一种湿度调节控制及检测装置及湿度检测方法 |
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| 申请号 | CN202210535328.8 | 申请日 | 2022-05-17 | 公开(公告)号 | CN114895722B | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 南京理工大学; | 发明人 | 孙文杰; 陈漪恺; 孔卓冉; 朱时军; 陆健; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种湿度调节控制及检测装置及湿度检测方法。包括湿度调节模 块 、表面等离激元激发及检测模块。所述湿度调节模块除气体出口外其余部分气密性良好，且可以调控自身装置发出气体的湿度，同时利用激发及检测模块监测表面等离激元激发模块中金属表面气体环境；所述表面等离激元激发及检测模块可保证白光透过棱镜并在金属膜表面激发表面等离激元，所反射的白光经过光栅之后成像到CCD上。通过所成图像则可以分析所发出气体湿度的连续变化。本装置既可以对湿度变化进行调节，还可以通过CCD中所成图像的变化完成湿度的监测。此装置提供了一种新型的湿度变化检测方式，经济便携，响应迅速，检测精确。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种湿度调节控制及检测装置的湿度检测方法，所述装置包括壳体、位于所述壳体内的湿度调节模块和表面等离激元激发及检测模块， |
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| 说明书全文 | 一种湿度调节控制及检测装置及湿度检测方法技术领域[0001] 本发明涉及湿度控制及检测领域，尤其涉及一种湿度调节控制及检测装置及湿度检测方法。 背景技术[0002] 湿度一般指大气干燥程度的物理量，基本形式包括水汽压、相对湿度、露点温度三种。其在气象气候、人体健康、物品生产储存等方面具有重要的用途。因此在气象学，生物学，储藏生产等诸多领域都需要对其进行监测甚至合理调控。例如装载于内燃机的吸气通路中用于测量从该吸气通路中通过的吸气的湿度测量装置，该装置的测量结果可用于寻找燃料喷射最佳量和内燃机运转的最佳条件。而在湿度测量过程中，又大多使用干湿球湿度计、电阻式湿度片、露点仪等手段。传统的干球湿度计是根据湿球的通风情况测量湿度，精度高但必须处于通风状态，且其工作温度约在10到40摄氏度，所以在诸如上述需要在高温下实时完成测量的吸气通路等场景难以正常工作。电阻式湿度片是根据检测外界气体的水分浓度发生变化而引起的湿敏电阻阻值变化的一种检测元件，其虽然可在此高温环境下工作，但响应较慢。针对多种工作时间随运行时间而定的长时间测量，其难以保证足够的精度。如果使用露点仪等仪器，利用一个镜面处在样品湿空气中降温，测量湿空气达到饱和时的温度，一般可以保证足够高精度的湿度测量，但一般需要光洁度很高的镜面，精度很高的温控系统，以及灵敏度很高的光学探测系统，其造价较高。具体的问题可以归结为(1)高温气体湿度测量不精确，大多数湿度计可以准确地在温度不高时表示气体的情况以及环境中湿度的变化，但是量程有限，在高温气体的湿度测量中捉襟见肘。(2)长时间工作测量精度下降，由于尘土、油污及有害气体的影响，传统测量设备容易老化，需要额外校准。(3)响应速度较慢，现有湿度计所测数值几乎都存在响应滞后的问题，难以连续实时响应。针对连续变化的湿度环境，不能及时反映出环境中真实的湿度情况。(4)造价较高工艺复杂，对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间，或者需要随时跟踪记录湿度变化的场合，一般采用±2％RH以上精度的湿度传感器，但是集成化、智能化、具备多参数检测的高精度湿度检测设备一般需要额外精密的计量元件，成本高，工艺复杂。