CN108693240A - 湿度检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及湿度检测领域，公开了一种湿度检测装置。该湿度检测装置包括壳体，固定在壳体内的湿度检测组件和气流驱动组件。其中，壳体的侧壁上设置有至少一个进风孔，至少一个进风孔与湿度检测组件相连通形成气流通道，湿度检测组件在气流驱动组件产生的气流的作用下输出电信号。本发明的湿度检测装置结构简单，安装操作方便，能够快速响应周围环境湿度的变化并有效地提高湿度检测的速度及准确度，有利于广泛推广和使用。
Description
技术领域
本发明涉及湿度检测领域，具体涉及一种湿度检测装置。
背景技术
湿度是表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下，在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。随着现代化的发展，对环境的湿度这一参数进行测量的需求已遍布于各个领域，例如工农业生产、气象、国防、环保、科研、航天等领域。然而，对于众多的环境参数来说，湿度这一参数相比于其他环境参数来说是最难准确测量的。
现有的用于对环境的湿度进行测量的装置通常结构较为复杂，其生产制作及维护成本均较高，并且现有的用于对环境的湿度进行测量的装置对湿度变化的响应也较慢，因此在很大程度上限制了测量的速度以及准确度。
针对现有技术的不足之处，本领域的技术人员希望寻求一种能够快速响应周围环境湿度的变化的湿度检测装置，以提高湿度检测的速度及准确度。
发明内容
为了寻求一种能够快速响应周围环境湿度的变化的湿度检测装置，以提高湿度检测的速度及准确度，本发明提出了一种湿度检测装置。
根据本发明的湿度检测装置，包括：壳体，固定在壳体内的湿度检测组件和气流驱动组件。其中，壳体的侧壁上设置有至少一个进风孔，至少一个进风孔与湿度检测组件相连通形成气流通道，湿度检测组件在气流驱动组件产生的气流的作用下输出电信号。
进一步地，湿度检测组件包括外壳、第一摩擦层、振膜层和第二摩擦层，其中，外壳设置有轴向通孔，轴向通孔形成气流子通道，第一摩擦层与气流子通道的顶壁固定连接，第二摩擦层与气流子通道的底壁固定连接，振膜层通过支撑部件固定在第一摩擦层与第二摩擦层之间。
进一步地，第一摩擦层包括第一电极层，第二摩擦层包括第二电极层，其中，振膜层与第一电极层和第二电极层相对的表面分别构成摩擦界面，并且构成摩擦界面的两个表面的至少一个表面上设置有凸起阵列结构，第一电极层和第二电极层构成湿度检测装置的信号输出端。
进一步地，第一摩擦层包括第一电极层和第一高分子聚合物层，第二摩擦层包括第二电极层和第二高分子聚合物层，其中，振膜层与第一高分子聚合物层和第二高分子聚合物层相对的表面分别构成摩擦界面，并且构成摩擦界面的两个表面的至少一个表面上设置有凸起阵列结构，第一电极层和第二电极层构成湿度检测装置的信号输出端。
进一步地，支撑部件为环形框架，振膜层的两端分别固定在环形框架的与气流方向垂直的两端，气流子通道的内壁上形成有用于固定环形框架的卡槽。
进一步地，振膜层为高极性薄膜材料，其厚度为2.0～50um。
进一步地，壳体呈筒状，湿度检测组件与气流驱动组件同轴固定于壳体内。
进一步地，气流驱动组件包括驱动装置和连接在驱动装置的驱动轴上的叶轮。
进一步地，至少一个进风孔呈规则的阵列式排布。
进一步地，至少一个进风孔设置于壳体的介于驱动装置和叶轮之间的区域。
进一步地，气流子通道的进气口朝向气流子通道的内部形成有斜面，以降低气体流入气流子通道的阻力。
