中的含水率和环境温度。另外受力状况也会有所影 响。被测物的这些物理性质的改变都会不同程度的引起盯、”等介电性能的变 化。在实际测量过程中,这些介电性能的改变将直接被电容传感器检测到。所以, 利用所测得的介电参数以及介电性能与各个物理性能之间的关系,即可间接地测 量被测物的各个物理性能。 ..介电谱与单一频率 通过前面的讨论我们知道,棉浆粕的复介电常数的实部反应了其介电常数而 虚部代表其在电场中的功率损耗情况。..节中也讨论了复介电常数的频谱和 温谱,它们是影响棉浆粕复介电常数的两大因素。另外含水率更是一个重要影响 因素。研究清楚这三个因素对复介电常数的影响,就可以方便地对复介电常数进 行测量。 美国的 和.砼、英国的介电研究组的 乜町以及的啪等人分别对中低等含水率的变压器绝缘纸板 的介电频谱做了相应研究,结果得出一个同样的结论:介电谱的形状基本上不因 其含水率和温度的变化而变化,只会沿幅值轴和频率轴移动。具体的移动方向是, 温度升高将使介电谱向高频区移动,而含水率增加将使介电谱沿幅值轴向上移 动。通过偏移一定的量可将各种条件下的介电谱重合成一条通用曲线。 和.等人得出的绝缘纸板的通用曲线如图.所示。 图.绝缘纸板的通用介电谱曲线第二章水分检测机理与介电测量技术 基于这样的通用介电谱曲线,复介电常数与电场频率、温度和含水率之间的 关系可用一个半经验公式来表示啪:, ’气‰?’“斤 多, 。%?。“矗%吃【、予 式中,八气、、为相关系数,二为与温度相关的修正子函数,气/‰?。 公式中的系数通过最小二乘法拟合得出。 .等人又在另一个研究口妇中描绘了绝缘纸板的复介电常数与频率、温 度、含水率之间的三维立体图如图.和图.所示。从中可以看出,复介电常 数的实部和虚部受各个变量的影响规律是一致的,都是随着温度和含水率的增加 而上升,但随着频率的增加而下降。 ? 。 图.介电谱与含水率和温度的关系 虽然以上的研究都是针对绝缘纸板进行的,但是这些研究成果都可以用在棉 浆粕的含水率检测中。这是因为棉浆粕和绝缘纸板的主要成分都是植物纤维素, 其介电特性基本上是一致的。但本文所描述的检测系统并不像以 上研究那样采用 扫频测量方式,而是采用特定频率进行测量。这是因为频率作为一个 可控因素,我们当然首先将其固定,现在只剩下温度和含水率这两个因素影响着 棉浆粕的复介电常数。从图.可以看出,对于某个固定频率来说,温度和含 水率对被测物的复介电常数的影响遵循着类似的规律,都是其值上升导致复介电 常数上升。我们的测量工作便是基于以上原理而进行的。第二章水分检测机理与介电测量技术 .实时在线检测 本文的研究目的就是要寻找一个能够实时在线检测棉浆粕含水率的检测系 统。上述的介电测量技术主要是利用电容式传感器来测量被测物质的介电性能 的。对本文来说,被测物是棉浆粕,介电性能包括复介电常数的实部和虚部,而 待测的物理特性是棉浆粕的含水率。 由于电容式传感器的特点是响应迅速,这就为我们实现实时检测提供思路。 另外电容式传感器可以直接工作在棉浆粕的生产线上,这便实现 了棉浆粕含水率 的在线检测。基于以上考虑,我们将采用电容式传感器作为我们研究的棉浆粕含 水率检测系统的核心传感器。又考虑到平行极板的简便性和稳定性,本研究采用 平行极板电容传感器来测量棉浆粕的复介电常数。但事实上我们的检测系统的输 出值不是复介电常数,而是包含有复介电常数信息的电压信号,根据电压信号即 可判断复介电常数的大小,换句话说,电压信号反映了我们要测量的含水率信息。 