此外，在某些工作条件下还需要对湿度进行控制。而现今湿度调控的方法多为高压喷雾方法等，其一般对水质有要求，普通自来水容易结水碱，从而降低机器使用寿命，带来诸多不便。 发明内容[0003] 为了解决上述问题，本发明提供了一种湿度调节控制及检测装置及湿度检测方法。 [0004] 实现上述目的的技术解决方案为： [0005] 一种湿度调节控制及检测装置，包括壳体、位于所述壳体内的湿度调节模块和表面等离激元激发及检测模块， [0006] 所述湿度调节模块包括热干燥气体产生单元、湿气体产生单元、导管以及无底密闭盒，所述热干燥气体产生单元和湿气体产生单元通过导管与无底密闭盒的一端连通，所述无底密闭盒的另一端通过导管穿过壳体与外界连通， [0007] 所述表面等离激元激发及检测模块包括白光光源、沿光路依次设置的小孔、偏振片、前置反射镜、棱镜、金属膜、后置反射镜、前置凸透镜、狭缝、后置凸透镜、光栅、成像透镜以及CCD，所述无底密闭盒的无底面与棱镜上表面紧密贴合，所述金属膜设置于棱镜上表面且位于所述无底密闭盒内， [0008] 所述表面等离激元激发及检测模块能够保证部分白光在金属膜(14)上表面激发表面等离激元，且耦合过的白光反射后穿过光栅色散并成像到CCD上，进而能够通过对CCD上图像分析得到湿度调节模块所出射气体的湿度。 [0009] 进一步地，所述热干燥气体产生单元包括隔热外壳、第一风扇、电热阻丝、第一橡胶套，所述电热阻丝设置于隔热外壳内，所述隔热外壳通过第一橡胶套与导管连通，所述第一风扇设置于隔热外壳底部，所述第一风扇能够将热干燥气体吹至无底密闭盒处。 [0010] 进一步地，所述湿气体产生单元包括隔热水箱、雾化片、第二风扇、第二橡胶套，所述雾化片、第二风扇位于隔热水箱内，所述第二风扇能够将湿气体吹至无底密闭盒处。 [0012] 进一步地，所述第二橡胶套和第一橡胶套能够承受100摄氏度的温度，且在装置向外输出湿度可调气体时，若发生堵塞可膨胀自身储存气体，其膨胀后挤压压敏开关报警器发出报警，保障装置安全；在抽取外界气体进行检测时，可膨胀自身暂时储存气体，并在金属膜上方气体恰全部更换为外界气体时，膨胀至触发压敏开关报警器。 [0013] 进一步地，所述小孔的孔径大小能够调节，从而精确控制入射到金属膜表面白光的区域。 [0014] 进一步地，所述偏振片能够依据棱镜方向改变白光的偏振方向。 [0015] 进一步地，所述金属膜的厚度在35nm至60nm之间。 [0016] 进一步地，所述光栅和CCD分别位于成像透镜的前后焦面上。 [0017] 根据上述的湿度调节控制及检测装置的湿度检测方法，其特征在于，包括以下步骤： [0018] 步骤一：调节第一风扇和电热阻丝对整个系统鼓入干燥热风，将整个系统预热，防止后续湿润气体冷凝； [0019] 步骤二：记录此时CCD拍摄的图片，并将图片导入MATLAB，利用rgb2gray函数将彩色图片转化为灰度图，读取灰度图中对应彩色图片色彩缺失部分像素的值，即为其灰度值，记录为H1，并在出气口用标准湿度计记录现有湿度α％； [0020] 步骤三：利用第二风扇和雾化片鼓入湿润气体，记录此时CCD拍摄图片，并将图片导入MATLAB，利用rgb2gray函数将彩色图片转化为灰度图，读取灰度图中对应彩色图片色彩缺失部分像素的值，即为其灰度值，记录为H2，并用出气口处标准湿度计记录此时湿度β％； [0021] 步骤四：在湿度检测时，关闭雾化片，反转第一风扇和第二风扇吸入外界气体，此时第一橡胶套和第二橡胶套会膨胀储存气体，等到其膨胀到一定大小触碰压敏开关报警器报警后，此时金属膜上方气体已全部换为外界气体，记录此时CCD拍摄的图片，关闭第一风扇和第二风扇，并将图片导入MATLAB，利用rgb2gray函数将彩色图片转化为灰度图，读取灰度图中对应彩色图片色彩缺失部分像素的值，即为其灰度值，记录为H3，外界气体湿度即为： [0022] [0023] 与现有技术相比，本发明的优点包括： [0024] (1)装置可以在高温环境下工作，精确测量高温气体的湿度，并且仪器精度不会受温度的影响。 [0025] (2)装置可以长时间连续工作，工作时长比传统干湿球湿度计要长很多，并且连续长时间工作并不会影响到装置的精度。装置可以实时实现空间中不同位置处的湿度分布测量。 [0026] (3)装置在工作中可以实时的记录对应的湿度，对湿度变化响应迅速，并且可以实现无人值守的湿度检测，使用者只要调取记录的视频文件便可得到过去任意时间湿度值。 [0027] (4)装置造价较低，相比较同样高精度的露点仪，装置并不需要精度很高的温控系统，造价相对降低。 [0028] (5)当闭盒内气体湿度快速变化时，装置可对密闭盒内气体湿度分布进行检测，通过CCD拍摄图片中各像素点的灰度值变化，我们可以对其对应的金属膜上方各点的湿度分布进行实时快速测量。当闭盒内气体湿度稳定后，还可以利用CCD拍摄图片中所有像素点的灰度值的积分计算此时湿度，有利于提高测量结果的信噪比。 [0030] 图1为本发明湿度调节控制及检测装置示意图。 [0031] 图2为不同湿度下CCD所成图像结果图1。 [0032] 图3为不同湿度下CCD所成图像结果图2。 [0033] 图4为不同湿度下CCD所成图像结果图3。具体实施方式： [0034] 如图1所示，一种湿度调节控制及检测装置，所述装置包括湿度调节模块以及表面等离激元激发及检测模块： [0035] 所述湿度调节模块包括隔热外壳1、第一风扇2‑1、第二风扇2‑2、电热阻丝3、第二橡胶套4‑1、第一橡胶套4‑2、压敏开关报警器5、隔热水箱6、雾化片7、导管8以及无底密闭盒9； [0036] 所述表面等离激元激发及检测模块包括白光光源10、小孔11、偏振片12，前置反射镜13、金属膜14、棱镜15、后置反射镜16、前置凸透镜17、狭缝18、后置凸透镜19、光栅20、成像透镜21以及CCD22。 [0037] 进一步地，所述由风扇2‑1和电热阻丝3组成的自制吹风机可产生干燥的气体，并且气体温度可以通过风扇2‑1转速调节； [0038] 进一步地，所述压敏开关报警器5，设置于第二橡胶套和第一橡胶套之间，对压力变化感知敏感，响应迅速； [0039] 进一步地，所述橡胶套为气密性良好的橡胶材质，自身弹性较大可承受100摄氏度以下温度，且在装置向外输出湿度可调气体时，若发生堵塞可膨胀自身储存气体，其膨胀后挤压压敏开关报警器发出报警，保障装置安全；在抽取外界气体进行检测时，可膨胀自身暂时储存气体，并在金属膜上方气体恰全部更换为外界气体时，膨胀至触发压敏开关报警器； [0040] 进一步地，所述由风扇2‑2、隔热水箱6和雾化片7组成的自制超声加湿器其可产生湿润的气体，并且可以通过调节风扇2‑2转速和雾化片7控制气体湿度； [0041] 进一步地，所述导管8其气密性良好，且可承受高达100摄氏度温度； [0042] 进一步地，所述密闭盒9为无底密闭盒，其气密性良好，且无底面与棱镜15紧密贴合，内部空间放置与金属膜14，顶部距离金属膜上方1CM,且可承受100摄氏度以下温度； [0044] 进一步地，所述小孔11，其为孔径可调节，其放置在白光光源10正前方8cm处，白光只能通过小孔11入射到后续系统； [0045] 进一步地，所述偏振片12，其偏振方向为竖直方向，使出射的白光呈线偏振光； [0046] 进一步地，所述的前置反射镜13，其将从偏振片12出射的白光平行反射至金属膜14表面； [0049] 进一步地，所述密闭盒9为无底密闭盒，其气密性良好，且无底面与棱镜15紧密贴合，底部放置金属膜14，且密闭盒9顶部距离金属膜14上表面1CM，可承受100摄氏度以下温度； [0050] 