專利名稱：電容類型的濕度傳感器及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有精確地檢測(cè)含水量能力的電容類型的濕度傳感器，以及一種生產(chǎn)這種傳感器的方法。
背景技術(shù)：
人們都知道電容類型的濕度傳感器是一種傳統(tǒng)的濕度傳感器，根據(jù)水是一種極化(電介質(zhì))材料的特性，其能夠通過(guò)一對(duì)電極之間電容的變化來(lái)檢測(cè)水的含量。
例如，可以將這種濕度傳感器做在垃圾處理設(shè)備中，用于檢測(cè)垃圾中的含水量。也就是說(shuō)，如圖21A和21B所示，該濕度傳感器包括一個(gè)電絕緣板2P，將這個(gè)電絕緣板2P安裝在垃圾處理設(shè)備的垃圾容器100P的一個(gè)開(kāi)口上，一對(duì)電極30P、35P平行地安裝在電絕緣板上，有一個(gè)電容檢測(cè)電路40P，用于檢測(cè)這兩個(gè)電極之間的電容值(Cx)，還有一個(gè)輸出電路42P，用于根據(jù)電容檢測(cè)電路的輸出，提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于含水量的電信號(hào)。
在這個(gè)濕度傳感器中，含水量(M)用公式(1)表示M＝V/(S*d)…………(1)其中，“V”是水的體積，“S”是電極的面積，“d”是電極之間的距離。因此，“S*d”給出了濕度檢測(cè)區(qū)域的體積。含水量(M)與電容(Cx)之間的關(guān)系顯示在圖22中。這一關(guān)系也可以用下面的公式(2)表示Cx＝[ε1’(水)*M＋ε2’(其它)*(1-M)]×ε’0*S/d…(2)
其中(ε1’)是水的介電常數(shù)(＝80)，(ε2’)是除水以外的其它材料的相對(duì)介電常數(shù)。例如，當(dāng)除水以外的材料是木頭的時(shí)候，相對(duì)介電常數(shù)(ε2’)是2。當(dāng)除水以外的材料是空氣的時(shí)候，相對(duì)介電常數(shù)(ε2’)是1。這樣，電容(Cx)就能夠由檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的含水量來(lái)確定。另外，電容值(Cx)還取決于電極的尺寸大小。
然而，按照下面的觀點(diǎn)，仍然有足夠的空間來(lái)改善傳統(tǒng)的濕度傳感器。換句話說(shuō)，既然這些電極要伸向垃圾容器的內(nèi)部，那么電極之間的空間就會(huì)很容易地填滿垃圾。在這種情況下，電容檢測(cè)電路只會(huì)檢測(cè)卡在電極之間的垃圾的含水量。所以，為了精確地檢測(cè)垃圾容器中垃圾含水量的變化，就必須有一個(gè)清潔機(jī)器，頻繁地清除卡在電極之間的垃圾。這樣做會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的增加。
此外，由于在垃圾容器中要經(jīng)常攪拌垃圾，促進(jìn)垃圾分解，就會(huì)發(fā)生這樣的問(wèn)題，垃圾與電極的碰撞會(huì)意外的損壞濕度傳感器。除此以外，用來(lái)支撐電極的電絕緣板需要足夠的機(jī)械強(qiáng)度，用來(lái)承受攪拌施加的作用力。這也會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本的進(jìn)一步增加。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個(gè)主要目的是提供一種電容類型的濕度傳感器，它能夠以實(shí)時(shí)方式精確地檢測(cè)物體中的含水量，而不需要使用上述的清潔機(jī)器來(lái)清潔電極。
也就是說(shuō)，這種濕度傳感器包括一個(gè)傳感器機(jī)殼，其有一個(gè)電絕緣壁，一對(duì)放置在傳感器機(jī)殼上的電極，以及一個(gè)電路單元；電絕緣壁的外表面面對(duì)要檢測(cè)其含水量的空間，在電絕緣壁的內(nèi)表面上，至少形成一個(gè)電極，在電極之間形成的電場(chǎng)被定義為濕度檢測(cè)區(qū)域；該電路單元包括一個(gè)電容檢測(cè)電路，用于檢測(cè)電極之間的電容值，該電容值隨著濕度檢測(cè)區(qū)域內(nèi)含水量的變化而變化；還包括一個(gè)輸出電路，用于根據(jù)電容檢測(cè)電路檢測(cè)到的電容值，提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于含水量的電信號(hào)。
對(duì)于本發(fā)明的濕度傳感器，由于在電極之間形成的電場(chǎng)穿透電絕緣壁在傳感器機(jī)殼的外面形成濕度檢測(cè)區(qū)域，就不需要讓電極伸進(jìn)要檢測(cè)其含水量的空間。特別是當(dāng)濕度傳感器被用于垃圾處理設(shè)備的時(shí)候，有可能解決由于垃圾與電極碰撞而導(dǎo)致濕度傳感器被損壞這個(gè)問(wèn)題，從而能夠以實(shí)時(shí)方式精確地檢測(cè)垃圾中的含水量，同時(shí)能夠防止生產(chǎn)成本的增加。
在上述的濕度傳感器中，其至少一個(gè)電極最好是鍍?cè)陔娊^緣壁內(nèi)表面上的一層金屬膜。在這種情況下，即使這個(gè)電絕緣壁的表面是彎曲的，也會(huì)在電極和電絕緣壁之間獲得良好的附著強(qiáng)度。除此以外，能夠很容易地在具有復(fù)雜形狀的傳感器機(jī)殼上形成電極，更進(jìn)一步，即使要在電絕緣壁的內(nèi)表面上形成多個(gè)下面將描述的肋條，仍然有可能很容易地形成所需要的電極形狀，換句話說(shuō)，可通過(guò)一個(gè)插入成型(insert molding)或金屬焊接形成電極。