本发明通过设置至少一个进风孔与湿度检测组件相连通形成气流通道，以及用以提供稳定气流的气流驱动组件，使得湿度检测组件在稳定的气流的作用下输出电信号，气体湿度越大，产生电荷越困难，该湿度检测组件输出的电信号越小；湿度越低，产生电荷越容易，该湿度检测组件输出的电信号越大，通过将湿度检测组件所输出的电信号大小转换为相应的湿度，即可实现对气体的湿度的测量。本发明的湿度检测组件能够实时感测并输出相应的电信号，即能够快速响应气流中的湿度变化，从而可实现对湿度检测的快速响应和准确测量，以利于提高湿度检测装置的测量速度及准确度。此外，气流驱动组件能够将外部气体持续稳定地引入壳体使得进入湿度检测组件内的气流更稳定，即能够提供更稳定的气流来驱动湿度检测组件的工作，从而可进一步提高湿度检测的速度及准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
图1为根据本发明的湿度检测装置的结构示意图；
图2为根据本发明的湿度检测装置的结构的爆炸图；
图3为根据本发明的湿度检测装置的结构的剖视图；
图4为图2所示的湿度检测组件的结构的爆炸图；
图5为图2所示的湿度检测组件的结构的剖视图；
图6为应用本发明的湿度检测装置对其所在环境的湿度进行检测时所实时产生的电压与相对湿度的关系图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
图1-3示出了根据本发明的湿度检测装置100的结构示意图。结合图1至图3所示，该湿度检测装置100包括：壳体1，固定在壳体1内的湿度检测组件2和气流驱动组件3。其中，壳体1的侧壁上设置有至少一个进风孔11，至少一个进风孔11与湿度检测组件2相连通形成气流通道A(如图3所示)，湿度检测组件2在气流驱动组件3产生的气流的作用下输出电信号。
本发明的湿度检测装置100在使用时，可首先将湿度检测装置100置于要检测的环境中，然后启动气流驱动组件3工作，气流驱动组件3工作时可提供恒定的转速，从而能够将壳体1外部的气体通过进风孔11稳定地引入壳体1内部，进入壳体1内部的气体沿着气流通道A流动并作用于湿度检测组件2，湿度检测组件2在气流的作用下可输出电信号，通过将湿度检测组件2所输出的电信号转换为相对应的湿度，即可实现气体的湿度的测量。
本发明通过设置至少一个进风孔11与湿度检测组件2相连通形成气流通道A，并通过气流驱动组件3提供稳定的气流，使得湿度检测组件2在稳定的气流的作用下输出电信号，气体湿度越大，则产生电荷越困难，该湿度检测组件2输出的电信号越小；湿度越低，则产生电荷越容易，该湿度检测组件2输出的电信号越大，通过将湿度检测组件2所输出的电信号转换为相应的湿度，即可实现对气体湿度的测量。本发明的湿度检测组件2能够实时感测湿度并输出相应的电信号，即能够快速响应气流中的湿度变化，从而可实现对湿度检测的快速响应和准确测量，以利于提高湿度检测装置100的测量速度及准确度。此外，气流驱动组件3能够将气流持续稳定地引入壳体1使得进入湿度检测组件2内的气流更稳定，即能够提供更稳定的气流来驱动湿度检测组件2的工作，从而可进一步提高湿度检测的速度及准确度。
根据本发明，结合图4和图5所示，湿度检测组件2包括外壳21、第一摩擦层221、振膜层224和第二摩擦层222。其中，外壳21设置有轴向通孔，轴向通孔形成气流子通道B，第一摩擦层221与气流子通道B的顶壁固定连接，第二摩擦层222与气流子通道B的底壁固定连接，振膜层224通过支撑部件223固定在第一摩擦层221与第二摩擦层222之间。第一摩擦层221和第二摩擦层222可通过嵌入、胶合等方式固定于气流子通道B内，本领域技术人员也可根据需要对固定方式进行选择，此处不作具体限定。
通过该设置，当外部环境的气流进入湿度检测组件2时，即进入气流子通道B时，振膜层224在气流的作用下上下高频振动，在振膜层224振动的过程中会与第一摩擦层221和第二摩擦层222发生周期性的接触摩擦和分离，从而在第一摩擦层221和第二摩擦层222上产生电荷，以输出电信号。在相同的振动条件下，当气流的湿度发生变化时，湿度检测组件2输出的电信号随之变化，即，随着气体湿度增大，振膜层224与第一摩擦层221和第二摩擦层222摩擦产生的电荷量减小，则湿度检测组件2输出的电压减小，通过将输出的电压信号转换成气体的对应湿度，即可实现对外部环境气体湿度的测量。
