棉包溫濕度檢測傳感器載體的設計

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境溫濕度保持著動態平衡。棉花在打包后往往需要存放一定時間，甚至還要遠距離調運使用，這期間棉包內部溫濕度、回潮率均會發生不同程度的變化，由此可能引起棉花的品質變化和公定重量差異。目前，由于缺乏較為系統而連續的測試、分析，無法準確找到應對因棉包內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部不同位置，通過長期跟蹤監測，連續采集包內溫濕度信息，同時對應測試棉花的品質指標和重量，進行分析研究，就能獲得相關規律。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，傳感器置入棉包內部非常困難，目前還沒有他人研究過很好的技術解決這一問題，本文通過大量實地調研和現場試驗，研究設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部的金屬載體，確定了檢測模塊定型、材料選取、載體設計（形狀、強度、艙體大小、壁厚、透氣孔等）具體方案。此項設計一是對傳感器實現了封裝防護，避免監測器件受損；二是通過載體材料選取和形狀設計，保障載體表面光滑、不銹蝕、不變形、強度高；三是穩定置入，精確定位，可批量布點；四是布點監測過程不損壞棉包，保持棉包內部原始狀態；五是同步設計了配套使用的關鍵設備——旋壓式推進裝置（另文）。目前，該載體已成功應用于多個相關的項目研究，工作性能和監測效果良好。

1 檢測模塊定型

檢測模塊是用來檢測棉包內部溫濕度的關鍵部件，其體積決定了傳感器載體的大小，其工作環境要求決定了載體的材料選擇。根據前期試驗驗證和改進，本研究設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部不同位置進行監測，最深的位置是棉包的中心部位，從棉包側面最小路徑計算，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計要求置入棉包內部指定位置。

2 傳感器載體材料選擇

載體置入棉包后將長期發揮作用，設計時必須重點考慮載體材料的抗腐蝕性和強度。如果材料在濕熱環境中發生銹蝕、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測過程中受損，影響正常監測。因此，載體選材非常重要?？晒┻x擇的材料很多，考慮到可靠性和實用性，我們主要選擇了優質塑料、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構尺寸需要做得很大，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 傳感器載體的結構設計

為了能把傳感器安全可靠地送入棉包內部，必須設計一個既方便置入，又有足夠的強度和空間的載體，將傳感器穩固地安放在其內腔中。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部環境“氣息”交流。經過多種方案比較、現場試驗，最終確定設計的傳感器載體結構如圖2。

圖2 傳感器載體結構圖

設計的棉包內部溫濕度監測傳感器載體，實際上是一個組合結構的艙體，包括頭部、艙體和密封塞。載體的頭部呈錐狀結構，能夠有效減少推進阻力，方便置入棉包內部。艙體內開設有圓柱形的容納艙，艙體的外表面環繞分布有與容納艙連通的透氣孔，容納艙開口端設計有密封塞。密封塞長度為20mm，旋入容納艙內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，安放穩固。傳感器模塊尾部及信號線連接處通過環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固地封裝在載體的容納艙中。

外界推力作用在環形平面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，因載體內部有空腔，如果外形設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，經過試驗和驗算，將載體設計成艙體圓柱形，前端圓錐形結構。為了更加合理地確定載體的結構尺寸，須進行兩個部位的力學計算：（1）錐角設計，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 錐角的設計

載體錐尖結構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部的壓強形成的阻力。如設計成光滑錐面結構，如圖4所示，載體只要克服棉包內部壓強，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不大于棉包內壓形成的阻力，即：

式中：S為圓錐表面積，m2；f為棉花與金屬摩擦系數，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，本載體容納艙內徑設定為10mm。設壁厚為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，且承受壓應力大，應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，外界的壓力形成了棉包的內部壓強，而且棉包內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部壓力在鋼針表面形成的摩擦力，據此按最大拔出力對棉包內部的壓強進行了粗略推算：

設拔出力為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（查相關資料參照鋼與夾布膠木摩擦系數f=0.22[3]），由此得：

式中：P包內為棉包內部壓強，Pa；A為鋼針與棉花接觸表面積，m2。

可見，棉包是一個內部保持有數個大氣壓強的彈性擠壓體。試驗操作發現，鋼針插入垂直度有偏差時，拔出力會有2倍甚至數倍以上的增幅，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，載體設計在最終定型時對結構尺寸做了相應調整。

在載體容納艙處取環形橫向截面w-w（因透氣需要，該截面上開設有對稱分布的透氣孔，暫定為6-￠2），對環形橫向截面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w-w環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：

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

由于螺紋等結構需要，結合棉包內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成倍增加的實際情況，本載體設計的壁厚值為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上形成壓應力σ縱，σ縱應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 ：

此校核結果表明，設定艙體壁厚為1.5mm，在縱向截面上，艙體強度足夠。

3.4 透氣孔設計

因為傳感器要讀取棉包內部溫度與濕度兩個參數信息，開設透氣孔保證內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，但考慮到透氣孔數量和大小會嚴重影響腔體強度，還會對內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計：第一，保證360°方向都有透氣通道；第二，對直接的環境變化響應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、內孔10mm的載體圓柱面上，軸向長度25mm區段，環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，分別測試與環境溫濕度平衡的時間，測試結果如表1所示。

表1 透氣孔分布與透氣性能關系測試試驗記錄表

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 結論

本文結合棉包內部溫濕度分層研究試驗，設計了適用于棉包內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，內徑為10mm。透氣孔的直徑為2mm，透氣孔的數量為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，安放穩固可靠。本研究設計的溫濕度傳感器載體，已應用于“十三五”重點研發計劃項目“國家棉麻儲備庫安全影響與典型熱災害評估研究”和中國纖維質量監測中心招標項目“棉包內部溫濕度分層研究”的試驗監測中，實際安裝監測點超過1000個，應用效果良好。該載體可重復使用，并可推廣應用于棉包內部的其他相關指標檢測。