课题11 Hair hygrometer

事实上所有原理和方法概要都在学校图书馆的《湿度测量》一书中，可以只看其扫描版（20页）

毛发和某些合成纤维的长度随周围气体相对湿度而变:相对湿度越高,长度越大。利用这一原理可以制成毛发湿度计。当合成纤维的长度随相对湿度的改变而发生变化时，便会通过机械传动机构改变指针的位置。这种湿度计结构简单，在气象测量方面应用很广。^1)
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本课题研究由人毛发（hair）制成的湿度计的精度，和其反应时间\滞后时间（response time）受相关参数的影响. ³⁾

当空气湿度增大时，毛发因吸湿而伸长，固定在曲柄上的球状重锤便下移，带动指针轴和指针顺时针偏转，相对湿度示值增大；当空气湿度减小时，吸附在毛发上的水蒸发，毛发缩短，指针反时针偏转，相对湿度示值减小。
毛发伸长有以下特点：理论x=ρRT/（100EM）*ln(100/U),E为毛发杨氏模量，M为水摩尔质量，U%为示数

1. 当相对湿度从0增加到100%时，毛发的总伸长量为原有长度的2.5%。毛发的长度随相对湿度增加而增大。
2. 未高温处理，毛发的相对伸长量随着相对湿度的增加而减小，理论和实验均满足，毛发的伸长比例与相对湿度之间成对数关系（盖 · 吕萨克曲线，适用于10%-90%）。
3. 毛发的长度随相对湿度的变化（升降差值），在增湿过程和减湿过程中是不同的。相对湿度在35%以上时，增湿过程的毛发伸长量比减湿过程的收缩量大；35%以下时，减湿过程的毛发收缩量比增湿过程的毛发伸长量大。
4. 毛发的长度随温度的变化而伸长和缩短，在+1.5℃时最长。
5. 由于普通毛发的油脂对感湿性能影响大，且其感湿滞后性也很大，因此制作毛发湿度表的毛发均需作脱脂和滚压处理。

毛发的滞后系数\示数变化速度（U'/U）主要受以下因素影响： 注：经验公式U'/U=kΔU^n U%为示数，k,n为经验常数

• 风速。风速越大，k不变，k略增大，滞后系数越小。
• 温度。低温滞后系数大
• 低湿瘫痪。当毛发湿度表在相对湿度低于30%的环境中放置过久，湿度再回升时，毛发的滞后系数增大，感湿速度显著下降。
• 是否滚压。滚压可显著降低滞后系数
• 乙醚处理

• 指导老师：白翠琴
• 学生：刘晋榕 曾宇研 王奕苏

1. 核心装置：指针、毛发、弧形标尺、（带孔重锤）
2. 固定装置：底板（纸板），大头针，小勾
3. 校准\定标装置：恒温恒湿箱（可由加湿器，干燥剂，标准湿度计，温度计代替），毛刷，手套，镊子

本次实验计划测湿度计的滞差，即升湿和降湿的示数不同。
用干燥的房间干燥湿度计，放入湿润的湿度箱测升湿；打开湿度箱让干燥空气进入（箱门始终打开）测降湿。

1. 通过空调将房间湿度降至40%，耗时50min，期间设置湿度箱99%，三个湿度计均放在空调下。
2. 放入湿度计，不慎未摆稳翻倒，让高温处理头发断裂，耗时40min重装头发（2号高温处理头发，已老化），期间因不慎将胶水滴入转轴重调转轴。
3. 放入湿度计，记录：时间-湿度箱示数-两毛发湿度计示数。0时刻为放入前。耗水24min
4. 发现湿度计稳定后，打开箱门，如3同样记录。耗时25min。
5. 取出湿度计，放在空调下。待湿度箱稳定后重复3/4步骤，耗时1h

本次实验前发现装在袋子里的高温处理头发已碎，可能由于储存方法不当，袋子产生静电吸附毛发使其碎裂，宜用纸盒储存
本次实验打算将高温处理过的头发装入另一个毛发湿度计。