值得注意的是，当湿度检测组件2处于非工作状态时，即无气流作用于湿度检测组件2时，振膜层224与第一摩擦层221之间、振膜层224与第二摩擦层222之间均保持一定的距离。优选地，振膜层224与第一摩擦层221之间、振膜层224与第二摩擦层222之间的距离相等。通过该设置，在气流驱动组件3持续提供稳定的气流的情况下，振膜层224可在第一摩擦层221与第二摩擦层222之间平稳地发生周期性的往复运动，因此可确保更稳定的电信号输出。
根据本发明，振膜层224可优选采用高极性薄膜材料制成，如聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)等，其厚度优选为2.0～50um，其中，高极性薄膜材料是指通过接触摩擦容易失电子或得电子而显电性的薄膜材料；第一摩擦层221和第二摩擦层222可选用具有导电性的材料制成，该具有导电性的材料可以是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金等。第一摩擦层221和第二摩擦层222也可选用高分子复合膜材料制成，如镀铝PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)等。值得注意的是，振膜层224的材料与第一摩擦层221和第二摩擦层222的材料电荷极性差异越大越好。
在一个优选地实施方式中，如图5所示，第一摩擦层221包括第一电极层，第二摩擦层222包括第二电极层。其中，振膜层224与第一电极层和第二电极层相对的表面分别构成摩擦界面，并且构成摩擦界面的两个表面的至少一个表面上设置有凸起阵列结构27，第一电极层和第二电极层构成湿度检测装置100的信号输出端。此时，第一电极层和第二电极层可由上述具有导电性的材料制成，振膜层224可直接与第一电极层和第二电极层发生摩擦，第一电极层和第二电极层同时作为电信号的输出端，即湿度检测装置100的信号输出端。而凸起阵列结构27的设置一方面用于增加摩擦界面的接触面积，另一方面可使得两个摩擦界面快速分离，以提高湿度检测组件2检测的灵敏度和准确度。
进一步地，凸起阵列结构27可以为多个凸点按照矩形或菱形排列构成，或者为多个带状结构按照几何排列设置在至少一个表面的两侧、四角、四周边缘或整个表面上。其中，凸点形状可以为圆柱形、四棱柱形或四棱锥形等，此处不作限定；带状结构可以按照井字、叉字、斑马线型、十字或口字的形状阵列排列，此处不作限定。
在另一个优选的实施方式中，第一摩擦层221可包括第一电极层和第一高分子聚合物层，第二摩擦层222可包括第二电极层和第二高分子聚合物层。其中，振膜层224与第一高分子聚合物层和第二高分子聚合物层相对的表面分别构成摩擦界面，并且构成摩擦界面的两个表面的至少一个表面上设置有凸起阵列结构27，第一电极层和第二电极层构成湿度检测装置100的信号输出端。
在该实施方式中，第一电极层与第二电极层的材料、凸起阵列结构27的设置可以与上一个实施方式相同，而第一聚合物绝缘层可以由聚二甲基硅氧烷薄膜、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜中的一种或多种形成。第二聚合物绝缘层可以由PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)形成。
