棉包溫濕度檢測傳感器載體的設(shè)計

文/徐守東 吳國新 劉從九

棉花具有吸濕性，其回潮率會在不斷地吸放濕過程中和環(huán)境溫濕度保持著動態(tài)平衡。棉花在打包后往往需要存放一定時間，甚至還要遠距離調(diào)運使用，這期間棉包內(nèi)部溫濕度、回潮率均會發(fā)生不同程度的變化，由此可能引起棉花的品質(zhì)變化和公定重量差異。目前，由于缺乏較為系統(tǒng)而連續(xù)的測試、分析，無法準確找到應(yīng)對因棉包內(nèi)部溫濕度變化而導致棉花自然變異的方法。理論上說，將溫濕度傳感器置入棉包內(nèi)部不同位置，通過長期跟蹤監(jiān)測，連續(xù)采集包內(nèi)溫濕度信息，同時對應(yīng)測試棉花的品質(zhì)指標和重量，進行分析研究，就能獲得相關(guān)規(guī)律。但是開展這項研究工作有個很大的難點，就是傳感器的置入問題。

棉包密度大，致密堅硬，傳感器置入棉包內(nèi)部非常困難，目前還沒有他人研究過很好的技術(shù)解決這一問題，本文通過大量實地調(diào)研和現(xiàn)場試驗，研究設(shè)計了一種用于封裝溫濕度傳感器模塊并便于將其置入棉包內(nèi)部的金屬載體，確定了檢測模塊定型、材料選取、載體設(shè)計（形狀、強度、艙體大小、壁厚、透氣孔等）具體方案。此項設(shè)計一是對傳感器實現(xiàn)了封裝防護，避免監(jiān)測器件受損；二是通過載體材料選取和形狀設(shè)計，保障載體表面光滑、不銹蝕、不變形、強度高；三是穩(wěn)定置入，精確定位，可批量布點；四是布點監(jiān)測過程不損壞棉包，保持棉包內(nèi)部原始狀態(tài)；五是同步設(shè)計了配套使用的關(guān)鍵設(shè)備——旋壓式推進裝置（另文）。目前，該載體已成功應(yīng)用于多個相關(guān)的項目研究，工作性能和監(jiān)測效果良好。

1 檢測模塊定型

檢測模塊是用來檢測棉包內(nèi)部溫濕度的關(guān)鍵部件，其體積決定了傳感器載體的大小，其工作環(huán)境要求決定了載體的材料選擇。根據(jù)前期試驗驗證和改進，本研究設(shè)計的溫濕度傳感器及其檢測元器件安裝在長35mm、寬8.5mm的線路板上，總厚度為5mm，形成固定的檢測模塊，如圖1所示。

圖1 溫濕度傳感器（檢測部件）

傳感器需要置入棉包內(nèi)部不同位置進行監(jiān)測，最深的位置是棉包的中心部位，從棉包側(cè)面最小路徑計算，最大深度達26.5cm。顯然，傳感器組件必須進行特殊封裝才能按設(shè)計要求置入棉包內(nèi)部指定位置。

2 傳感器載體材料選擇

載體置入棉包后將長期發(fā)揮作用，設(shè)計時必須重點考慮載體材料的抗腐蝕性和強度。如果材料在濕熱環(huán)境中發(fā)生銹蝕、粉化等不良變化將會使被測棉包受到污染，影響后續(xù)使用，還可能因載體破損而失去防護功能；如果強度不夠很可能會導致傳感器在置入和監(jiān)測過程中受損，影響正常監(jiān)測。因此，載體選材非常重要。可供選擇的材料很多，考慮到可靠性和實用性，我們主要選擇了優(yōu)質(zhì)塑料、銅鋁和鋼材等進行試驗。塑料和銅鋁有良好的加工制造性能，其耐腐蝕性能通過表面處理也能滿足要求，但其較低的強度指標使載體結(jié)構(gòu)尺寸需要做得很大，這對載體的置入極為不利。綜合各方面因素，最終選用抗銹蝕性能、強度、材料成本等都較為理想的304不銹鋼作為載體的制造材料。

3 傳感器載體的結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了能把傳感器安全可靠地送入棉包內(nèi)部，必須設(shè)計一個既方便置入，又有足夠的強度和空間的載體，將傳感器穩(wěn)固地安放在其內(nèi)腔中。要求載體有可靠通道能夠引出信號線；有尖狀頭部以減少置入棉包的阻力；有足夠的透氣性以滿足傳感器與棉包內(nèi)部環(huán)境“氣息”交流。經(jīng)過多種方案比較、現(xiàn)場試驗，最終確定設(shè)計的傳感器載體結(jié)構(gòu)如圖2。

