CN101135658A - 用压电效应振动传感器识别水沸点的方法及传感器和电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用压电效应振动传感器来识别水沸点的方法及传感器和电路，旨在提供一种快速、准确、一致性好的水沸点检测技术，方法要点是：检测水振动、阻抗变换、隔离直流、信号放大、高频滤波、高低阀值整形处理、单片机根据定时脉冲数进行判定；传感器的要点是将压重块设置在压电效应陶瓷片的铜板一侧；电路要点是由传感器、阻抗变换电路、直流隔离电路、放大电路、高频滤波电路、整形和阀值选择电路、单片机组成，传感器联接阻抗变换电路，阻抗变换电路联接直流隔离电路，直流隔离电路联接放大电路、放大电路与高频滤波电路并联，放大电路的输出联接整形和阀值选择电路，整形和阀值选择电路联接单片机。本发明用于水沸点检测控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种开水检测方法，尤其是指一种用压电效应振动传感器识别水沸点的方法，本发明还涉及实施该方法的压电效应振动传感器和使用该压电效应振动传感器的水沸点检测电路。
背景技术
目前为止，还没有任何关于压电式振动传感器在加热电器中的烧开水识别专利，但在没有烧开水功能的某些家电如洗衣机上已经有关于振动传感器的应用专利，如中国专利ZL97102158.9，就是涉及压电振动传感器在洗衣机中的应用，在振动信号的处理上，该专利采用了非常多的外围器件，包括存储器，第一计数器，第二计数器，时钟信号发生器，一个或门，一个锁存器，在振动传感器中还包括一个运算放大器，这种电路和方法的成本高，电路复杂，灵敏度低，适用于在洗衣机中产生过大振动所产生的5-7Hz的频率，并不能用于烧开水时最高达500Hz频率和非常轻微的振动识别，也没有关于开水的振动特征描述。
烧开水是每一个家庭天天都会用到的功能，煮饭、煲汤、蒸炖等烹饪功能中也需要将水或食物烧开，现在几乎每个家庭都拥有不同的具备烧水功能的电器，如电磁炉、饮水机、电饭煲、电热水杯等，这些电器均是根据温度传感器或温控器来识别沸点。这种传统的测量方法有下述缺点：第一，用于烧开水时一定要将传感器与水或锅具接触，但像电磁炉一类的隔离加热电器无法采用这种方式，因为电磁炉的温度传感器与锅具相隔一层陶瓷板，所以采用这种方式识别开水就会导致很大的偏差，这个难题一直在困挠着电磁炉界，长期未能解决；第二，采用温度传感器的加热电器对于不同海拔的沸点变化不能快速识别，要通过复杂的算法和较长时间才能推断出水已烧开；第三，采用温度传感器的加热电器结构设计复杂，需要考虑放入水中的传感器的绝缘强度以避免触电；第四，采用温度传感器或温控器的加热电器通常是将控制沸点设置为比真正沸点低几度，因此烧出的水并不是真正的开水；第五，温度传感器存在偏差因而易导致每台产品的沸点不一致；第六，温度传感器存在时间漂移，因而会导致产品在使用过程中的沸点变化。
通过在电磁炉上的大量烧水实验发现，利用水在达到高温后水体的振动并带动相关的部件振动，通过压电效应振动传感器检测振动信号的变化来确定水是否沸腾，是解决上述问题的一个可行办法，但传统的振动传感器又不适合用来检测水沸腾所产生的振动信号，如中国专利CN03807812.0公开了一种“压电传感器”，其并不是针对烧开水来开发的，如其所述它适应于听诊器一类的医疗设备，其结构也较为复杂，主要用于检测声音信号；又如中国专利CN200580016110.6所公开的振动传感器，是通过改进振动片的结构以实现提高其抗冲击的性能，也不适用于开水检测。再如中国专利ZL93247606.6公开的一种压电振动传感器，它采用了T型结构加钢球，结构较复杂，且由于钢球的位置不定，一致性较差；中国专利ZL92237020.6公开的震动传感器，其采用弹簧结构，不能检测频率较高的开水输出信号。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是针对现有技术的不足，提供一种快速、准确、经济、可靠、一致性好的识别水沸点的方法。
