CN104458809B - 一种用于露点识别的石英谐振敏感电路 - Google Patents

Abstract

一种用于露点识别的石英谐振敏感电路，它包括：Colpitts振荡电路、快速电压比较电路和可重触发单稳态触发电路；Colpitts振荡电路的信号输出端与快速电压比较电路的信号输入端相连，快速电压比较电路的信号输出端与可重触发单稳态触发电路的信号输入端相连。本发明中的石英晶体作为电路中的选频元件同时也作为感湿元件，其表面相态的变化直接影响整个电路的电特性从而导致此电路输出结果的不同，利用此敏感机理可以将电路输出结果的突变作为一种露点识别的手段。本电路具有结构简单、灵敏度极高、可靠性好、成本低的优点。

Description

一种用于露点识别的石英谐振敏感电路

技术领域：

本发明涉及一种用于露点识别的石英谐振敏感电路，它是一种由三个分支电路组合构成的对于石英晶体谐振器电极表面结露现象极为敏感的测量电路。属于湿度传感器技术领域。

背景技术：

空气中水汽的含量，即所谓的湿度。湿度的精密、快速测量是气敏传感器中的难点之一。湿度通常有三种基本形式，即绝对湿度、相对湿度、露点温度，三者存在紧密的联系，并且可以互为换算。其中露点温度的测量已被国际公认为最精密的湿度测量方法。

露点温度是表示空气中水汽含量和气压不变的条件下冷却达到饱和时的温度，单位用摄氏度(℃)表示。露点测量其关键技术在于露点的探测与识别。目前主要的露点识别技术有冷凝光电法、声波法以及晶体振荡法。

冷凝光电法是利用等压冷却或者半导体制冷方法使被测气体中的水蒸气开始出现露或霜，测量此时的温度，即为该气体的露(霜)点。它的识别原理是以观察抛光镜面的亮度确定露点温度。光学冷镜式露点仪就是利用此原理制作的露点测量装置，主要缺点是抗污染能力差，响应速度慢，不能进行露点的连续测量，价格高昂。

声波法的工作原理是当传感器表面没有露(霜)层时,声表面波没有变化；随着温度的降低,当传感器表面有露(霜)形成后,就会引起声表面波的变化。通过分析接收到的声表面波信号的频率和振幅,控制帕尔帖致冷器调节传感器表面的温度,使得水汽的冷凝速度和露(霜)层的蒸发速度达到平衡状态,在传感器表面形成一层均匀的露(霜),由铂热电阻温度计测得气体的露点温度。声表面波露点仪对温度的控制精度有很高的要求。

石英晶振(QCM)技术是通过监控带吸湿涂层的石英晶体的频率变化来实现的，该晶体对水分有特别灵敏的响应。晶体表面涂层吸收一定量的水分导致有效质量增加，从而降低晶体的共振频率，使该频率直接对应到水气分压。上述过程完全可逆，并不受长期漂移影响，可靠性高、重复性好。这是一项较新的技术，目前尚处于不十分成熟阶段，国外有相关的产品，但是精度不高并且成本很高。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种用于露点识别的石英谐振敏感电路，石英晶体作为电路中的选频元件同时也作为感湿元件，其表面相态的变化直接影响整个电路的电特性从而导致此电路输出结果的不同，利用此敏感机理可以将电路输出结果的突变作为一种露点识别的手段。本电路具有结构简单、灵敏度极高、可靠性好、成本低的优点。

为实现上述的目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明一种用于露点识别的石英谐振敏感电路，包括：Colpitts振荡电路、快速电压比较电路和可重触发单稳态触发电路；它们相互之间的关系是：Colpitts振荡电路的信号输出端与快速电压比较电路的信号输入端相连，快速电压比较电路的信号输出端与可重触发单稳态触发电路的信号输入端相连。

所述Colpitts振荡电路，由石英晶体谐振器、电容、电阻、三级管以及电源组成，它们相互之间的连接关系是：石英晶体谐振器与电容C1串联之后与电容C2和C3并联，电容C3与石英晶体谐振器相连处接地，电容C2的两端分别与三极管的集电极和发射极相连，电容C5、电阻R1和电源组成串联回路之后并联在电容C1和石英晶体谐振器两端，三极管的基极与电阻R1一端相连，电阻R2与电容C3并联，电容C4的一端与三极管的发射极相连，另一端作为Colpitts振荡电路的信号输出端与后续电路的信号输入端相连。如图1所示。电路中各个电容和电阻的具体参数根据晶振的不同进行调整，以达到静态工作点的要求。满足静态工作点且供电后，该电路具有两种工作状态：振荡状态和停振状态。石英晶体谐振器作为Colpitts振荡电路中的选频元件，当其表面电极区域有凝露产生，就会使其本身阻抗特性发生突变从而导致Colpitts振荡电路停止振荡，电路输出一个直流偏置；反之，当晶体表面电极区域一直处于干燥状态时，Colpitts振荡电路会一直处于稳定的谐振状态，并输出振幅稳定的正弦信号。因此，随着石英晶体谐振器电极表面的相态变化，Colpitts振荡电路会输出间歇的正弦信号。