圖2 傳感器載體結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計的棉包內(nèi)部溫濕度監(jiān)測傳感器載體，實際上是一個組合結(jié)構(gòu)的艙體，包括頭部、艙體和密封塞。載體的頭部呈錐狀結(jié)構(gòu)，能夠有效減少推進阻力，方便置入棉包內(nèi)部。艙體內(nèi)開設(shè)有圓柱形的容納艙，艙體的外表面環(huán)繞分布有與容納艙連通的透氣孔，容納艙開口端設(shè)計有密封塞。密封塞長度為20mm，旋入容納艙內(nèi)的長度為密封塞總長度的二分之一。密封塞一方面對容納艙起封閉作用，另一方面用于固定傳感器電路組件，有效防范短路風險，且過線方便，安放穩(wěn)固。傳感器模塊尾部及信號線連接處通過環(huán)氧樹脂與密封塞螺柱連成一體，螺柱通過螺紋與艙體連接，從而將傳感器組件穩(wěn)固地封裝在載體的容納艙中。

外界推力作用在環(huán)形平面M上推動載體進入棉包。實踐表明：載體外形徑向尺寸越小，進入棉包阻力越小，因載體內(nèi)部有空腔，如果外形設(shè)計成扁平狀或三角或多角，會導致某個方向尺寸比圓外形更大，壁更薄，不利于減少推進阻力和提高承壓能力。因此，經(jīng)過試驗和驗算，將載體設(shè)計成艙體圓柱形，前端圓錐形結(jié)構(gòu)。為了更加合理地確定載體的結(jié)構(gòu)尺寸，須進行兩個部位的力學計算：（1）錐角設(shè)計，確定最佳錐角，減少推進阻力。（2）在保證強度的前提下，確定載體的最小外徑。

3.1 錐角的設(shè)計

載體錐尖結(jié)構(gòu)主要目的是減少推進阻力，如圖3所示。

圖3 平頭載體受力示意圖

如果載體端部是普通的圓鈍面，在推進過程中，載體不僅要克服棉包內(nèi)部的壓強形成的阻力，更要將前部的棉纖維集合體撕裂后才能進入，而撕裂纖維集合體的阻力遠大于棉包內(nèi)部的壓強形成的阻力。如設(shè)計成光滑錐面結(jié)構(gòu)，如圖4所示，載體只要克服棉包內(nèi)部壓強，將棉纖維擠開，纖維材料因能夠沿斜面滑動，被強行撕裂的情形減輕，且錐角越小撕裂的情形越輕。但由于圓錐角減小，在圓柱直徑一定的情況下，錐體越長圓錐表面積增加越多，表面摩擦阻力逐步成為主要阻力，試驗表明，當錐角小于30°后，阻力不會減少反而會增大。

圖4 載體錐頭受力示意圖

設(shè)圓錐角為2α，考慮摩擦阻力及錐尖強度因素，摩擦形成的軸向阻力應(yīng)不大于棉包內(nèi)壓形成的阻力，即：

式中：S為圓錐表面積，m2；f為棉花與金屬摩擦系數(shù)，f=0.22[1]，r為圓柱半徑，m。

3.2 載體壁厚尺寸的確定

要把載體置入棉包，必須克服載體圓錐部位由于棉包內(nèi)壓形成的阻力和錐面、圓柱面上的摩擦力。為了減小推力，在滿足傳感器安裝要求和載體空腔薄壁處強度要求的條件下，盡可能減小載體的外徑尺寸。而容納艙內(nèi)徑受傳感器模塊外形大小限制，尺寸不能隨意縮小。通過計算，本載體容納艙內(nèi)徑設(shè)定為10mm。設(shè)壁厚為t，載體受力情況如圖5所示。

圖5 載體進入棉包受力示意圖

從圖5可以看出：載體全部進入棉包后阻力最大。阻力包含三個部分：圓柱面摩擦力、圓錐面摩擦力、圓錐面由棉包內(nèi)壓形成的端面壓力。各力大小均隨著圓柱外徑增大而增大，其中，容納艙處是薄弱部位，且承受壓應(yīng)力大，應(yīng)對此處進行抗壓強度校核，從而確定腔體壁厚t（mm）。

3.3 受力分析

Ⅰ型包的標準規(guī)格是：長1.4m×寬0.53m×高0.7m，重量227kg[2]，成包密度大約是450kg/m3。單根捆扎帶承受的最大拉力約900kg，棉包總的捆扎力達11000kg[3]。由于棉花是松軟的彈性物質(zhì)，外界的壓力形成了棉包的內(nèi)部壓強，而且棉包內(nèi)部的壓力分布是不均勻的，鋼絲捆扎處壓力明顯大于其他部位。

試驗中將直徑6mm的光滑不銹鋼鋼針沿棉包端部（0.7m×0.53m）棉層間插入棉包內(nèi)部，深度30cm，停留10分鐘后，用測力計測量拔出力。實際拔出力差異較大，平均500牛左右，部分超過900牛。通過分析可知拔出力主要是棉包內(nèi)部壓力在鋼針表面形成的摩擦力，據(jù)此按最大拔出力對棉包內(nèi)部的壓強進行了粗略推算：