1. 但是由于高温处理降低强度，弯折连续断裂，使得我们不得不放弃打结直接粘住下端。
2. 试图提起指针发现又断，于是拆下配重。
3. 并粘上刻度表（90-180）
4. 然后上端要粘在回形针处，连接处两次断裂
5. 终于成功做好，将其放入湿度箱

实验前发现高温处理过后的毛发计刻度指到170（99%湿度） 由于电吹风很难将头发吹干至相当于湿度<50%，于是使用空调除湿将房间湿度降至35-36%（实验室湿度计显示）干燥进行实验。
本次实验内容包括头发的重新定标，测量有无风时的示数-时间曲线。

1. 将毛发湿度计平放在空调下干燥，干湿球湿度计和实验室湿度计测量此处湿度。每次干燥至少10分钟。
2. 将两个湿度计分别在40、50、60/70/80/85湿度定标。30%与90%由于升不到未做。
3. 重新干燥，记录二者示数-时间曲线。
4. 重新干燥，随后用小风扇充电宝产生风，一次只做一个湿度计，记录示数-时间曲线。

今天使用电吹风和实验室湿度计。用打印的湿度盘替换原有湿度盘方便读数。

1. 取出一个脱脂非高温头发，其他头发仍放在恒温恒湿箱。
2. 使用胶水和曲别针固定头发，期间王奕苏不慎将胶水滴到手上。
3. 设置湿度95%，放入实验室湿度计，等待湿度达到。
4. 第一次湿度达到95%，用电吹风将头发吹干后放入湿度箱。同时开始计时。记录初始时刻湿度箱示数和湿度计示数。
5. 随后湿度每变化一个刻度（指针中央对准刻度延长线）记录一次时间和刻度。但由于毛发湿度计翻倒，开箱重做。
6. 第二次湿度达到95%（90%，记不清，待查实验记录），重复上述步骤得到时间-刻度数据。

实验发现达到与最终值-1刻度为15min，-2刻度为12.5min。（待查记录）

将湿度计放入恒温恒湿箱，调节湿度箱湿度。
在90%/70%/50%处记录刻度定标，同时记录此时湿度计示数。打算用对数拟合。

由于使用曲别针固定头发时，曲别针未竖直（与指针夹角50度），在实验过程中曲别针逐渐变为80度。可能导致示数-时间曲线需重测。

又购买了一个湿度计，打算同时测两个毛发湿度计，改成定时测量刻度。

对两个人的头发（脱脂、脱脂+高温）进行老化处理。老化处理分三个周期，每个周期先97%湿度4小时，再30%湿度两小时。用一个较大的盆接水防止水溢出。

1. 第一天晚上，将各种头发装入标记过的纸盒中放进恒温恒湿箱。期间高温处理的部分头发断了。由于不知道一个周期耗水量，先设置一个周期，加水并记录水深（23cm，可能记错）。一小时后观察发现水面约下降0.7cm，认为够用。
2. 第二天早上，发现水位下降较小，于是加水，清空水槽，设置两个周期。
3. 第二天晚上，关机并取回盆。

对部分头发进行了高温处理，实验记录如下图

在使用电炉前先测量炉温与显示温度的差异。

1. 使用一个万用表测得另一个万用表20微安电流挡内阻约10k。
2. 测热电偶电源流过万用表电流，换算成电压，查表知温度。
3. 结果：显示182度时实际温度242+-11／√3度。实际180度对应显示154度。

1. 第一次处理忘记定标结果，依旧按照显示180度设置。导致头发酥软无法使用。
2. 第二次处理设置24 90min 154 20min 180 -121min（结束）。头发处理成功，未有酥软现象。

我们首先对头发进行了脱脂处理，使用恒温恒湿箱对比箱的湿度示数，干湿球湿度计示数，毛发湿度计示数（65%处使用干湿球湿度计校准）

1. 恒温恒湿箱示数不稳定且没有达到要求湿度（可能是使用方法有问题）
2. 毛发湿度计的示数仅在60%左右波动，使用电吹风和喷雾可达到50%-70%（可能是滞后）
3. 干湿球湿度计读数和其他两种仪器读数相差甚远（可能是所查干湿球温度计的表格有误差/恒温恒湿箱中有风）