對(duì)于上述濕度傳感器，最好是在傳感器機(jī)殼的底壁的內(nèi)表面上形成一個(gè)凹形部分，在與這個(gè)凹形部分相對(duì)的位置上，在底壁外表面上形成一個(gè)凸形部分，這個(gè)凹形部分的底部表面就是絕緣壁的內(nèi)表面，凸形部分的頂部表面就是絕緣壁的外表面。在這種情況下，例如，當(dāng)本發(fā)明的濕度傳感器安裝在垃圾處理設(shè)備的垃圾容器上的時(shí)候，只有凸形部分的頂部表面暴露在垃圾容器的內(nèi)部。所以，有可能最大限度地減少濕度傳感器與放在垃圾容器中的垃圾接觸的面積。除此以外，既然濕度傳感器被這樣安裝在垃圾容器上，使得凸形部分的頂部表面與垃圾容器的內(nèi)表面齊平，就有可能避免垃圾容器中垃圾的攪拌運(yùn)動(dòng)受到阻礙這種情況出現(xiàn)，也就是能夠避免攪拌給濕度傳感器施加過(guò)多的力這種情況出現(xiàn)。
對(duì)于上述的濕度傳感器，最好是該對(duì)電極包括有一個(gè)中心開(kāi)口的環(huán)形電極，和一個(gè)中心電極，其放置在環(huán)形電極的中心開(kāi)口處，從而使中心電極的外圈與環(huán)形電極內(nèi)圈之間相隔一個(gè)恒定的距離。特別是，該對(duì)電極最好是包括一個(gè)環(huán)形電極，其有一個(gè)環(huán)形中心開(kāi)口；和一個(gè)圓形的中心電極，并且該環(huán)形電極以同心圓的方式與中心電極同心，從而使中心電極的外圈與環(huán)形電極的內(nèi)圈之間相隔一個(gè)恒定的距離?；蛘?，該對(duì)電極最好是包括一個(gè)環(huán)形電極，其具有一個(gè)矩形的中心開(kāi)口，還包括一個(gè)中心電極，其形狀是矩形，被放置在環(huán)形電極的中心開(kāi)口處，從而使中心電極的外圈與環(huán)形電極的內(nèi)圈之間相隔一個(gè)恒定的距離。在這些情況中，由于電極之間的距離在中心電極的整個(gè)四周上都是恒定的，所以有可能在相應(yīng)的電極上獲得同樣的電力線密度，從而通過(guò)減少雜散電容，進(jìn)一步精確地檢測(cè)含水量。
對(duì)于上述的濕度傳感器，最好是傳感器機(jī)殼有多個(gè)第一肋條，其在凹型電絕緣壁的內(nèi)表面伸出，并沿著電極之間形成的電場(chǎng)的方向延伸。換句話說(shuō)，最好是傳感器機(jī)殼上有多個(gè)第一肋條，在凹型電絕緣壁的內(nèi)表面上伸出，從中心電極的中心沿著徑向延伸。另外，這個(gè)傳感器機(jī)殼最好至少有一個(gè)第二肋條，在凹型電絕緣壁的內(nèi)表面上伸出，從而使第二肋條的延伸方向基本上與電極之間形成的電場(chǎng)的方向垂直。換句話說(shuō)，這個(gè)傳感器機(jī)殼最好是至少有一個(gè)第二肋條，在凹型電絕緣壁的內(nèi)表面伸出，其用與中心電極同心的方式延伸。在這些情形中，通過(guò)形成第一肋條，其從中心電極的中心徑向延伸，并形成第二肋條，其在與中心電極同心的方向上延伸，從而可以防止出現(xiàn)非均勻的電場(chǎng)分布。除此以外，還能夠改善電絕緣壁的機(jī)械強(qiáng)度，更進(jìn)一步，當(dāng)在它們之間焊接上一條引線，使電極與安裝控制單元的電子元件的印刷電路板連接的時(shí)候，這些肋條能夠用作阻擋層，防止焊料流動(dòng)。這些肋條還可以用作引導(dǎo)裝置，幫助電極的定位。
對(duì)于上述的濕度傳感器，最好是環(huán)形電極的寬度基本上等于中心電極的寬度，在這種情況下，由于從一個(gè)電極提供的電力線的量等于從另外一個(gè)電極提供的電力線的量，因此有可能減少雜散電容的影響。
對(duì)于上述的濕度傳感器，最好是其中的電路單元包括一個(gè)信號(hào)處理裝置，用于通過(guò)將輸出電路提供的對(duì)應(yīng)于含水量的電信號(hào)的變化與一個(gè)預(yù)先確定的值進(jìn)行比較，檢測(cè)異常的狀態(tài)。在這種情況下，有可能在應(yīng)該檢測(cè)其含水量的空間內(nèi)檢測(cè)到這種異常狀態(tài)的出現(xiàn)，給用戶一個(gè)報(bào)警信號(hào)。
對(duì)于上述的濕度傳感器，最好是每個(gè)電極的暴露表面都鍍上一層電絕緣材料。另外，在傳感器機(jī)殼凹形底部形成該對(duì)電極以后，最好是用電絕緣材料填滿這個(gè)凹形部分，可用于防止由于冷凝造成電極之間的短路這種情形出現(xiàn)。
另外，上述的濕度傳感器最好是包括一個(gè)屏蔽盒，其有一個(gè)底板，底板上有一個(gè)小孔，還有一個(gè)側(cè)壁，該側(cè)壁從底板的四周向上伸出，放在傳感器機(jī)殼內(nèi)，從而使傳感器機(jī)殼的凹形部分通過(guò)這個(gè)小孔露出在屏蔽盒的內(nèi)部，該屏蔽盒與電容檢測(cè)電路的電壓零點(diǎn)連接。特別是，上述的濕度傳感器最好包括屏蔽罩，其放置在傳感器機(jī)殼內(nèi)，安裝電路單元的電子元件的印刷電路板封裝在屏蔽盒和屏蔽罩之間。利用這個(gè)屏蔽盒和屏蔽罩，將來(lái)自外界的電波屏蔽掉，從而防止?jié)穸葌鞲衅靼l(fā)生誤操作。另外，既然能夠防止從濕度傳感器泄漏出來(lái)的電波，就有可能避免對(duì)外界電器造成的不良影響除此以外，上述的濕度傳感器最好是包括一個(gè)電波屏蔽層，該電波屏蔽層是通過(guò)在傳感器機(jī)殼的內(nèi)表面但不是凹形部分鍍上金屬材料形成的，該屏蔽層與電容檢測(cè)電路的電壓零點(diǎn)連接。特別是，電極和安裝電路單元的電子元件的印刷電路板之間的電連接，以及電波屏蔽層與印刷電路板之間的電連接都是通過(guò)電鍍上去的金屬膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在這些情形中，在傳感器機(jī)殼上鍍上金屬材料形成電極的時(shí)候，有可能為電波屏蔽層和電連接同時(shí)形成金屬膜。所以，這種濕度傳感器的生產(chǎn)成本能夠顯著地降低。
