LT6457B - Akustinis drėgmės matavimo būdas ir drėgmės jutiklis - Google Patents

Abstract

Pasiūlymai yra iš elektronikos srities, o būtent iš drėgmės matavimo bei detekcijos būdų ir juos realizuojančių įtaisų sričių, ir gali būti vartojami aplinkos drėgmės matavimui bei indikacijai – detekcijai, pavyzdžiui, automobilių salonuose komfortui užtikrinti, pramoninėse patalpose bei buityje ventiliacijos automatikos srityje, šilumos ūkyje, medienos apdirbimo pramonėje, maisto ir biotechnologijų pramonėje, medicinoje paciento sveikatos stebėjimui, žmonių patiriančių didelius fizinius krūvius sveikatos būklei nustatyti, ir t. t. Pasiūlytame būde matuojamas paviršinės akustinės bangos (PAB) amplitudės Uo, dažnio fo ir fazės ?o kitimas laike t, įtakoti aplinkos drėgmės, o būdą realizuojančiame jutiklyje drėgmei jautrusis elementas yra porfirino plėvelė. Palyginus su analogais pasiūlytas drėgmės matavimo būdas ir jį realizuojantis drėgmės jutiklis pasižymi labai trumpa atsako trukmė ?t ? 0,1 s, ir atsako signalas neturi histerezės, o tai sąlygoja tikslesnius drėgmės momentinių verčių ir jų pokyčių laike matavimus.

Description

Pasiūlymas yra iš elektronikos srities, o būtent iš drėgmės matavimo bei detekcijos būdų ir juos realizuojančių įtaisų sričių, ir gali būti vartojami aplinkos drėgmės matavimui bei indikacijai - detekcijai, pavyzdžiui, automobilių salonuose komfortui užtikrinti, pramoninėse patalpose bei buityje ventiliacijos automatikos srityje, šilumos ūkyje, medienos apdirbimo pramonėje, maisto ir biotechnologijų pramonėje, medicinoje paciento sveikatos stebėjimui, žmonių patiriančių didelius fizinius krūvius sveikatos būklei nustatyti, ir 1.1.

Drėgmės matavimui bei detekcijai naudojami įvairūs būdai bei juos realizuojantys įtaisai, veikiantys fizikiniais reiškiniais, jautriais drėgmės momentiniai vertei ir jos kitimui laike. Drėgmės matavimo būdo analogas veikia paviršinio laidumo matavimo principu, kuriame puslaidininkinės plėvelės paviršiuje, jautriame drėgmės poveikiui, sudaro paviršinių kontaktų grandinę ir joje matuoja srovės stiprį, keisdami analoginę vertę j skaitmeninį kodą, o gautą skaitmeninę informaciją apdoroja mikrokontroleriu (patentas - US 2010/0175699 A1). Šiuo būdu veikiančių jutikliu trūkumas yra didelė atsako trukmė ir atsako signalo histerezė, bei jų konstrukcija yra sudėtinga.

Drėgmės matavimo analogo būde jutiklis veikia paviršinio laidumo matavimo principu ir jis sudarytas iš inertinio substrato medžiagos sluoksnio, ant kurio pagrindinio paviršiaus padaryti elektrodai, sudarantys dvi poras darbo ir skaitiklio elektrodų, kurie turi atitinkamas matmenų proporcijas, o skaitiklio elektrodai sujungti su informacijos apdorojimo mikrokontroleriu (patentas - US 2010/0175699 A1).

Kitas - artimiausias jutiklio analogas veikia paviršinių akustinių bangų (PAB) pagrindu ir jis sudarytas iš PAB bangolaidžio sluoksnio, pavyzdžiui, ZnO plono sluoksnio ant padėklo, pavyzdžiui, S13N4, o ant ZnO sluoksnio paviršiaus priešinguose kraštuose sudaryti PAB žadinantis ir detektuojantis metaliniai elektrodai, kurie padaryti „šukų“ pavidalu ir tarp šių elektrodų ant ZnO sluoksnio paviršiaus patalpintas drėgmei jautrus sluoksnis - puslaidininkinis metalo oksidas, pavyzdžiui, alavo arba cinko oksidas, kurių masė priklauso nuo drėgmės koncentracijos ir yra matuojamas PAB dažnio pokytis (patentas - US 2010/0058857 A1). Tokių drėgmės jutikliu trūkumas yra didelė atsako trukmė ir atsako signalo histerezė.