本发明要解决的第二个技术问题是提供一种结构简单、安装方便、对开水过程响应灵敏的压电效应振动传感器。
本发明要解决的第三个技术问题是一种结构简单、快速、准确、经济、可靠、一致性好的识别水沸点的电路。
本发明的第一个技术方案是这样的：一种用压电效应振动传感器识别水沸点的方法，包括下述步骤；
(1)利用压电效应振动传感器检测水的振动；
(2)对压电效应振动传感器的输出信号进行阻抗变换；
(3)隔离直流分量；
(4)低频信号放大；
(5)将放大的低频信号进行高频滤波；
(6)单片机选择对经滤波的信号进行低阀值整形处理；
(7)将经整形的脉冲信号输入到单片机计数端口进行下述处理：(A)进行秒计数及数字滤波；(B)保存当前秒计数；(C)记录最大秒计数；(D)比较当前秒计数和最大秒计数，
若(a)当前秒计数为零、(b)最大秒计数在增加或(c)当前秒计数相对于最大秒计数的落差比：(最大秒计数-当前秒计数)/最大秒计数小于20％时，重新进行秒计数并继续加热；
若(d)当前秒计数相对于最大秒计数的落差比大于20％时单片机选择对低频信号进行高阀值整形处理，当秒计数大于零时，判定水已达沸点。
上述的用压电效应振动传感器识别水沸点的方法中所述的低阀值是指与单片机相联的阀值控制I/O口为输入时，高阀值是指与单片机相联的阀值控制I/O口为输出低电平时，同时要求高阀值比低阀值大于1V以上。
上述的用压电效应振动传感器识别水沸点的方法中所述的秒计数的间隔周期为500ms～1s。
本发明的第二个技术方案是这样的：一种压电效应振动传感器，该压电效应振动传感器包括封闭外壳，设置在封闭外壳内的压电陶瓷蜂鸣片，与压电陶瓷蜂鸣片其中一面接触的压重块，两根输出信号线的内端分别焊在压电陶瓷蜂鸣片的银极和铜板上引出至封闭外壳外，其中：所述的压重块位于压电陶瓷蜂鸣片的铜板一侧。
上述的压电效应振动传感器中所述封闭外壳的内中部设有管状导向体，压重块放置在该导向体内，这样可以限制压重块只能在该导向体内上下移动，增加测试信号的准确性。
上述的压电效应振动传感器中所述的压重块与压电陶瓷蜂鸣片的铜板的接触面以球面为佳。
上述的压电效应振动传感器中所述压电陶瓷蜂鸣片的型号优选为C2720A-0.4。
本发明的第三个技术方案是这样的：一种用压电效应振动传感器识别水沸点的电路，是由压电效应振动传感器、阻抗变换电路、直流隔离电路、放大电路、高频滤波电路、整形和阀值选择电路和单片机组成；压电效应振动传感器两个信号输出端的其中一个输出端联接阻抗变换电路，另一输出端接地；阻抗变换电路的输出联接直流隔离电路，直流隔离电路的输出联接放大电路、放大电路与高频滤波电路并联，放大电路的输出与整形和阀值电路相联，整形和阀值电路的整形脉冲输出联接单片机的计数端口，阀值选择的控制端联接单片机的I/O口。