生產(chǎn)上述的濕度傳感器的一種最佳方法包括的步驟是將合成樹脂材料塑造以獲得傳感器機(jī)殼的步驟；在傳感器機(jī)殼上鍍上一層金屬材料形成金屬膜的步驟；以及從傳感器機(jī)殼上有選擇地去掉金屬膜形成這一對(duì)電極的步驟。按照這一方法，有可能同時(shí)形成電波屏蔽層、用于電連接的金屬膜以及傳感器機(jī)殼上的電極。
通過(guò)下面對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施方案的詳細(xì)描述，同時(shí)參考以下附圖，本發(fā)明的這些目的和優(yōu)點(diǎn)以及其它目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)一目了然。


圖1A和1B分別是本發(fā)明一個(gè)最佳實(shí)施方案中電容類型濕度傳感器的一個(gè)分解透視圖和一個(gè)剖面圖；圖2A-2D分別是仰視圖、側(cè)視圖、側(cè)視剖面圖和沿著圖2A中濕度傳感器的傳感器機(jī)殼上的線P-P切開(kāi)的剖面圖；圖3A和3B分別是具有電極的傳感器機(jī)殼的仰視圖和側(cè)視剖面圖，圖3C和3D是說(shuō)明電極之間電場(chǎng)的原理圖；圖4是濕度傳感器的電路圖；圖5是說(shuō)明濕度傳感器電容檢測(cè)電路鎖相環(huán)電路細(xì)節(jié)的電路圖；圖6是說(shuō)明電路單元中電容CE的一個(gè)電路圖；圖7是與垃圾處理設(shè)備的垃圾容器連接的濕度傳感器的部分剖面圖；圖8說(shuō)明含水量隨時(shí)間的變化；和圖8B說(shuō)明圖8A的情形中信號(hào)處理裝置的操作；圖9A和9B是具有電波屏蔽層的傳感器機(jī)殼的仰視圖；圖10是用于試驗(yàn)中，具有電極的傳感器機(jī)殼的一個(gè)透視圖；圖11說(shuō)明試驗(yàn)結(jié)果；
圖12A和12B是說(shuō)明濕度傳感器最佳電極排列的一個(gè)原理圖；圖13說(shuō)明電極布局的改進(jìn)；圖14是本發(fā)明中具有屏蔽盒的電容類型濕度傳感器的一個(gè)剖面圖；圖15是傳感器機(jī)殼的一個(gè)改進(jìn)的仰視圖；圖16A和16B是說(shuō)明傳感器機(jī)殼的進(jìn)一步改進(jìn)的剖面圖；圖17A和17B是傳感器機(jī)殼另一個(gè)改進(jìn)的一個(gè)仰視圖和一個(gè)剖面圖；圖18A和18B是具有焊料連接部分的傳感器機(jī)殼的部分仰視圖和剖面圖；圖19是本發(fā)明另外一個(gè)最佳實(shí)施方案中電容類型濕度傳感器的一個(gè)剖面圖；圖20是圖19的濕度傳感器的一個(gè)電路圖；圖21A和21B是傳統(tǒng)電容類型濕度傳感器的一個(gè)原理圖；和圖22是圖示說(shuō)明含水量和電容(Cx)之間的關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
下面按照本發(fā)明的最佳實(shí)施方案詳細(xì)地描述本發(fā)明中電容類型的濕度傳感器。
如圖1A和1B所示，這種濕度傳感器1包括一個(gè)傳感器機(jī)殼2，安裝在傳感器機(jī)殼內(nèi)的一對(duì)電極30和35，一個(gè)印刷電路板3、其安裝有后面要描述的電路單元的電子元件(沒(méi)有畫出)，一個(gè)屏蔽罩5、一個(gè)襯墊6和一個(gè)導(dǎo)電蓋7，其通過(guò)襯墊6與傳感器機(jī)殼的頂部開(kāi)口連接，并用導(dǎo)電材料制作。
如圖2A-2D所示，傳感器機(jī)殼2具有一個(gè)基本上是正方形的底板10、在垂直方向上從底板的四周向上伸出的側(cè)壁11和一頂部開(kāi)口。在底板10的內(nèi)表面形成了一個(gè)圓形的凹形部分14。圓形凹形部分的底部是一個(gè)電絕緣板15。另外，在底板10的外表面上與凹形部分14相對(duì)的地方有一個(gè)圓形的凸形部分13。因此，凹形部分14的底部表面是電絕緣板15的內(nèi)表面，凸形部分13的頂部表面是電絕緣板的外表面。電絕緣板15的外表面面對(duì)要檢測(cè)其含水量的空間。傳感器機(jī)殼2可以用一種電絕緣材料制作，比方說(shuō)用合成樹脂制作。在這種情況下，可以采用聚碳酸脂、聚丙烯、聚丙烯硫化物之類的材料。另外，電絕緣板15的厚度最好是在0.1毫米到5毫米之間。
如圖3A和3B所示，傳感器機(jī)殼2有多個(gè)第一肋(first ribs)16，在凹形部分中電絕緣板內(nèi)表面上伸出，其從凹形部分14的電絕緣板15的中心沿著徑向延伸，還有多個(gè)第二肋17a-17d，在電絕緣板的內(nèi)表面上伸出，以電絕緣板15的中心為中心以同心圓方式延伸。換句話說(shuō)，如圖3C和3D所示，第一肋16沿著電極30、35之間形成的電場(chǎng)的方向延伸。第二肋17a-17d這樣來(lái)延伸，使得第二肋的延伸方向基本上垂直于電場(chǎng)的方向。在這個(gè)實(shí)施方案中，在電極30中心周圍每30度總共形成12條第一肋。另外，有4條具有不同直徑的第二肋17a-17d相對(duì)于電極30以同心圓的方式形成。