設(shè)拔出力為F拔，棉花與鋼針之間的摩擦力為F摩，則：

其中，W是鋼針表面的正壓力，N；f為棉花纖維與鋼針表面摩擦系數(shù)（查相關(guān)資料參照鋼與夾布膠木摩擦系數(shù)f=0.22[3]），由此得：

式中：P包內(nèi)為棉包內(nèi)部壓強，Pa；A為鋼針與棉花接觸表面積，m2。

可見，棉包是一個內(nèi)部保持有數(shù)個大氣壓強的彈性擠壓體。試驗操作發(fā)現(xiàn)，鋼針插入垂直度有偏差時，拔出力會有2倍甚至數(shù)倍以上的增幅，且偏離角度越大插拔力越大。本文按照垂直度為90°的理想情況進行分析計算。為保證強度滿足要求，載體設(shè)計在最終定型時對結(jié)構(gòu)尺寸做了相應(yīng)調(diào)整。

在載體容納艙處取環(huán)形橫向截面w-w（因透氣需要，該截面上開設(shè)有對稱分布的透氣孔，暫定為6-￠2），對環(huán)形橫向截面w-w的屈服強度校核，保證載體在推進中不會被墩粗破壞，設(shè)w-w環(huán)形截面上承受的壓力為q（N），則：

q=外圓摩擦力+圓錐摩擦力軸向分力+棉包內(nèi)壓形成的端面壓力

理論分析表明，圓錐部分摩擦力的軸向分力等于等長的圓柱面摩擦力，則：

考慮到透氣孔環(huán)形截面上的面積占比大約在20%，壁厚t應(yīng)提高到不小于0.7mm。

由于螺紋等結(jié)構(gòu)需要，結(jié)合棉包內(nèi)部棉纖維實際分布并不均勻、傳感器載體置入也難以保障絕對垂直等，會導致推進力比理論狀態(tài)成倍增加的實際情況，本載體設(shè)計的壁厚值為1.5mm。

容納艙處截取長為L的圓柱并半圓切開，力學分析如圖6所示。

圖6 載體空腔受力圖

棉包對艙體外壁擠壓力在y向的分力在縱切面m-n上形成壓應(yīng)力σ縱，σ縱應(yīng)小于艙體材料的抗壓屈服強度[σ]，對該面的強度校核是確保腔體不會被壓癟，即 ：

此校核結(jié)果表明，設(shè)定艙體壁厚為1.5mm，在縱向截面上，艙體強度足夠。

3.4 透氣孔設(shè)計

因為傳感器要讀取棉包內(nèi)部溫度與濕度兩個參數(shù)信息，開設(shè)透氣孔保證內(nèi)部氣息交流也十分重要。理論上透氣孔越多越好，孔徑越大越好，但考慮到透氣孔數(shù)量和大小會嚴重影響腔體強度，還會對內(nèi)部傳感器模塊造成污染。研究中，從保證以下4個方面因素著手，對透氣孔的布局進行了分析設(shè)計：第一，保證360°方向都有透氣通道；第二，對直接的環(huán)境變化響應(yīng)周期盡可能低于控制器的讀取周期；第三，對強度削弱程度小于50%（避免外形尺寸增大太多）；第四，盡可能減少對傳感器模塊的污染。通過在直徑13mm、內(nèi)孔10mm的載體圓柱面上，軸向長度25mm區(qū)段，環(huán)360°均布4-￠2、6-￠2、9-￠2長度方向做3孔和7孔，共制作了6種載體樣本，安裝傳感器后裝入布袋，烘箱處理10分鐘放置露天，分別測試與環(huán)境溫濕度平衡的時間，測試結(jié)果如表1所示。

表1 透氣孔分布與透氣性能關(guān)系測試試驗記錄表

從表1可以看出，透氣孔對溫度傳遞影響不明顯，對濕度傳遞影響較大。項目測試方案中，取樣周期設(shè)定在20min到60min。考慮實用效果和制作成本等因素，選擇6-￠2、軸向7孔的透氣孔布局。

4 結(jié)論

本文結(jié)合棉包內(nèi)部溫濕度分層研究試驗，設(shè)計了適用于棉包內(nèi)部檢測的推進阻力小、安全可靠的溫濕度傳感器載體。該載體包括圓錐形頭部、圓柱形容納艙體和密封塞三部分。容納艙長度為40mm，外徑為13mm，內(nèi)徑為10mm。透氣孔的直徑為2mm，透氣孔的數(shù)量為42個，且呈6-￠2軸向7孔分布。載體的容納艙開口端安裝有密封塞，密封塞將傳感器電路組件固定封裝在容納艙中，有效克服短路風險，且過線方便，安放穩(wěn)固可靠。本研究設(shè)計的溫濕度傳感器載體，已應(yīng)用于“十三五”重點研發(fā)計劃項目“國家棉麻儲備庫安全影響與典型熱災害評估研究”和中國纖維質(zhì)量監(jiān)測中心招標項目“棉包內(nèi)部溫濕度分層研究”的試驗監(jiān)測中，實際安裝監(jiān)測點超過1000個，應(yīng)用效果良好。該載體可重復使用，并可推廣應(yīng)用于棉包內(nèi)部的其他相關(guān)指標檢測。