上述用压电效应振动传感器识别水沸点的电路中所述的阻抗变换电路是由负载电阻R1和第一级运算放大器IC1A组成；直流隔离电路为电解电容C1；放大电路是由负载电阻R2、第二级运算放大器IC1B、电阻R3、电阻R4组成；高频滤波电路是由反馈电阻R5、反馈电容C2组成；整形和阀值电路是由电阻R6、分压电阻R7、三极管Q1、上拉电阻R8和阀值选择电阻R9组成；负载电阻R1与压电效应振动传感器的两个输出信号端并联，压电效应振动传感器的交流输出信号的任意一极联接第一级运算放大器IC1A的同相端，交流输出信号的另一极接地；第一级运算放大器IC1A的反相端与第一级运算放大器IC1A的输出端相联；第一级运算放大器IC1A的输出端与电解电容C1的正端相联；电解电容C1的负端与接地的负载电阻R2相联，电解电容C1的负端同时与第二级运算放大器IC1B的同相端通过电阻R3相联；第二级运算放大器IC1B的反相端通过电阻R4接地，第二级运算放大器IC1B的反相端通过反馈电阻R5和第二级运算放大器IC1B的输出端相联，第二级运算放大器IC1B的反相端通过反馈电容C2和第二级运算放大器IC1B的输出端相联；第二级运算放大器IC1B的输出端通过电阻R6与三极管Q1的基极相联，三极管Q1的基极通过分压电阻R7接地，三极管Q1的基极通过可控制的阀值选择电阻R9与单片机的I/O口相联，三极管Q1的发射极接地，上拉电阻R8与三极管Q1的集电极相联；三极管Q1的集电极联接单片机的计数器端口。
本发明与现有技术相比具有下述优点：(1)本发明的方法可以为水沸点识别提供一种新的方式，与传统的温度传感器检测沸点相比，更加准确、可靠，一致性更好；(2)本发明的公开的压电效应振动传感器，具有极其准确一致的沸点响应频率变化点，结构简单、成本低廉，对于沸点的识别极其方便；(3)本发明的检测电路结构简单，其对水沸点检测响应时间不超过10秒种，特别适合于智能化家用电器的各种含有烧水的烹饪程序，可以取代温度传感器来进行开水的识别；(4)本发明的振动传感器安装的位置将更加灵活，对于电磁炉、电饭煲、饮水机等加热电器的烧水程序改进有着极其重要的价值，可以节约大量因为过度烧水而浪费的能源，有着极其巨大的市场价值和经济价值。
附图说明
下面结合附图中的事实例对本发明作进一步地详细说明，但不构成对本发明的任何限制。
图1是本发明的原理方框图；
图2是本发明中振动传感器结构示意图；
图3是图3的左视图；
图4是本发明的电路原理示意图；
图5是本发明的使用状态示意图。
图中：压电效应振动传感器1、封闭外壳11、导向体11a、外壳体11b、内壳体11c、压电陶瓷蜂鸣片(12，12a，12b)、银极12a、铜板12b、压重块13、输出信号线14、阻抗变换电路2、直流隔离电路3、放大电路4、高频滤波电路5、整形电路6、单片机7、电磁炉炉体A、陶瓷板B、电路板C、控制板D。
具体实施方式
参阅图1所示，本发明的用压电效应振动传感器识别水沸点的方法，包括下述步骤；
(1)利用压电效应振动传感器检测水的振动；
(2)对压电效应振动传感器的输出信号进行阻抗变换；
(3)隔离直流分量；
(4)低频信号放大；
(5)将放大的低频信号进行高频滤波；
(6)单片机选择对经滤波的信号进行低阀值整形处理；
(7)将经整形的脉冲信号输入到单片机计数端口进行下述处理：(A)进行秒计数及数字滤波；(B)保存当前秒计数；(C)记录最大秒计数；(D)比较当前秒计数和最大秒计数，
若(a)当前秒计数为零、(b)最大秒计数在增加或(c)当前秒计数相对于最大秒计数的落差比：(最大秒计数-当前秒计数)/最大秒计数小于20％时，重新进行秒计数并继续加热；
若(d)当前秒计数相对于最大秒计数的落差比大于20％时单片机选择对低频信号进行高阀值整形处理，当秒计数大于零时，判定水已达沸点。
本发明中的低阀值是指与单片机相联的阀值控制I/O口为输入时，即电平较低的振动信号就触发单片机计数；高阀值是指与单片机相联的阀值控制I/O口为输出低电平时，即电平较高的振动信号才能触发单片机计数；同时要求高阀值比低阀值大于1V以上；本发明中秒计数的间隔周期为500ms～1s。