在這個(gè)實(shí)施方案中，這一對(duì)電極30、35安裝在凹形部分中電絕緣板15的內(nèi)表面上。這些電極包括一環(huán)形電極35，其具有一個(gè)環(huán)形的中心開(kāi)口36，還有一個(gè)中心電極30，其形狀是圓形的。環(huán)形電極35相對(duì)于中心電極30以同心圓方式排列，從而使中心電極的外圈與環(huán)形電極的內(nèi)圈相隔一個(gè)恒定的距離d1。也就是說(shuō)，如圖3A和3B所示，中心電極30位于具有最小直徑的第二肋17a包圍的一個(gè)區(qū)域中。通過(guò)鍍上一層金屬膜，環(huán)形電極35可以在相鄰第二肋17c和17d之間的整個(gè)區(qū)域內(nèi)形成。環(huán)形電極35的寬度最好是基本上等于中心電極30的寬度。
將電極之間形成的電場(chǎng)用作濕度檢測(cè)區(qū)域。最好是通過(guò)金屬電鍍?cè)陔姌O上形成另外一層金屬，以提高這些電極的抗腐蝕能力。另外，在電極的連線操作完成以后，最好是在凹形部分填充電絕緣材料65，防止傳感器機(jī)殼上發(fā)生冷凝的時(shí)候電極之間發(fā)生短路這種情況出現(xiàn)。至于電絕緣材料，可以采用硅橡膠或者環(huán)氧樹脂。
作為一個(gè)實(shí)例，可以通過(guò)鍍上一層金屬，比如鋁或者銅，在傳感器機(jī)殼上形成一層金屬膜，然后按照需要的圖樣，從傳感器機(jī)殼上去掉金屬膜，從而形成這些電極。
如圖4所示，這個(gè)電路單元包括一個(gè)電容檢測(cè)電路40，用于檢測(cè)電極30和35之間的電容值Cx，它隨著濕度傳感區(qū)域的含水量不同而變化；還包括輸出電路42，用于根據(jù)電容檢測(cè)電路檢測(cè)到的電容值，提供對(duì)應(yīng)于含水量的一個(gè)電信號(hào)，例如一個(gè)電壓信號(hào)；還包括電源44，用于給檢測(cè)電路、輸出電路提供電源；還有一個(gè)電容器CE，其連接在濕度傳感器電路的電壓零點(diǎn)(zero-voltage point)(α)和地(β)之間，用于確定它們之間的阻抗。
圖5給出了電容檢測(cè)電路40的一個(gè)實(shí)施例。在這個(gè)實(shí)施例中，電容檢測(cè)電路4Q包括一個(gè)PLL(鎖相環(huán))電路50；還有一個(gè)振蕩電路52，用于根據(jù)電容值Cx確定振蕩頻率，而Cx隨濕度檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的含水量不同而發(fā)生變化。由相位比較器54、低通濾波器55和VCO(壓控振蕩器)58組成的鎖相環(huán)電路50將振蕩頻率的變化轉(zhuǎn)換成電壓變化，從而獲得一個(gè)電壓。按照這一電壓的變化，輸出電路42提供一個(gè)電壓信號(hào)，其對(duì)應(yīng)于濕度檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的含水量。也就是說(shuō)，當(dāng)濕度檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的含水量增加(或者減少)的時(shí)候，振蕩電路的振蕩頻率就下降(或者增加)。在鎖相環(huán)電路50中，允許壓控振蕩器58的頻率跟隨振蕩電路的振蕩頻率的時(shí)候，低通濾波器的輸出電壓隨著含水量的變化而發(fā)生改變。輸出電路42輸出對(duì)應(yīng)于含水量的輸出電壓信號(hào)。
輸出電壓通過(guò)具有連接器64的電纜62傳送給控制單元60。因此，從控制單元60通過(guò)電纜62向電源44提供電力，輸出電路42的輸出信號(hào)通過(guò)電纜發(fā)送給控制單元60。
由于振蕩電路在例如幾十兆赫茲到幾百兆赫茲的范圍內(nèi)振蕩，所以電流消耗增加。由于這一原因，電源上需要一個(gè)熱輻射板。將屏蔽罩5用作熱輻射板，可以減少元件數(shù)量，縮小濕度傳感器的尺寸。
濕度傳感器電路的電壓零點(diǎn)(α)與地(β)之間沒(méi)有電性連接。當(dāng)垃圾容器是用導(dǎo)電材料做成的時(shí)候，它以一定的阻抗值與地連接，因此，在電壓零點(diǎn)(α)和地(β)之間有一定的阻抗。由于濕度傳感器的特性受到這一阻抗值的影響，所以將一個(gè)電容器CE連接在電壓零點(diǎn)(α)和地(β)之間，從而使它比這一阻抗值足夠小。電容器CE是用于確定地(β)和電壓零點(diǎn)(α)之間阻抗值的一種電子元件。該電容器能被插入，如圖6所示，在這個(gè)圖中，“Z1”和“Z2”指定為振蕩電路52的阻抗裝置?！癆P”被指定為一振蕩電路的裝置，其用于確定具有參考電容值Cx的振蕩頻率，例如，當(dāng)濕度傳感器與垃圾處理裝置的垃圾容器的墻壁表面接觸的時(shí)候，在墻壁表面和環(huán)形電極之間形成雜散電容C1。
由于雜散電容C1隨著濕度檢測(cè)區(qū)域內(nèi)含水量的不同而變化，因此有可能導(dǎo)致電容檢測(cè)電路40發(fā)生誤操作。不管含水量是多少的時(shí)候，如果C1和CE之間維持關(guān)系C1＞＞CE，就有可能通過(guò)在環(huán)形電極和墻壁表面(地)保持恒定的耦合電容，而防止誤操作。為了獲得較大的雜散電容值C1，最好是使垃圾容器的墻壁和環(huán)形電極之間保持較小的距離。例如，如圖7所示，環(huán)形電極的外徑L1是90毫米，與環(huán)形電極同心的圓形凹形部分14的直徑L2是110毫米，垃圾容器的墻壁表面和環(huán)形電極之間的距離是大約10毫米，就可以獲得很大的雜散電容。