与白老师讨论决定先淘宝一台头发湿度计。缺少滚压和与风速有关的器材。下次实验要带肥皂、剪刀、保鲜袋、盒子。

肥皂水50-60℃煮头发30min，（滚压煮好的头发），（高温处理），用头发替换淘宝上仪器里的毛发，在恒温恒湿箱中调节湿度观察现象。

用电吹风吹干，用喷雾加湿，简单观察了示数随湿度变化。

相比于乙醚脱脂，高温处理毛发性能更好。合格率从70-80%提高到100%，滞后特性210秒左右并不改变，升降差值由4-10%降低至1.5-4%，灵敏度提升1/4-1/3，但机械强度降低1/4。其中合格指误差不超过5%RH. 如果在高温处理前,先对毛发作一次滚压处理,则毛发的滞后系数将随毛发辗压比（压辗厚度对宽度的比）的减小而减小,甚至可减小到20秒左右。^4)
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同时特性曲线会变成线性方便标尺制作。

1. 毛发的选择：用于气象测湿仪器的毛发要符合以下条件①选择未曾烫过的发辫电烫或化学烫过的发辫均不能用,自然生长的长度不小于30cm。②整束发辫根梢一致,粗细差异小,发梢无分叉及枯萎现象。③发辫的颜色不限,黑黄均可但颜色必须均匀一致,有光泽,无白发。④毛发的质地要柔软滋润,有弹性。
2. 梳理：将选好的发辫再分成若干小股,绑束扎线必须十分细心不能拉乱发丝,用稀齿梳子梳理柔顺,过长的发丝用剪刀剪掉梢部。用于湿度计的毛发长度不小于30cm,用于湿度表的毛发长度不小于28cm。梳理后用棉线扎紧一头,不允许一根发丝从发束中脱出。
3. 脱脂洗涤：用中性皂片(上海产玉叶皂片效果最好)一匙溶于半面盆热水中,将发束放入浓度为的皂液中浸泡30分钟,搅拌皂液清洗以去除油污,再用热水漂洗四至五遍,除净毛发中残留的皂液,最后用蒸馏水彻底漂洗两遍。在整个清洗过程中皂液和清洗用的温度应保持在50-60℃,可用电炉断续加温。完成脱脂洗涤的毛发可挂在支架上以室温自然晾干。
4. 高温处理：经过洗涤的毛发处于自然伸展的松散状态,发束之间不要重叠依次放入电烘箱的搁架上,并为指示温度表的感应球部于同一高度,留出空间保持通风和受热均匀。接通电烘箱电源升温到188±1℃,时间为一个半小时。然后保持在180℃,时间为20±5分钟,微开箱门切断电源,保持通风缓慢降温。在烘箱温度降至130℃时可取出发束进行自然冷却。高温处理过程中要每隔20分钟观察读数一次,180℃时每5分钟读数一次并将数据点标在纸上,绘出温度升降曲线。高温处理毛发过程中的关键步骤,应精心操作,严格控制温度和时间。
5. 老化处理:把自然冷却后的毛发束悬挂在湿度检验箱内,使湿度恒定95%以上保持4小时,再将湿度降至30±3%保持两小时。依此方法连续做3次即完成毛发元件的处理过程。
6. 滚压处理：处理部分毛发以降低滞后时间
7. 抽样试验：毛发经高温、老化处理后可抽取部分毛发安装在毛发表和湿度计上,可抽取部分毛发安装在毛发表和湿度计上,放入高湿箱内存放小时后进行性能检验。
8. 毛发的保存：质量检查合格的毛发由检验人员在整束发辫中,仔细剔除外观质量差、明显粗细弯曲、打折的毛发。毛发不得折叠、受压,应放置在防虫、防潮气、密封良好的专用箱内。⁶⁾

你们的头发是哪里来的？？？ — 栗子 2017/05/06 18:55

一部分自产自销，一部分室友公摊，也许还有老师的 — 刘晋榕，代组员回答 2017/05/07 13:25

由于本实验在干燥、示数稳定等过程中需要等待，适合同时自习、讨论、写报告、游戏、聊天。 — 刘晋榕 2017/06/03 15:13