参阅图2、图3所示，本发明的压电效应振动传感器，包括封闭外壳11，该封闭外壳11是由外壳体11b和内壳体11c扣接组合而成，在封闭外壳11内安装有压电陶瓷蜂鸣片12，，两根输出信号线14的内端分别焊在压电陶瓷蜂鸣片12的银极12a和铜板12b上引出至封闭外壳11外，压电陶瓷蜂鸣片12的型号采用C2720A-0.4，在位于压电陶瓷蜂鸣片12的铜板12b一侧设有压重块13，压重块13重约3g，并在封闭外壳11的内中部设有管状导向体11a，压重块13放置在该导向体11a内；压重块13与压电陶瓷蜂鸣片12的铜板12b的接触面为球面。
具体使用时，将压电陶瓷蜂鸣片12的铜板12b向上位置安装，其工作原理是：水在被电磁炉类(非微波加热)的电器加热时，在容器中被加热部位的水会随着温度升高到一定温度(约70℃)以上时而产生振动信号，在水开前，振幅会显著增加，这种信号可以通过电磁炉部件如电磁炉的陶瓷板传递到电磁炉内，在炉内的传感器因为接收到振动的能量而发生微小的上下位移，它带动传感器内的压电陶瓷蜂鸣片12上、下移动，在压电陶瓷蜂鸣片12的压重块13因为惯性在压电陶瓷蜂鸣片12上产生压力的变化，这种压力的变化导致压电陶瓷蜂鸣片12上产生频率在1KHZ以内的交流信号，通过阻抗变换、隔离直流、低频放大滤波后，这时产生的是较杂乱的振动信号，但在水温较低时，其振动的幅值也较小，在水温接近沸点时，其振动幅值将达到最大，因此在整形电路中通过单片机选择低阀值可以筛选出水在较低温度的振动信号，通过单片机选择高阀值可以排除干扰信号，从而判定水在高温状态，对放大滤波后不同幅值的振动信号按低阀值电压进行整形后，就可以为单片机所处理和识别，因为在低阀值整形后的振动信号频率在水开后有明显的下降变化，再通过高阀值确认水是在高温状态，可以很容易的识别出沸点，它不受环境(海拔高度，环境温度等)的影响。
参阅图4所示，本发明的用压电效应振动传感器识别水沸点的电路，是由压电效应振动传感器1、阻抗变换电路2、直流隔离电路3、放大电路4、高频滤波电路5、整形和阀值选择电路6和单片机7组成；阻抗变换电路2是由负载电阻R1和第一级运算放大器IC1A组成；直流隔离电路3为电解电容C1；放大电路4是由负载电阻R2、第二级运算放大器IC1B、电阻R3、电阻R4组成；高频滤波电路5是由反馈电阻R5、反馈电容C2组成；整形和阀值电路6是由电阻R6、分压电阻R7、三极管Q1、上拉电阻R8和阀值选择电阻R9组成；负载电阻R1与压电效应振动传感器1的两个输出信号端并联，压电效应振动传感器1的交流输出信号的银极联接第一级运算放大器IC1A的同相端，交流输出信号的铜板极接地；第一级运算放大器IC1A的反相端与第一级运算放大器IC1A的输出端相联；第一级运算放大器IC1A的输出端与电解电容C1的正端相联；电解电容C1的负端与接地的负载电阻R2相联，电解电容C1的负端同时与第二级运算放大器IC1B的同相端通过电阻R3相联；第二级运算放大器IC1B的反相端通过电阻R4接地，第二级运算放大器IC1B的反相端通过反馈电阻R5和第二级运算放大器IC1B的输出端相联，第二级运算放大器IC1B的反相端通过反馈电容C2和第二级运算放大器IC1B的输出端相联；第二级运算放大器IC1B的输出端通过电阻R6与三极管Q1的基极相联，三极管Q1的基极通过分压电阻R7接地，三极管Q1的基极通过可控制的阀值选择电阻R9与单片机7的I/O口相联，三极管Q1的发射极接地，上拉电阻R8与三极管Q1的集电极相联；三极管Q1的集电极联接单片机7的计数器端口。