这就说明了本检测系统的输入输出特性是:含水率一电压值,其逆模型是电压值一 含水率,即只要测出电压值,就能得到相应的含水率。 .本章小结 本章主要介绍了与棉浆粕含水率测量的理论机理,核心方法是介电测量技 术。首先阐明了与介电测量技术相关的一些基本概念,包括电介质的极化机制、 极化类型。极化类型通常有四种:电子极化、离子极化、偶极极化以及界面极化。 介质损耗包括弛豫损耗、谐振损耗和电导损耗。然后本章从充满 电介质的电容器 模型出发,利用传导电流和位移电流的关系推导出复介电常数的概念。并阐述了 介电弛豫过程及德邦方程,利用德邦方程可以描述大多数的介电弛豫类型。再往 后我们总结了影响复介电常数的因素,通常包括驱动电压强度、电介质的含水率 情况、环境温度以及电场频率。棉浆粕的介电特性严重受到其含水率的影响,因 为水的介电常数远远高出棉浆粕,故水分主导着棉浆粕的介电特性。 最后我们简单地阐述了介电测量技术的概念,即是建立待测物理量与物质的 介电性能之间的关系,通过测量介电性能以达到测量待测物理量的目的。并就现 在比较成熟的介电谱法进行阐述,总结了前人在介电谱方面取得的研究成果,许 多有用的结论是值得我们借鉴的。第三章 电容传感器设计 第三章 电容传感器设计 . 平行板电容传感器及其等效模型 最简单的电容传感器是用两块大小相同,相隔很近且平行的导电极板组成的 电容器。容易求得其电容为 . “ 式中为极板面积,为极板间距。上式是极板间为真空时的电容,真空介电常 /是一个常量。故真空中电容器的电容只由其几何尺 数‰.’ 寸决定。 如果电容极板之间充满了相对介电常数为,的介电质,则电容传感器的电容 要增加占,倍,即为 :掣粤 口 口 可以看出,有介电质时与真空时情况有所不同,电容器的电容与介电常数 成正比。利用这个性质,可以制作一种变介质型电容传感器,用于测量电介质的 介电常数。本文所用的电容传感器实际上就是这种传感器。 上面讨论的电容传感器都是理想状态下的电容器,实际中的情况 要复杂得 多。根据第二章的讨论,任何电介质的介电常数只有在外电场频率为零,亦即静 电场的情况下才是一个真正的常数,若频率不为零,则介电常数以复介电常数的 形式依赖于外电场频率。频率不同,复介电常数的实部和虚部都会变化。故变介 质型电容传感器在使用过程中,不能简单地使用.式,应该考虑到复介电 常数的实部和虚部。 甲 图.电容器的等效模型 实际上,复介电常数的实部代表了介电质存储能量的能力,这很显然可以用 式.来表示,也就是说实部对应了理想状态下的电容,而复介电常数的第三章电容传感器设计 虚部代表了介电质极化过程中的能量损耗,可用电阻来模拟。在电子技术上, 充满电介质的电容传感器可用图.所示的串联等效电路或者并联等效电路来 表示?刳。由式.可得并联等效电路的参数如下 ??’ 如‖棚赢 在图.中,并联等效电路参数和串联等效电路参数存在以下的依赖关系踟 . 缈尺, . ? ? 图.中的两种等效电路描述了两类不同的能量损耗机制。并联等效电路表 征了电介质的漏电流产生的损耗,电介质的微弱导电作用可用一个并联的纯电阻 来模拟。串联等效电路则描述了电介质反复被交流电压极化而导致的能量损耗, 就像极化过程中存在某种摩擦力。利用式.,式.和式.可以得 出两种等效电路中占’和占”与频率国的关系,如图.所示。一般来说,当频率 不是很高时,电介质的弱导电性产生的漏电流是损耗中的主要部分,使用并联电 路模型等效更合适,而高频时使用串联电路模型等效更合适。