根据本发明，振膜层224可通过支撑部件223固定在第一摩擦层221与第二摩擦层222之间。如图3所示，该支撑部件223为环形框架，振膜层224的两端分别固定在环形框架的与气流方向垂直的两端，气流子通道B的内壁上形成有用于固定环形框架的卡槽24。通过卡槽24与环形框架的配合可将振膜层224固定在第一摩擦层221与第二摩擦层222之间，该固定方式简单有效，在确保振膜层224在高速的气流的作用下能够稳定地上下运动的同时，可充分保证湿度检测组件2整体结构的稳定性。值得注意的是，在湿度检测组件2未工作的状态下，振膜层224与环形框架连接后处于同一平面；在气流的作用下，振膜层224可上下往复运动以与第一摩擦层221和第二摩擦层222接触摩擦。此外，为了进一步提高振膜层224与第一摩擦层221和第二摩擦层222的摩擦效果，振膜层的长度可以大于环形框架两个固定端之间的距离，使得振膜层224具有一定的弧度，在工作时更容易与第一摩擦层221和第二摩擦层222接触摩擦。
如图1至图3所示，在一个优选的实施方式中，壳体1可形成为筒状，湿度检测组件2与气流驱动组件3同轴固定于壳体1内。具体地，气流驱动组件3包括驱动装置31和连接在驱动装置31的驱动轴311上的叶轮32。优选地，驱动装置31可以为微型马达，该微型马达以固定的转速转动，从而带动叶轮32旋转以将外部气体经进风孔11引入壳体1内并沿着气流通道A流过湿度检测组件2。进一步优选地，湿度检测组件2的外壳21也呈筒状，以便于其更好地适配并固定在壳体1内。湿度检测组件2和气流驱动组件3可采用卡扣等结构固定在壳体1内，本领域技术人员可根据需要进行选择，此处不作具体限定。优选地，为了防止湿度检测组件2和气流驱动组件3与壳体1装配后存在间隙导致气流损失，可在外壳21和驱动装置31的刚性表面设置由弹性材料制作的环形垫圈或密封涂层，以使湿度检测组件2和和气流驱动组件3与壳体1紧密配合。进一步地，为了进一步提高湿度检测装置100的密封效果，湿度检测组件2和气流驱动组件3与壳体1装配后，壳体1两端可留有一定的余量，并在壳体1两端分别设置可拆卸的端盖，在靠近湿度检测组件2的一端的端盖上可设置至少一个出风孔，以便于气体流出。
优选地，如图2所示，为了进一步提高进入流过湿度检测组件2的气流的稳定性，可将至少一个进风孔11设置于壳体1的介于驱动装置31和叶轮32之间的区域。
在如图3所示的实施方式中，气流子通道B的进气口25朝向气流子通道B的内部形成有斜面23，该斜面23的设置能够降低气体流入气流子通道B中的阻力，从而使得气流能够尽可能多且更快速平稳地进入湿度检测组件2中。
根据本发明，如图3所示，至少一个进风孔11可呈规则的阵列式排布。当进风孔11的数量为一个时，可设置在壳体1的介于驱动装置31和叶轮32之间的侧壁上；当进风孔11的数量为多个时，可均匀设置在壳体1的介于驱动装置31和叶轮32之间的侧壁上，例如，多个相同尺寸的进风孔11可以均匀设置在壳体1的外周壁的同一横截圆上，也可设置在不同的横截圆上，以使沿各个方向进入壳体1内的气流更均匀更平稳。本领域技术人员可根据实际需要确定进风孔11的数量、形状和具体排布形式，此处不作具体限定。进一步地，为了防止测试环境中气流所含有的尘埃等在湿度检测装置100内的堆积，可在进风孔11、气流子通道B的出口端以及壳体1的靠近湿度检测组件2的端盖的出风孔处设置过滤层，以吸附气体中的尘埃等颗粒状物质。
下面给出根据本发明的湿度检测装置100的一个具体实施例的说明。
湿度检测装置100的湿度检测组件2的第一摩擦层221和第二摩擦层222的材料均选择为铝；振膜层224的材料选择为PVDF，其长度为5.5mm，宽度为1.0mm，厚度为10um；气流驱动组件3驱动外部空气进入气流子通道B中的气体流速为2.5L/min。