Analogo trūkumams pašalinti drėgmės matavimo būde, kuriame jautrų drėgmei jutiklj patalpina matuojamoje aplinkoje ir skaitmenine matavimo įranga, sujungta su jutiklio kontaktų grandine, matuoja jutiklio elektrinio laidumo parametrus, kitaip sudaro matuojamuosius elektrinius parametrus, o būtent, jautrų drėgmei jutiklj patalpina ant PAB bangolaidžio sluoksnio - ličio niobato (LiNbOs), kurio paviršiuje sužadina PAB ir matuoja PAB sklidimo parametrų: dažnio ( f )-periodo(T), amplitudės (U_o) ir fazės (φ) pokyčių atitinkamai Δ/-ΔΤ, Δ(7₀ ir Δ^ kitimą laike, ir iš ΔΛΔΓ ir Δφ nustato drėgmės kitimo dažnį /įir, pavyzdžiui, žmogaus ar gyvūno kvėpavimo dažnį fkv, ir drėgmės stiprį - vandens garų kiekį - masę mH2o tūrio vienete Δ1Ζ, o iš U_o ir Δί/₀ nustato momentinę drėgmę ir jos kitimo stiprį, pavyzdžiui, kvėpavimo gylį įkvėpimo ir iškvėpimo metu.

Analogo trūkumams pašalinti drėgmės matavimo jutiklyje, kuris sudarytas iš PAB bangolaidžio sluoksnio, kuris sumontuotas - užneštas ant izoliacinio padėklo, o ant bangolaidžio sluoksnio paviršiaus priešinguose kraštuose sudaryti PAB žadinantis ir detektuojantis metaliniai elektrodai, kurie padaryti „šukų“ pavidalu ir tarp šių elektrodų ant bangolaidžio sluoksnio paviršiaus patalpintas drėgmei jautrus sluoksnis, PAB žadinantis elektrodai sujungti su harmoninių virpesių generatoriumi, o detektuojantis elektrodai - su matavimo įranga, kuri turi sinchronizacijos ryšį su generatoriumi, kitaip padarytas drėgmei jautrus sluoksnis, o būtent iš porfirino plėvelės.

Fig. 1 parodyta drėgmės jutiklio konstrukcija - planarinis kontaktų išdėstymo vaizdas (a) ir pjūvio vaizdas (b). Fig. 2 parodyta drėgmei jautrus sluoksnio - porfirino fragmentas. Fig. 3 parodytas PAB signalo amplitudės U_o (f) ir fazės φ (f) atsakas laike t į staigų drėgmės pokytį. Fig. 4 parodytas kvėpavimo įtakotas PAB amplitudės kitimas laike t. Fig. 1 skaičiais pažymėta: 1 - PAB bangolaidžio sluoksnis - ličio niobatas (LiNbO₃); 2 - izoliacinis padėklas - S13N4; 3 - drėgmei jautrus sluoksnis porfirino plėvelė; 4 ir 5 - PAB žadinantis „šukų“ pavidalo metaliniai elektrodai; 6 ir 7 — PAB detektuojantis „šukų“ pavidalo metaliniai elektrodai; 8- harmoninių virpesių generatorius; 9 - PAB elektrinių parametrų matavimo įranga - grandinių analizatorius; 10- sinchronizacijos ryšio grandinė tarp matavimo įrangos 9 ir generatoriaus 8.

Drėgmės jutiklis (Fig. 1) sudarytas iš PAB bangolaidžio sluoksnio 1, pavyzdžiui, ličio niobato (LiNbOs), kuris sumontuotas- užneštas ant izoliacinio padėklo 2, pavyzdžiui, S13N4. Ant bangolaidžio sluoksnio 1 paviršiaus priešinguose kraštuose sudaryti PAB žadinantis (4-5) ir detektuojantis (6-7) metaliniai elektrodai 43

7, kurie padaryti „šukų“ pavidalu ir tarp šių elektrodų 4-5 ir 6-7 ant bangolaidžio sluoksnio 1 paviršiaus patalpintas drėgmei jautrus sluoksnis 3- porfirino plėvelė. PAB žadinantis elektrodai 4-5 sujungti su harmoninių virpesių generatoriumi 8, o detektuojantis elektrodai 6-7 - su matavimo įranga 9, pavyzdžiui, grandinių analizatoriumi, kuris turi sinchronizacijos ryši 10 su generatoriumi 9.

Drėgmės jutiklis (Fig. 1) veikia tokiu būdu.