该石英晶体谐振器选用频率为4MHz的无源晶振；该电容选取无极性固定电容，C1、C2、C3分别为100pF，C4为0.05uF，C5为0.01uF；该电阻R1、R2分别选取220KΩ和1KΩ的精密电阻；该三级管选取NPN型低功率三极管；该电源选取+12V稳压直流电源；

所述快速电压比较电路，由MAX912CPE型芯片、滑动变阻器和电源组成。它们相互之间的关系是：MAX912CPE型芯片的+5V电源端与接地端之间插入滑动变阻器形成完整回路，芯片的管脚8与前端的Colpitts振荡电路信号输出端相连，管脚1是快速电压比较电路的信号输出端，与后面电路的信号输入端相连，具体连接关系如图1所示。

该MAX912CPE型芯片为快速电压比较器；该滑动变阻器可调电阻范围为0～10KΩ；该电源分别选取+5V和-5V的稳压直流电源；

其中，滑动变阻器和电源可以为MAX912CPE型芯片提供参考电压，当Colpitts振荡电路输出的电信号作为快速电压比较电路的输出信号时，输入信号的电压与参考电压进行比较，当输入信号的电压低于参考电压，则快速电压比较电路会输出与Colpitts振荡电路振荡周期相同的间歇方波信号。

所述可重触发单稳态触发电路，由SN74123D芯片、滑动变阻器、电容和电源组成。它们相互之间的关系是：SN74123D芯片的电源端与15管脚之间由电容相连，管脚15与管脚16之间由滑动变阻器相连，管脚2作为信号输入端与快速电压比较电路的输出信号端相连，管脚11为电路的信号输出端，具体连接关系如图1所示；

该SN74123D芯片为可重触发单稳态触发器；该滑动变阻器的电阻可调范围为0～20KΩ；该电容C6选取无极性固定电容，参数为100pF；该电源选取+12V稳压直流电源；

这一信号调理电路将快速电压比较电路输出的间歇式方波信号调理为与Colpitts电路振荡状态相对应的高低电平，间歇式方波信号有方波时调理电路输出高电平，无信号时调理电路输出低电平。

本发明优点及功效：

本发明实现了一种用于对凝露现象进行识别的石英谐振敏感电路，此电路将原始的正弦谐振信号转化为变送器或测量仪器便于检测和识别的高低电平信号。当感湿元件即石英晶体谐振器电极表面处于干燥状态时，电路输出为高电平直流偏置；当感湿元件表面处于结露状态时，电路输出为低电平直流偏置。利用高低电平的突变对结露时刻进行识别，具有极高的灵敏度和很强的重复性，更具有硬件成本低、抗外界干扰性强等特点。

附图说明：

图1用于识别露点的石英谐振敏感电路图；

图2信号调理电路的信号转换原理图；

图3敏感电路在露点识别试验中的输出曲线

图中符号、代号说明如下:

R1、R2为精密电阻，R3、R4为滑动变阻器，C1～C6为无极性固定电容，Z为石英晶体谐振器，Q1为NPN型低功率三极管，GND为电路的接地端，MAX912CPE与SN74123D为芯片型号。

具体实施方式

见图1，本发明一种用于识别露点的石英谐振敏感电路，该电路由Colpitts振荡电路、快速电压比较电路和可重触发单稳态触发电路三部分组成。它们相互之间的关系是：Colpitts振荡电路的信号输出端与快速电压比较电路的信号输入端相连，快速电压比较电路的信号输出端与可重触发单稳态触发电路的信号输入端相连。

每一部分的作用与其彼此间变换原理如图2所示。

参照图1，该电路分别由三部分功能电路组成：

1)Colpitts振荡电路中Z是石英晶体谐振器，C1～C5分别为无极性固定电容，R1，R2为精密电阻，Q1为NPN型低功率三级管，电源为+12V稳压直流电源。电路中各个电容和电阻的具体参数根据晶振Z的不同进行调整，以达到静态工作点的要求。在本发明中，选取的元件参数分别为：C1、C2、C3分别为100pF，C4为0.05uF，C5为0.01uF，石英晶体谐振器选取4MHz频率的无源晶振，满足静态工作点且供电后，该电路具有两种工作状态：振荡状态和停振状态。当感湿元件即石英晶体谐振器电极表面处于干燥状态时，电路维持振荡且输出为正弦信号；当感湿元件表面处于结露状态时，电路停止振荡且输出为一直流偏置信号。

2)快速电压比较电路是通过MAX912CPE快速电压比较器实现的。图1中芯片MAX912CPE的7管脚通过一个滑动变阻器(可调电阻范围为0～10KΩ)与+5V直流电源相接，可以为电压比较器提供0～+5V的参考电压。Colpitts振荡电路输出的间歇式正弦信号输入芯片MAX912CPE的8管脚，与7管脚的参考电压进行比较，若输入电压高于给定参考电压则输出高电平信号，若输入电压低于给定参考电压则输出低电平信号。