参阅图4所示，本发明的电路工作原理是：压电效应振动传感器1(BS)，它的负载电阻R1的取值在1K到10K之间，因为振动而在压电效应振动传感器上产生的电荷通过负载电阻R1得以释放，并在R1上产生脉冲交流信号，该信号输入到第一级运算放大器IC1A，通过IC1A对信号作阻抗变换；阻抗变换后的交直流信号通过C1隔离直流，输出交流信号加到负载电阻R2上，经电阻R3输入到第二级运算放大器IC1B的同相端，进行交流信号放大，其中R3＝R4//R5//Zc2，Zc2＝1/(2πfC2)，Zc2对交流信号中的中高频毛刺干扰信号起到抑制作用，使输出的脉冲信号具有很光滑的上升沿和下降沿，交流放大倍数A2＝(R5//Zc2)/R4，单片机7可以选择高或低阀值整形，交流放大后的信号经整形电路6整形后，其输出信号Vp就成为单片机7可以接收的脉冲信号。从附图4可以看出本发明的电路非常简单，只需要具有两路运放的IC和整形处理就可以将压电效应振动传感器1的输出转换成单片机7能够处理的数字信号，利用单片机7的计数器即可读出定时脉冲计数。
参阅图1所示，本发明的工作流程是，当水因为加热到一定温度后会开始出现振动信号，压电效应振动传感器1完成对振动信号到电压信号的转换；阻抗变换电路2对压电效应振动传感器1输出的交流信号进行阻抗变换，使信号输出能够被放大，直流隔离电路3对阻抗变换电路2中的产生的直流信号进行隔离；放大电路4对直流隔离电路3输出的低频交流信号进行放大，高频滤波电路5对高频信号加以抑制；单片机7选择低阀值整形，整形阀值选择电路6对放大电路4输出的脉冲信号进行整形，该信号输出到单片机7的计数端口进行处理；单片机7内部的功能块7A是在单片机7中完成的脉冲秒计数及数字滤波；功能块7B需要保存当前的脉冲秒计数，并进行数字滤波，功能块7C记录新的最大秒计数；功能块7D将当前秒计数与最大秒计数进行比较，当秒计数为零时，进入功能块7a和功能块7e，它表明水温度较低，需要继续加热；当秒计数不为零且在上升时，它表明水温正在升高，并已达到60℃以上温度，进入功能块7b和功能块7f，需要继续加热；当秒计数在上升，但相对于最大计数的落差比小于20％时，进入功能块7c和功能块7i，它表明水温已接近沸点，需要继续加热；当秒计数在下降，并且相对于最大计数的落差比高于20％时，单片机7要选择高阀值整形，并确认秒计数大于0时，进入功能块7d和功能块7j，它表明水已沸腾。
参阅图5所示，是本发明在电磁炉中的应用举例，电磁炉炉体A、陶瓷板B，压电效应振动传感器1可以安装在陶瓷板B下，或是相邻的炉体A的塑料外壳上，也可以装在显示板上，它的安装位置可以根据实际测试效果来选择；图中的电路板C，它的电路原理如附图3所示，该电路板C也可以集成到压电效应振动传感器1中，只是结构的形式不一样而已；包含单片机的控制板D，它为电路板C提供电源和接收电路板C产生的脉冲信号；电磁炉烧开水的工作流程参照附图1。
Claims (9)
1.一种用压电效应振动传感器识别水沸点的方法，其特征是包括下述步骤；
(1)利用压电效应振动传感器检测水的振动；
(2)对压电效应振动传感器的输出信号进行阻抗变换；
(3)隔离直流分量；
(4)低频信号放大；
(5)将放大的低频信号进行高频滤波；
(6)单片机选择对经滤波的信号进行低阀值整形处理；
(7)将经整形的脉冲信号输入到单片机计数端口进行下述处理：(A)进行秒计数及数字滤波；(B)保存当前秒计数(C)记录最大秒计数(D)比较当前秒计数和最大秒计数，
若(a)当前秒计数为零、(b)最大秒计数在增加或(c)当前秒计数相对于最大秒计数的落差比：(最大秒计数-当前秒计数)/最大秒计数小于20％时，重新进行秒计数并继续加热；
若(d)当前秒计数相对于最大秒计数的落差比大于20％时单片机选择对低频信号进行高阀值整形处理，当秒计数大于零时，判定水已达沸点。