Įjungia grandinių analizatorių 9 ir generatorių 8. Grandinių analizatorius 9 per ryšio liniją 10 pasiunčia elektrinį paleidimo video impulsą ir generatorius 8 generuoja užduotos trukmės M radijo impulsą su pastovia užpildos virpesių amplitude U_o, dažniu f₀ ir pradine faze φ₀. Šie virpesiai iš generatoriaus 8 patenka į PAB žadinančius elektrodus 4-5 ir sužadinta PAB bangolaidžio sluoksniu 1 sklinda link detektuojančių elektrodų 6-7. Čia PAB pakeičiama į atitinkamus elektrinius virpesius, kurie patenka į grandinių analizatorių 9. Tarp elektrodų 4-5 ir 6-7 patalpintas drėgmei jautrus sluoksnis 3- porfirino plėvelė savo savybėmis įtakoja sklindančios PAB elektrinius parametrus: U_o, f₀ ir <p₀, kurių vertės labai stipriai priklauso nuo aplinkos drėgmės - vandens garų kiekio - masės tūrio vienete. Ši porfirino plėvelės 3 savybė sąlygota dideliu sąveikos paviršiumi, kuris, savo ruožtu, sąlygotas dideliu paviršiaus porėtumu (Fig. 2). Fig. 3 parodytas PAB amplitudės U_Q(t) ir fazės <p(f) kitimas laike t, kai yra sukeliamas staigus drėgmės pokytis jutiklio aplinkoje. Iš Fig. 3 matome, kad jutiklio atsako trukmė Δί_Γ į staigų drėgmės pokytį aplinkoje yra apie 0,1 s. Fig. 4 parodyta kvėpavimo sukeltas PAB amplitudės U_o (f) kitimas laike t. Iš čia matome, kad iškvėpimo metu stebimas staigus PAB amplitudės U_o sumažėjimas. Todėl iš PAB amplitudės U_o kitimo laike U_Q (f) galima nustatyti kvėpavimo dažnį f_kv ir stiprumo pobūdį - gylį, t. y. kaip gyliai yra įkvepiama ir iškvepiama. Taigi, grandinių analizatoriumi 9 matuojant PAB parametrus: dažnio ( f)-periodo(T), amplitudės (U_o) ir fazės (φ) pokyčius laike t, atitinkamai Δ/-Δ7, AU₀ ir Δφ, iš gautų Δ/-ΔΓ ir Δφ verčių nustato drėgmės kitimo dažnį f_dr, pavyzdžiui, žmogaus ar gyvūno kvėpavimo dažnį f_kv s fdr, ir drėgmės stiprį - vandens garų kiekį - masę m_H20 tūrio vienete Δ\Ζ, iš U_o ir Δί/₀ nustato momentinę drėgmę ir jos kitimo stiprį, pavyzdžiui, kvėpavimo gylį - kaip gyliai yra įkvepiama ir iškvepiama.

Palyginus su analogais pasiūlytas drėgmės matavimo būdas ir jį realizuojantis drėgmės jutiklis pasižymi labai trumpa atsako trukmė Δί < 0,1 s, ir atsako signalas neturi histerezės, o tai sąlygoja tikslesnius drėgmės momentinių verčių ir jų pokyčių laike matavimus.

Claims (2)

1. IŠRADIMO APIBRĖŽTIS

   1. Akustinis drėgmės matavimo būdas, kuriame jautrų drėgmei jutiklj patalpina matuojamoje aplinkoje ir skaitmenine matavimo įranga, sujungta su jutiklio kontaktų grandine, matuoja jutiklio elektrinio laidumo parametrus, besiskiriant i s tuo, kad jautrų drėgmei jutiklį patalpina ant PAB bangolaidžio sluoksnio - ličio niobato (LiNbOa), kurio paviršiuje sužadina PAB ir matuoja PAB sklidimo parametrų: dažnio ( f )-periodo(T), amplitudės (U_o) ir fazės (φ) pokyčių, atitinkamai Δ/-ΔΤ, Δ(7₀ ir Δφ kitimą laike t, ir iš Δ/-ΔΓ ir Δφ nustato drėgmės kitimo dažnį f_dr, pavyzdžiui, žmogaus ar gyvūno kvėpavimo dažnį /kv = f&, ir drėgmės stiprį - vandens garų kiekį masę m_H2o tūrio vienete AV, o iš U_o ir Δί/₀ nustato momentinę drėgmę ir jos kitimo stiprį, pavyzdžiui, kvėpavimo gylį įkvėpimo ir iškvėpimo metu.
2. 2. Akustinis drėgmės matavimo jutiklis, kuris sudarytas iš PAB bangolaidžio sluoksnio, kuris sumontuotas - užneštas ant izoliacinio padėklo, o ant bangolaidžio sluoksnio paviršiaus priešinguose kraštuose sudaryti PAB žadinantis ir detektuojantis metaliniai elektrodai, kurie padaryti „šukų“ pavidalu ir tarp šių elektrodų ant bangolaidžio sluoksnio paviršiaus patalpintas drėgmei jautrus sluoksnis, PAB žadinantis elektrodai sujungti su harmoninių virpesių generatoriumi, o detektuojantis elektrodai - su matavimo įranga, kuri turi sinchronizacijos ryši su generatoriumi, b e siskiriantis tuo, kad drėgmei jautrus sluoksnis padarytas iš porfirino plėvelės.