這個(gè)電路單元最好也包括一個(gè)信號(hào)處理裝置，用于根據(jù)輸出電路提供的電信號(hào)的幅度，檢測(cè)含水量大于預(yù)先確定的上限值的異常狀態(tài)。另外，根據(jù)輸出電路提供的電信號(hào)的幅度，該信號(hào)處理單元還能檢測(cè)含水量小于預(yù)先確定的下限值的異常狀態(tài)。在這個(gè)實(shí)施例中，輸出電路有一個(gè)比較器，用作信號(hào)處理裝置，在這個(gè)比較器中，將輸出電路輸出的，例如電壓信號(hào)，與說(shuō)明含水量高于上限值的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值VH進(jìn)行比較，還與說(shuō)明含水量低于下限值的第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值VL進(jìn)行比較。當(dāng)電壓信號(hào)大于第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值VH或者小于第二個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值VL的時(shí)候，如圖8A和8B所示，這個(gè)比較器提供一個(gè)輸出信號(hào)，告訴控制單元60出現(xiàn)了異常狀態(tài)。根據(jù)這一輸出，垃圾處理設(shè)備可以對(duì)這一異常狀態(tài)進(jìn)行某種處理。
在這個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)在傳感器機(jī)殼2的內(nèi)表面而不是凹形部分14上鍍上一層金屬材料，形成一個(gè)電波屏蔽層4。在這種情形中，其具有能夠降低電波屏蔽裝置的生產(chǎn)成本，縮小傳感器機(jī)殼的尺寸的優(yōu)點(diǎn)。屏蔽層4與電容檢測(cè)電路40的電壓零點(diǎn)連接。此外，電極30、35和安裝這個(gè)電路單元的電子元件的印刷電路板3之間的電連接，以及屏蔽層4與印刷電路板之間的電連接最好都是利用鍍上的金屬膜來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，如同9A、9B所示，可以在傳感器機(jī)殼2方形底板10的四個(gè)角落上形成四個(gè)支柱18，每個(gè)支柱的頂部都有一個(gè)螺絲孔，用于支撐電路板3。在這些支柱之一的頂部表面上鍍上金屬膜，并延伸到屏蔽層上。用螺絲將印刷電路板3固定到傳感器機(jī)殼2上的時(shí)候，濕度傳感器電路的電壓零點(diǎn)(α)就能通過(guò)支柱18上的金屬膜與屏蔽層4連接。這樣，通過(guò)電鍍方法在傳感器機(jī)殼2上同時(shí)形成屏蔽層4和電極30的時(shí)候，可以顯著地降低濕度傳感器的生產(chǎn)成本。
作為上述的濕度傳感器的一種改進(jìn)，可以在這樣一個(gè)高度上形成具有金屬膜的一個(gè)支柱，使得這個(gè)支柱的頂部表面穿過(guò)形成在印刷電路板的一個(gè)通孔。在這種情況下，這個(gè)印刷電路板用螺絲擰在另外三個(gè)支柱上。從支柱的頂部表面向屏蔽層延伸的金屬薄膜用于連接濕度傳感器的電路的電壓零點(diǎn)(α)和屏蔽層。
屏蔽罩5與印刷電路板連接，該屏蔽罩5可用于防止印刷電路板遭受高頻區(qū)(幾十兆赫茲到幾百兆赫茲)的電波干擾，同時(shí)防止電波從印刷電路板向外界發(fā)射，包括其它電器的誤操作。因此，印刷電路板3安裝在屏蔽罩5和屏蔽層4之間的一個(gè)空間內(nèi)，將印刷電路板與電波屏蔽開(kāi)。例如，電極30、35通過(guò)引線與印刷電路板3的需要的位置連接。另外，導(dǎo)電罩7與傳感器機(jī)殼2的頂部開(kāi)口連接。導(dǎo)電罩7通過(guò)引線和電容與濕度傳感器的電路的電壓零點(diǎn)(α)連接。
下面描述利用本發(fā)明中電容類型傳感器的垃圾處理設(shè)備。檢測(cè)垃圾容器中的含水量對(duì)于有效地促進(jìn)垃圾處理設(shè)備中垃圾的分解和發(fā)酵非常重要。在垃圾處理設(shè)備中使用本發(fā)明的濕度傳感器的時(shí)候，可以在垃圾容器的很大范圍內(nèi)直接檢測(cè)含水量。
例如，這一垃圾處理設(shè)備包括盛放垃圾和生物碎片(Biochip)的垃圾容器、用于將垃圾與生物碎片混合的攪拌臂以及催化劑除臭裝置。利用螺栓或者螺母這樣的固定裝置，本發(fā)明的濕度傳感器可以貼在垃圾容器的墻壁表面上，從而使電絕緣板15的外表面與垃圾容器100的內(nèi)表面102齊平，如圖7所示。所以，傳感器機(jī)殼2最好是這樣，使垃圾容器的墻壁厚度基本上等于凸形部分13的凸出高度。另外，為了很容易地將濕度傳感器貼在垃圾容器上，最好是在傳感器機(jī)殼或者垃圾容器的外表面上形成一個(gè)導(dǎo)向凸起部分。
由于濕度傳感器的電絕緣板15沒(méi)有伸向垃圾容器的內(nèi)部，所以能夠防止垃圾容器中攪拌垃圾的操作受到阻擋這樣的情況發(fā)生。另外，不管是哪種垃圾，例如剩米飯、谷類、茶葉、煙葉、濕廢品、木頭片、土或者混凝土的細(xì)垃圾，都能夠精確地檢測(cè)垃圾容器中靜止?fàn)顟B(tài)或者被攪動(dòng)狀態(tài)的垃圾的含水量。