串联等效电路中占’ 和”与频率的关系是典型的弛豫型关系。如果在更一般的情况下, 那么两种损 耗机制都会存在,这时可用更复杂的串并联电路模型来描述。并联电路 占’ 二. ??? 占一‘‘....... 一 缈 图. ’和”与频率功的关系 在实际应用中,还要考虑到环境温度以及传输线的影响。低频时依然可用并 联等效电路模拟。但是高频时,例如几十兆赫兹时,并联电阻小到可以忽略,而 电流的集肤效应会增加传输线的电阻,相当于在电容传感器上串联一个电阻,所 以必须考虑传输线的电阻和电感,这时电容传感器的等效电路如图.所示。图 中的为电容传感器本身和传输线的电感之和,包括传极板电阻、输线电阻第三章 电容传感器设计 以及支架电阻。这个等效电路模型的谐振频率大概为几十兆赫兹,电源频率必须 低于电路谐振频率,传感器才能正常工作。 图. 电容传感器高频等效电路 由图.可得 . ?乓:,础? ?’ 式中,为传感器的等效电容。 由于电容传感器的电容值通常很小,外加电场频率即使高达几兆 赫兹,其容 抗仍然很大,很小可忽略不计,因此?二二? 于是电容传感器的灵敏度是 慨, 屯告掣南 由式.可知,当电容传感器的外加电源频率较高时,其灵敏度从砖 变 成乞。屯与传感器及传输线的混合电感有关,且随频率变化而变。 . 电容传感器优缺点及需注意的问题 .. 电容传感器的优缺点 电容传感器的主要优点口引: 结构非常简单,适应能力强。能够承受压力、冲击、过载等情况,还 能承受巨大的温度变化。 灵敏度高,且极板间的电磁吸引力很微弱,这保证了其具有较高的测 量精度。 温度稳定好。一般来说,电容传感器的电容值与其电极材料无关,这 可让设计自由选择温度系数低的材料,并且极板本身不怎么发热,稳定性非常好。第三章 电容传感器设计 动态响应好。其可动部分的质量可做得很轻,故其固有频率很高,动 态响应时间很短,所以很适用于动态测量口。 可非接触式测量,具有平均效应,可减小电容极板的局部性缺陷带来 的影响。 电容传感器的主要缺点: 其输出阻抗很高,带负载能力较差。受几何尺寸的限制,电容传感器 的电容值一般从几十皮法到几百皮法,故传感器的输出阻抗很高,负载能力较差。 这是传感器容易收到外界干扰的影响而发生不稳定,甚至会无法 工作。所以良好 的屏蔽 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 是必须的。 寄生电容大。电容传感器的电容值很小,而电子线路的杂散电容、传 感器极板与周边导体耦合产生的寄生电容以及传输线的寄生电容很大,甚至超过 传感器电容值。这大大降低传感器灵敏度,严重的是这些电容通常是变化不定的, 可能使仪器工作不稳定。 .. 电容传感器的设计要点和注意事项: 在确定结构尺寸时,要尽可能提高传感器的电容值,主要是出于以下 考虑:提高传感器的灵敏度;降低传感器的输出阻抗,从而减轻对测量电路和绝 缘的要求。所以电容极板的间接应该尽可能减小。 电容极板的固定是一个很关键的因素。因为极板间距对电容值很敏感, 所以极板固定装置要尽可能稳定,其温度系数要尽可能小,而且刚性要足,以减 小传感器零点漂移。 在既定电容值下,传感器输出阻抗会因频率的提高而降低,故电 压信 号的频率不应低于~,实际中大部分电路的信号频率为~。 电容传感器的电容值一般很小,一般在以下,而连接传感器的 屏蔽电缆寄生电容一般为一/。当使用较长的屏蔽电缆时,其寄生 电容 将会并联到电容传感器上,这将降低传感器灵敏度。所以电缆