2.根据权利要求1所述的一种用压电效应振动传感器识别水沸点的方法，其特征是所述的低阀值是指与单片机相联的阀值控制I/O口为输入时，高阀值是指与单片机相联的阀值控制I/O口为输出低电平时，同时要求高阀值比低阀值大于1V以上。
3.根据权利要求1所述的一种用压电效应振动传感器识别水沸点的方法，其特征是所述的秒计数的间隔周期为500ms～1s。
4.一种实现权利要求1所述方法的压电效应振动传感器，该压电效应振动传感器(1)包括封闭外壳(11)，设置在封闭外壳(11)内的压电陶瓷蜂鸣片(12)，与压电陶瓷蜂鸣片(12)其中一面接触的压重块(13)，两根输出信号线(14)的内端分别焊在压电陶瓷蜂鸣片(12)的银极(12a)和铜板(12b)上引出至封闭外壳(11)外，其特征是：所述的压重块(13)位于压电陶瓷蜂鸣片(12)的铜板(12b)一侧。
5.根据权利要求4所述的压电效应振动传感器，其特征是：所述封闭外壳(11)的内中部设有管状导向体(11a)，压重块(13)放置在该导向体(11a)内。
6.根据权利要求4或5所述的压电效应振动传感器，其特征是：所述的压重块(13)与压电陶瓷蜂鸣片(12)的铜板(12b)的接触面为球面。
7.根据权利要求4所述的压电效应振动传感器，其特征是：所述压电陶瓷蜂鸣片(12)的优选型号为C2720A-0.4。
8.一种实现权利要求1所述方法的电路，其特征是由权利要求2所述的压电效应振动传感器(1)、阻抗变换电路(2)、直流隔离电路(3)、放大电路(4)、高频滤波电路(5)、整形和阀值选择电路(6)和单片机(7)组成；压电效应振动传感器(1)两个信号输出端的其中一个输出端联接阻抗变换电路(2)，另一输出端接地；阻抗变换电路(2)的输出联接直流隔离电路(3)，直流隔离电路(3)的输出联接放大电路(4)、放大电路(4)与高频滤波电路(5)并联，放大电路(4)的输出与整形和阀值电路(6)相联，整形和阀值电路(6)的整形脉冲输出联接单片机(7)的计数端口，阀值选择的控制端联接单片机(7)的I/O口。
9.根据权利要求8所述的电路，其特征是所述的阻抗变换电路(2)是由负载电阻R1和第一级运算放大器IC1A组成；直流隔离电路(3)为电解电容C1；放大电路(4)是由负载电阻R2、第二级运算放大器IC1B、电阻R3、电阻R4组成；高频滤波电路(5)是由反馈电阻R5、反馈电容C2组成；整形和阀值电路(6)是由电阻R6、分压电阻R7、三极管Q1、上拉电阻R8和阀值选择电阻R9组成；负载电阻R1与压电效应振动传感器(1)的两个输出信号端并联，压电效应振动传感器(1)的交流输出信号的任意一极联接第一级运算放大器IC1A的同相端，交流输出信号的另一极接地；第一级运算放大器IC1A的反相端与第一级运算放大器IC1A的输出端相联；第一级运算放大器IC1A的输出端与电解电容C1的正端相联；电解电容C1的负端与接地的负载电阻R2相联，电解电容C1的负端同时与第二级运算放大器IC1B的同相端通过电阻R3相联；第二级运算放大器IC1B的反相端通过电阻R4接地，第二级运算放大器IC1B的反相端通过反馈电阻R5和第二级运算放大器IC1B的输出端相联，第二级运算放大器IC1B的反相端通过反馈电容C2和第二级运算放大器IC1B的输出端相联；第二级运算放大器IC1B的输出端通过电阻R6与三极管Q1的基极相联，三极管Q1的基极通过分压电阻R7接地，三极管Q1的基极通过可控制的阀值选择电阻R9与单片机(7)的I/O口相联，三极管Q1的发射极接地，上拉电阻R8与三极管Q1的集电极相联；三极管Q1的集电极联接单片机(7)的计数器端口。
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