在本發(fā)明中，由于環(huán)形電極的內(nèi)圈與中心電極的外圈之間的距離保持恒定，所以能夠減少電力線的泄漏。這樣，就有可能減少中心電極和垃圾容器之間雜散電容的影響。另外，由于中心電極的寬度，也就是中心電極的直徑，等于環(huán)形電極的寬度，因此這兩個(gè)電極都會(huì)產(chǎn)生同樣多的電力線，這會(huì)進(jìn)一步地減少雜散電容，結(jié)果，就有可能高精度地檢測(cè)含水量。
如上所述，這種垃圾處理設(shè)備能處理垃圾容器中存在生物碎片的情形下的垃圾。由于生物碎片包含水分，所以為了精確地檢測(cè)垃圾容器中的含水量，需要考慮生物碎片中的含水量。例如，僅當(dāng)垃圾占據(jù)電極之間的濕度檢測(cè)區(qū)域的時(shí)候，輸出電路可能提供只對(duì)應(yīng)于垃圾中的含水量的電信號(hào)。在這種情況下，會(huì)降低含水量的檢測(cè)精度。
為了進(jìn)一步提高該濕度傳感器的檢測(cè)精度，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)當(dāng)放進(jìn)垃圾容器中的垃圾的平均尺寸在15到20毫米的時(shí)候，可以避免只有垃圾占據(jù)濕度檢測(cè)區(qū)域的這種不需要的情形發(fā)生。另外，適當(dāng)?shù)碾姌O尺寸和電極之間合適的距離是根據(jù)下面的試驗(yàn)確定的。
這個(gè)試驗(yàn)是利用圖10所示容器104和三種電極對(duì)30、35做的第一對(duì)電極是由銅箔做成的，每一個(gè)電極的厚度為0.1毫米、長(zhǎng)度為115毫米、寬度為24毫米，且其之間具有2毫米的距離并互相平行排列；第二對(duì)電極互相平行，它們之間的距離是30毫米，每一個(gè)電極都是用厚度是0.1毫米、長(zhǎng)度是115毫米、寬度是10毫米的銅箔組成的。第三對(duì)電極互相平行，它們之間的距離是20毫米，它們是用厚度是0.1毫米、長(zhǎng)度是115毫米、寬度是5毫米和25毫米的銅箔做成的。容器104采用了電絕緣的合成樹脂盒，其包括一個(gè)方形底板，它的大小是115毫米，厚度是1毫米，側(cè)壁從底板的四周伸出的高度為40毫米，還包括一個(gè)頂部開(kāi)孔，每一對(duì)電極都貼在合成樹脂盒底板的外表面上。
稍后，將水放進(jìn)合成樹脂盒中，從而獲得需要的水位，對(duì)于第一對(duì)到第三對(duì)電極中的每一對(duì)，都在三個(gè)不同的水位，也就是5毫米、10毫米和25毫米的情況下測(cè)量電極之間的電容值，結(jié)果在圖11中給出，在這個(gè)圖中，水平軸表示合成樹脂盒中水的深度，垂直軸表示測(cè)量出來(lái)的電容值?！癎1”指定為利用第一對(duì)電極測(cè)量出來(lái)的電容值，“G2”指定為利用第二對(duì)電極測(cè)量出來(lái)的電容值，“G3”指定為利用第三對(duì)電極測(cè)量出來(lái)的電容值。
如圖12A所示，在垂直于電絕緣板的方向上，從電極算起，濕度檢測(cè)區(qū)域有一個(gè)臨界高度DH，電容值在這個(gè)濕度檢測(cè)區(qū)域的臨界高度或者在更小高度的范圍內(nèi)變化，換句話說(shuō)，在濕度檢測(cè)區(qū)域以外，電容值很少發(fā)生變化，不管水的高度有多高。從圖11可以看出，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這個(gè)臨界高度DH等于平行放置的電極外側(cè)之間的距離DL的大約一半。例如，在使用第一對(duì)電極的情況中，電極外側(cè)之間的距離DL是50毫米(＝24＋2＋24)，而臨界高度DH則是大約25毫米。
因此，在使用具有圖1所示濕度傳感器的垃圾處理設(shè)備的情形中，可以確定電極的寬度和電極之間的距離，如下所述，以避免只有垃圾占據(jù)濕度檢測(cè)區(qū)域的這種情況發(fā)生。
也就是說(shuō)，如圖12B所示，中心電極30的直徑是d0，環(huán)形電極35的寬度是d2，中心電極外圈和環(huán)形電極內(nèi)圈之間的距離是d1，環(huán)形電極的內(nèi)外直徑分別由d0＋(d1*2)和d0＋(d1*2)＋(d2*2)給出。另外，總距離(DL)為d0、d1和d2的和，其最好是等于臨界高度DH的兩倍或者更大。利用滿足這一條件的電極排列，可以更進(jìn)一步地提高垃圾處理設(shè)備中使用的濕度傳感器的檢測(cè)精度。
在使用中心矩形電極和矩形環(huán)電極的電極布局的情形中，也能獲得以上條件，也就是說(shuō)，如圖13所示，這些電極可以由具有矩形中心開(kāi)口的環(huán)形電極和具有矩形形狀的中心電極構(gòu)成，在這種情況下，中心電極放在環(huán)形電極的開(kāi)口中心，從而使中心電極的外圈與環(huán)形電極的內(nèi)圈相隔一個(gè)恒定的距離。
下面是本發(fā)明中電容類型濕度傳感器的改進(jìn)。
作為上述的濕度傳感器的一種改進(jìn)，如圖14所示，最好是將一個(gè)屏蔽盒70放在傳感器機(jī)殼2中替代屏蔽層4，在這種情況下，屏蔽盒70包括一個(gè)底板74，其具有一個(gè)孔72，還有從底板的周圍向上伸出的側(cè)壁76，其放在傳感器機(jī)殼2里邊，從而使凹形部分14通過(guò)這個(gè)孔72與屏蔽盒的內(nèi)部連通，屏蔽盒70與電容檢測(cè)電路40的電壓零點(diǎn)連接。