进一步地，所述后置反射镜16，其将从棱镜15出射的平行白光反射至前置凸透镜17； [0051] 进一步地，所述的前置凸透镜17其焦距为7.5cm，其将后置反射镜16反射来的平行白光聚焦到狭缝18； [0052] 进一步地，所述的狭缝18，其狭缝宽度为30um，放置在前置凸透镜17光轴上距离前置凸透镜177.5cm处； [0053] 进一步地，所述的后置凸透镜19，其焦距为7.5cm,放置在前置凸透镜17光轴上距离前置凸透镜1715cm处，其将透过狭缝18的白光变为平行白光入射到光栅20表面； [0054] 进一步地，所述的光栅20，为透射性光栅，放置在后置凸透镜19光轴上距离后置凸透镜195cm处； [0055] 进一步地所述的成像透镜21焦距为5cm放置在光栅20一级衍射条纹方向距离光栅205cm处； [0056] 进一步地，所述的CCD22放置在成像透镜21光轴上距离成像透镜215cm处。 [0057] 根据上述湿度调节控制及检测装置，操作可以包括以下步骤： [0058] 步骤一：调节风扇2‑1和电热阻丝对整个系统鼓入干燥热风3min，将整个系统预热，防止后续湿润气体冷凝； [0059] 步骤二：记录此时CCD拍摄的图片，并将图片导入MATLAB，利用rgb2gray函数将彩色图片转化为灰度图(图2)，读取灰度图中对应彩色图片色彩缺失部分像素的值，即为其灰度值，记录为H1，并在出气口用标准湿度计记录现有湿度α％(例如0％)； [0060] 步骤三：利用风扇2‑2和雾化片鼓入湿润气体，记录此时CCD拍摄图片，并将图片导入MATLAB，利用rgb2gray函数将彩色图片转化为灰度图(图3)，读取灰度图中对应彩色图片色彩缺失部分像素的值，即为其灰度值，记录为H2，并用出气口处标准湿度计记录此时湿度β％(例如100％)； [0061] 步骤四：在湿度检测时，关闭雾化片，反转2个风扇吸入外界气体，此时橡胶套会膨胀储存气体，等到其膨胀到一定大小触碰报警后，此时金属膜上方气体已全部换为外界气体，记录此时CCD拍摄图片C，关闭风扇，并将图片导入MATLAB，利用rgb2gray函数将彩色图片转化为灰度图(图4)，读取灰度图中对应彩色图片色彩缺失部分像素的值，即为其灰度值，记录为H3，外界气体湿度即为： [0062] [0063] 例如图4中自上到下三个灰色点标记处，通过上述方法得到三点对应金属膜上方气体湿度分别为41.5％、41.3％、41.7％。 [0064] 在湿度控制调节时，依据先前标定的灰度值，和CCD中色彩缺失区域的实时结果，调节风扇转速控制气体湿度。 [0065] 本发明技术方案的相关原理为：在湿度调节控制过程中，由风扇2‑2、隔热水箱6和雾化片7组成的自制超声加湿器喷出的湿润气体和由风扇2‑1与电热阻丝3组成的自制吹风机喷出的干燥气体，通过调节两个风扇的功率改变装置内的湿度。喷出的气体通过橡胶套以及导管进入密闭盒，最后导出到外界或者相关装置。而在湿度检测过程中，我们关闭雾化片等湿度控制元件，仅仅利用风扇反转，抽取外界气体完成外界湿度的监测。所述白光光源10发出的白光经过小孔11后光束变细，在经过偏振片12后变为线偏振光，之后被前置反射镜13平行反射至金属膜14表面，经金属膜反射的白光通过后续反射镜与凸透镜最终平行入射到光栅上，经过光栅的分光，以彩色谱带的方式呈现到CCD上。在一定的入射角度上，某些波段会激发表面等离激元从而不能发生全内反射，导致彩色谱带上对应波段的位置出现暗纹，导致所记录的灰度值下降。而金属膜上方湿度的改变会改变其上方气体环境，从而使满足表面等离激元激发的波段发生改变，对应的CCD彩色谱带中原本的暗纹处的灰度值也会发生改变，我们通过此时的灰度值与我们事先标定好的湿度为0％和100％的灰度值进行对比，可按比例计算出此时的湿度，进而完成检测或者反馈调控。 |
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