3)可重触发单稳态触发电路通过可重触发单稳态触发器芯片SN74123D和外围电路实现。这一信号调理部分将图2中的间歇方波信号调理为与电路振荡状态相对应的高低电平信号。图1中芯片SN74123D清零端(3管脚)接高电平(+5V直流电)，1管脚接地，2管脚接输入信号，每输入一个上升沿，13管脚输出一个正脉冲。正脉冲的宽度Tw由外围电路的R4和C6决定。经验公式为：

T_w＝0.7*R₄*C₆ (1)

将电阻R4设计为滑动变阻器(可调电阻范围为0～20KΩ)，通过调节R4使Tw略大于晶振的振荡周期T，这样既可以保证当芯片SN74123D的2管脚有连续上升沿输入时电路输出连续的高电平，并且能够达到最大的转换速度。最终可实现：当Colpitts振荡电路维持振荡时，信号调理电路的输出为高电平信号；当Colpitts振荡电路停止振荡时，信号调理电路的输出为低电平信号。

见图3，为本发明的石英谐振敏感电路在实际露点识别试验中所得到的测量曲线，在感湿元件表面处于干燥的时候电路输出为高电平信号，当湿度发生变化之后，感湿元件表面形成凝露的时候电路输出就变为低电平信号，反复改变湿度环境，就会发现电路输出信号会跟随变化，结果验证了此电路作为露点识别具有极高的灵敏度和可靠性，并且具有较强的抗干扰特性以及较宽的温度范围。由于本电路的设计成本较低，加之测量精度和灵敏度极高，因此可以用来作为露点传感器的敏感电路得到广泛使用。

Claims (1)

1.一种用于露点识别的石英谐振敏感电路，其特征在于：它包括：Colpitts振荡电路、快速电压比较电路和可重触发单稳态触发电路；Colpitts振荡电路的信号输出端与快速电压比较电路的信号输入端相连，快速电压比较电路的信号输出端与可重触发单稳态触发电路的信号输入端相连；

所述Colpitts振荡电路，由石英晶体谐振器、电容、电阻、三级管以及电源组成，石英晶体谐振器与电容C1串联之后与电容C2和C3并联，电容C3与石英晶体谐振器相连处接地，电容C2的两端分别与三极管的集电极和发射极相连，电容C5、电阻R1和电源组成串联回路之后并联在电容C1和石英晶体谐振器两端，三极管的基极与电阻R1一端相连，电阻R2与电容C3并联，电容C4的一端与三极管的发射极相连，另一端作为Colpitts振荡电路的信号输出端与后续电路的信号输入端相连；电路中各个电容和电阻的具体参数根据晶振的不同进行调整，以达到静态工作点的要求；满足静态工作点且供电后，该电路具有两种工作状态：振荡状态和停振状态；石英晶体谐振器作为Colpitts振荡电路中的选频元件，当其表面电极区域有凝露产生，就会使其本身阻抗特性发生突变从而导致Colpitts振荡电路停止振荡，电路输出一个直流偏置；反之，当晶体表面电极区域一直处于干燥状态时，Colpitts振荡电路会一直处于稳定的谐振状态，并输出振幅稳定的正弦信号，因此，随着石英晶体谐振器表面电极区域的相态变化，Colpitts振荡电路会输出间歇的正弦信号；

该石英晶体谐振器选用频率为4MHz的无源晶振；电容C1、电容C2、电容C3、电容C4及电容C5选取无极性固定电容，该电阻R1、R2选取精密电阻；该三级管选取NPN型低功率三极管；该Colpitts振荡电路中的电源选取+12V稳压直流电源；

所述快速电压比较电路，由MAX912CPE型芯片、滑动变阻器和电源组成，MAX912CPE型芯片的+5V电源端与接地端之间插入滑动变阻器形成完整回路，芯片的管脚8与前端的Colpitts振荡电路信号输出端相连，管脚1是快速电压比较电路的信号输出端，与后面电路的信号输入端相连；该MAX912CPE型芯片为快速电压比较器；快速电压比较电路中的滑动变阻器可调电阻范围为0～10KΩ；快速电压比较电路供电的稳压直流电源两端分别接入+5V和-5V；

其中，滑动变阻器和电源为MAX912CPE型芯片提供参考电压，当Colpitts振荡电路输出的电信号作为快速电压比较电路的输出信号时，输入信号的电压与参考电压进行比较，当输入信号的电压低于参考电压，则快速电压比较电路会输出与Colpitts振荡电路振荡周期相同的间歇方波信号；

所述可重触发单稳态触发电路，由SN74123D芯片、滑动变阻器、电容和电源组成，SN74123D芯片的电源端与15管脚之间由电容相连，管脚15与管脚16之间由滑动变阻器相连，管脚2作为信号输入端与快速电压比较电路的输出信号端相连，管脚11为电路的信号输出端；

该SN74123D芯片为可重触发单稳态触发器；可重触发单稳态触发电路中的电阻可调范围为0～20KΩ；该电容C6选取无极性固定电容；可重触发单稳态触发电路中的电源选取+12V稳压直流电源。