图6示出了应用该湿度检测装置100对其所在环境的空气湿度进行检测时所实时产生的电压与相对湿度的关系图。其中，曲线a和曲线b分别代表相应湿度下该湿度检测装置100所输出的正电压和负电压的变化趋势。由图6可看出，随着相对湿度的增大，湿度检测装置100的输出电压的幅值呈降低的趋势，因此通过对相应的输出电压进行计算转换即可得到对应的湿度，这就充分地验证了本发明的湿度检测装置100能够实时感测并快速准确地响应湿度的变化。
本发明的湿度检测装置100结构简单，安装操作方便，能够快速响应周围环境湿度的变化并有效地提高湿度检测的速度及准确度，有利于广泛推广和使用，其尤其适用于气候监测领域和科研实验领域。
需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个以上，除非另有明确具体的限定。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (11)
1.一种湿度检测装置，其特征在于，包括：壳体，固定在所述壳体内的湿度检测组件和气流驱动组件，其中，
所述壳体的侧壁上设置有至少一个进风孔，所述至少一个进风孔与所述湿度检测组件相连通形成气流通道；
所述湿度检测组件在所述气流驱动组件产生的气流的作用下输出电信号。
2.根据权利要求1所述的湿度检测装置，其特征在于，所述湿度检测组件包括外壳、第一摩擦层、振膜层和第二摩擦层，其中，
所述外壳设置有轴向通孔，所述轴向通孔形成气流子通道，所述第一摩擦层与所述气流子通道的顶壁固定连接，所述第二摩擦层与所述气流子通道的底壁固定连接，所述振膜层通过支撑部件固定在所述第一摩擦层与所述第二摩擦层之间。
3.根据权利要求2所述的湿度检测装置，其特征在于，所述第一摩擦层包括第一电极层，所述第二摩擦层包括第二电极层，其中，所述振膜层与所述第一电极层和第二电极层相对的表面分别构成摩擦界面，并且构成摩擦界面的两个表面的至少一个表面上设置有凸起阵列结构，所述第一电极层和第二电极层构成所述湿度检测装置的信号输出端。
4.根据权利要求2所述的湿度检测装置，其特征在于，所述第一摩擦层包括第一电极层和第一高分子聚合物层，所述第二摩擦层包括第二电极层和第二高分子聚合物层，其中，所述振膜层与第一高分子聚合物层和第二高分子聚合物层相对的表面分别构成摩擦界面，并且构成摩擦界面的两个表面的至少一个表面上设置有凸起阵列结构，所述第一电极层和第二电极层构成所述湿度检测装置的信号输出端。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的湿度检测装置，其特征在于，所述支撑部件为环形框架，所述振膜层的两端分别固定在所述环形框架的与气流方向垂直的两端，所述气流子通道的内壁上形成有用于固定所述环形框架的卡槽。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的湿度检测装置，其特征在于，所述振膜层为高极性薄膜材料，其厚度为2.0～50um。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的湿度检测装置，其特征在于，所述壳体呈筒状，所述湿度检测组件与所述气流驱动组件同轴固定于所述壳体内。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的湿度检测装置，其特征在于，所述气流驱动组件包括驱动装置和连接在所述驱动装置的驱动轴上的叶轮。
9.根据权利要求8所述的湿度检测装置，其特征在于，所述至少一个进风孔呈规则的阵列式排布。
10.根据权利要求9所述的湿度检测装置，其特征在于，所述至少一个进风孔设置于所述壳体的介于所述驱动装置和所述叶轮之间的区域。
11.根据权利要求2至4中任一项所述的湿度检测装置，其特征在于，所述气流子通道的进气口朝向所述气流子通道的内部形成有斜面，以降低气体流入所述气流子通道的阻力。
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