Контроль влажности кожи

Влага является одним из обязательных компонентов большинства материалов. Почти во всех отраслях промышленности, в сельском хозяйстве, энергетике и строительстве применяются процессы сушки и увлажнения, предназначенные для изменения влажности материалов.

В данной работе для экспресс-контроля влажности кожи предлагается использовать СВЧ-метод, основанный на регистрации параметров электромагнитной волны, отраженной от исследуемого материала [1].

Пусть на образец падает плоская электромагнитная волна диапазона 3см (рисунок 1) мощностью Рпад.

Рисунок 1 - Прохождение электромагнитной волны: 1 - рупорная антенна;

2 – исследуемый образец

Часть мощности P отр отражается от образца и возвращается в антенну.

Среда по обе стороны образца одна и та же.

В этом случае коэффициент отражения

R12[(1 - e"2e2d )2 + 4e"2в2d sin2 а2d]

(1 - R12e"2ed )2 + 4R12e"2ed sin2(J12 + a2d)’ где α2, β2 – постоянные затухания и фазы материала; d – толщина образца.

При нормальном падении волны

_ (^2a1 — Ц1а2 ) + ^2 31

R 12 = /               _x2      2 n2 ,

(^2a1 + M1a2 ) + ^2 в1

μ 1 , μ 2 – магнитные проницаемости среды и материала соответственно;

α 1 – коэффициент затухания среды.

Полагая, что 5 ₁₂ = — 2ln R ₁₂ , после подстановки этого выражения в (1) имеем

sin2 а2 d + sin2 в2 d sin2(a2 d + J) + sin2( в2 d + ^12)

В случае, если образец является диэлектриком и не содержит никаких металлических включений, а средой по обе стороны образца является воздух, то μ 1 =μ 2 =1, тогда выражение (1) примет вид

r _ (a1  a2) + 31

• ¹² "( « 1 + « 2 ) 2 + в 12 ,

• α 2 зависит прежде всего от влажности материала.

Изменение параметров отраженной волны, в частности ее амплитуды фиксируется СВЧ датчиком.

Датчик собран по дифференциальной схеме и состоит из опорного и измерительного каналов. Измерительный канал содержит ферритовый циркулятор и пирамидальную рупорную антенну, излучающую электромагнитную волну в свободное пространство. Исследуемый материал располагается параллельно плоскости раскрыва рупора. Отраженная от материала волна улавливается антенной и детекторной секцией преобразуется в сигнал постоянного тока.

Расстояние между раскрывом рупора и образцом выбирается таким, чтобы отраженная от образца волна, достигая рупора, была в противофазе с волной, отраженной от раскрыва рупора. Вследствие этого сигнал измерительного тракта будет уменьшаться в зависимости от влажности образца.

Сигнал опорного тракта является постоянным по величине. Сигналы трактов подаются на схему сравнения, которая дает величину разностного сигнала. Ферритовый циркулятор обеспечивает развязку между трактами не менее 20 dБ.

Вначале, при отсутствии образца, выравниваются сигналы обоих трактов, т.е. разностный сигнал устанавливается равным нулю. При наличии образца изменяется величина разностного сигнала, и это отличие является функцией влажности. Имея градуировочные зависимости,

W = f (V),                              (5)

где W – влажность исследуемого материала;

V – разностный сигнал, можно получить оперативную информацию о влажности.

Проведены исследования по получению градуировочных зависимостей для натуральных кож. Некоторые из них приведены ниже.

Градуировочные зависимости для натуральных кож, представлены на рисунке 2.

Рисунок 2 - Градуировочные зависимости для натуральных кож

Толщина образцов:

• 1    – 1,9 мм;

• 3 – 1,4 мм;

22 – 1,1 мм;

26 – 1,3 мм;

30 – 1,1 мм.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

• 1)    величина отраженного сигнала прежде всего зависит от влажности образца, увеличиваясь с увеличением влажности;

• 2)    градуировочные зависимости в диапазоне влажностей 5÷35% для натуральных кож можно аппроксимировать прямыми;

• 3)    при одинаковой влажности величина отраженного сигнала для искусственных кож меньше, чем для натуральных кож;

• 4)    при одинаковой влажности величина отраженного сигнала зависит от толщины образца, причем эта функция является нелинейной;

• 5)    чувствительность измерений составляет не менее 15mV на процент.