作為上述的濕度傳感器的另外一種改進(jìn)，只在電絕緣板15的內(nèi)表面上形成第一肋，類似地，在電絕緣板內(nèi)表面只形成第二肋，例如，如圖15所示，在第二肋17c和17d之間的區(qū)域內(nèi)不形成任何第一肋16。
另外，作為這個(gè)濕度傳感器的一種改進(jìn)，在形成中心電極30的第一個(gè)電極區(qū)域和形成環(huán)形電極35的第二個(gè)電極區(qū)域之間可以形成至少一個(gè)臺(tái)階。例如，圖16A所示的傳感器機(jī)殼2有一個(gè)中心級(jí)19，從而使第一個(gè)電極區(qū)的位置比第二個(gè)電極區(qū)的位置要高一些。
另外，當(dāng)垃圾處理設(shè)備的垃圾容器100有一個(gè)彎曲的壁面102的時(shí)候，最好是使用這樣一個(gè)傳感器機(jī)殼2，它的電絕緣壁15的表面是彎曲的，如圖16B所示，在這種情況下，濕度傳感器貼在垃圾處理設(shè)備上，從而使電絕緣壁的彎曲表面與垃圾容器100的彎曲表面齊平。
有許多方法將引線與電極連接起來(lái)，例如，如圖17A和17B所示，可以在每一個(gè)中心電極30和環(huán)形電極35上面形成具有L形狀斷面的一個(gè)端子80。在這種情況下，能夠很容易地在印刷電路板3和那些電極之間進(jìn)行可靠的電連接?；蛘撸鐖D18A和18B所示，在與第二肋17d相鄰的需要的位置上形成焊料結(jié)合部分90的時(shí)候，可以用相對(duì)較少量的焊料94將引線92與電極可靠地連接起來(lái)，同時(shí)防止焊料泄漏到焊料結(jié)合部分的外面去。
作為上面描述的濕度傳感器的另一種改進(jìn)，當(dāng)垃圾處理設(shè)備的垃圾容器是用金屬材料做成的時(shí)候，這個(gè)垃圾容器就可以作為電極之一。也就是說(shuō)，如圖19所示，在傳感器機(jī)殼2電絕緣板15的內(nèi)表面的中心形成的一個(gè)電極30，金屬材料的垃圾容器100提供第二個(gè)電極，它與第一個(gè)電極一起確定了濕度檢測(cè)區(qū)域。在這個(gè)濕度傳感器的電路單元中，垃圾容器100與地β連接，如圖20所示，這個(gè)電路單元的其它元件基本上與圖4中的一樣。
權(quán)利要求
1.一種電容類型的濕度傳感器，其包括一個(gè)具有電絕緣壁的傳感器機(jī)殼，所述的電絕緣壁的外表面面對(duì)要檢測(cè)其含水量的空間；一對(duì)電極，其放置在所述傳感器的機(jī)殼上，它們中的至少一個(gè)電極形成在所述電絕緣壁的內(nèi)表面上，在所述電極之間形成的電場(chǎng)被用作濕度檢測(cè)區(qū)域；和一電路單元，其包括一個(gè)電容檢測(cè)電路，用于檢測(cè)所述電極之間的電容值，該電容值隨著所述濕度檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的含水量不同而變化，還有一個(gè)輸出電路，用于根據(jù)所述電容檢測(cè)電路檢測(cè)到的電容值提供對(duì)應(yīng)于含水量的電信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的至少一個(gè)電極是鍍?cè)谒鲭娊^緣壁內(nèi)表面上的金屬膜。
3.如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的傳感器機(jī)殼在它的底板內(nèi)表面有一個(gè)凹形部分，在底板外表面與所述凹形部分相對(duì)的位置上有一個(gè)凸形部分，其中所述凹形部分的底部表面是所述電絕緣壁的內(nèi)表面，所述凹形部分的頂部表面是所述電絕緣壁的外表面。
4.如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的電極對(duì)包括一個(gè)具有一個(gè)中心開(kāi)口的環(huán)形電極和一個(gè)中心電極，所述中心電極放在所述環(huán)形電極的中心開(kāi)口中，從而使所述中心電極的外圈與所述環(huán)形電極的內(nèi)圈相隔一段恒定的距離。
5.如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的電極對(duì)包括一個(gè)環(huán)形電極，其具有一個(gè)環(huán)形的中心開(kāi)口，還有一個(gè)圓形的中心電極，其中所述的環(huán)形電極以同心圓的方式與所述中心電極同心，從而使所述中心電極的外圈與所述環(huán)形電極的內(nèi)圈相隔一個(gè)恒定的距離。
6.如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的電極對(duì)包括一個(gè)環(huán)形電極，其具有一個(gè)矩形中心開(kāi)口，還有一個(gè)矩形狀的中心電極，其放置在所述環(huán)形電極的中心開(kāi)口處，從而使所述中心電極的外圈與所述環(huán)形電極的內(nèi)圈相隔一個(gè)恒定的距離。
7.如權(quán)利要求4所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的傳感器機(jī)殼有多個(gè)第一肋，其在所述電絕緣壁的內(nèi)表面伸出，從所述中心電極的中心沿著徑向延伸。
8.如權(quán)利要求4所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的傳感器機(jī)殼至少有一個(gè)第二肋，其在所述電絕緣壁的內(nèi)表面上伸出，相對(duì)于所述中心電極以同心的方式延伸。
9.如權(quán)利要求3所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的傳感器機(jī)殼有多個(gè)第一肋，其在所述電絕緣壁的內(nèi)表面上伸出，基本上是在所述電極之間形成的電場(chǎng)的方向上延伸。
10.如權(quán)利要求3所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的傳感器機(jī)殼至少有一個(gè)第二肋，其在所述電絕緣壁的內(nèi)表面上伸出，從而使所述第二肋的延伸方向基本上垂直于所述電極之間形成的電場(chǎng)的方向。
11.如權(quán)利要求4所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的環(huán)形電極的寬度基本上等于所述中心電極的寬度。
12.如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的電路單元包括一個(gè)信號(hào)處理裝置，用于檢測(cè)異常的狀態(tài)，其通過(guò)將輸出電路提供的對(duì)應(yīng)于含水量的電信號(hào)的變化與一個(gè)預(yù)先確定的值進(jìn)行比較。
13.如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的每個(gè)電極暴露的表面都鍍上一層電絕緣材料。
14.如權(quán)利要求3所述的電容類型的濕度傳感器，其包括一個(gè)屏蔽盒，其有一個(gè)底板，底板上有一個(gè)孔，還有從所述底板的四周向上伸出的側(cè)壁，其被放置在所述傳感器機(jī)殼中，從而使所述傳感器機(jī)殼凹形部分通過(guò)所述小孔露出在所述屏蔽盒的內(nèi)部，其中所述的屏蔽盒與所述電容檢測(cè)電路的電壓零點(diǎn)連接。
15.如權(quán)利要求14所述的電容類型的濕度傳感器，其包括一個(gè)屏蔽罩，其放在所述傳感器機(jī)殼中，其中安裝所述電路單元的電子元件的印刷電路板封裝在所述屏蔽盒和所述屏蔽罩之間。
16.如權(quán)利要求2所述的電容類型的濕度傳感器，其包括一個(gè)額外的金屬層，其通過(guò)金屬電鍍方式形成在所述金屬膜上。
17.如權(quán)利要求3所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的電極對(duì)是形成在所述凹形部分的底部，然后將一種電絕緣材料填充在所述凹形部分中。
18.如權(quán)利要求3所述的電容類型的濕度傳感器，其包括一個(gè)電波屏蔽層，其通過(guò)在所述傳感器機(jī)殼而不是所述凹形部分的內(nèi)表面上鍍上金屬材料形成的，并且其中所述的屏蔽層與所述電容檢測(cè)電路的電壓零點(diǎn)連接。
19.如權(quán)利要求18所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述電極和安裝所述電路單元的電子元件的印刷電路板之間的電性連接，以及所述電波屏蔽層和所述電路板之間的電性連接，是利用電鍍上去的金屬膜實(shí)現(xiàn)的。
20.如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的至少一個(gè)電極是通過(guò)插入成型的方式在所述電絕緣壁的內(nèi)表面上形成一個(gè)金屬膜。
21.如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器，其中所述的至少一個(gè)電極是焊接在所述電絕緣壁的內(nèi)表面上的一層金屬膜。
22.一種如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器的生產(chǎn)方法，包括以下步驟用合成樹脂材料塑造成所述傳感器機(jī)殼；在所述傳感器機(jī)殼上鍍上金屬材料形成金屬膜；和從所述傳感器機(jī)殼上有選擇地去掉所述金屬膜，獲得所述電極對(duì)。
23.一種利用如權(quán)利要求1所述的電容類型的濕度傳感器的垃圾處理設(shè)備，其包括一垃圾容器和在所述垃圾容器中用于攪拌垃圾的攪拌器，其中所述的電容類型的濕度傳感器附著在所述垃圾容器上，以使其所述的電絕緣壁的外表面與垃圾容器的內(nèi)表面齊平。
全文摘要
一種電容類型的濕度傳感器,其具有能夠精確地檢測(cè)含水量的能力,這種傳感器包括有一個(gè)具有電絕緣壁的傳感器機(jī)殼,一對(duì)放置在所述傳感器機(jī)殼上的電極,和一電路單元,電絕緣壁的外表面面對(duì)要檢測(cè)其含水量的空間,在電絕緣壁的內(nèi)表面,至少形成一個(gè)電極,這些電極之間形成的電場(chǎng)被用作濕度檢測(cè)區(qū)域,這個(gè)電路單元包括一個(gè)電容檢測(cè)電路,用于檢測(cè)這些電極之間的電容值,該電容值隨著濕度檢測(cè)區(qū)域內(nèi)的含水量不同而變化,還有一個(gè)輸出電路,用于根據(jù)電容檢測(cè)電路檢測(cè)到的電容值提供一個(gè)對(duì)應(yīng)于含水量的電信號(hào)。
文檔編號(hào)G01R27/26GK1330268SQ0111987
公開(kāi)日2002年1月9日 申請(qǐng)日期2001年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月3日
發(fā)明者広野淳之, 森秀夫, 高田裕司, 吉川啟介 申請(qǐng)人:松下電工株式會(huì)社