CN105424750A - 基于声表面波敏感元件的露点传感器 - Google Patents

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Abstract

基于声表面波敏感元件的露点传感器，涉及湿度测量技术领域，解决现有露点传感器测得的结果是霜点还是露点不能自动区分，需要人工观察，且不能用于野外无人值守的环境以及体积较大、携带不便等问题，该露点传感器位于湿度反应室内，实现对声表面波敏感元件表面是否为露点或霜点的判断；包括制冷组件、散热组件、测温元件A、声表面波信号测量电路、PID控制电路和综合控制电路；在声表面波敏感元件的表面设置声电换电器；判断声表面波敏感元件的表面是否有凝结物，进而判断凝结物是露还是霜。通过得到露或者霜的温度，再通过空气温度，就可以得到空气的相对湿度。整个传感器可以在很宽的温度范围内工作，不需要人工观测，提高了露点的测量精度。

Description

基于声表面波敏感元件的露点传感器
技术领域
本发明涉及湿度测量技术领域，具体涉及一种基于声表面波敏感元件的露点传感器。
背景技术
湿度传感器在大气测量、环境监测和工业控制等方面有广泛的应用，该类传感器一般有传统的吸附式湿度传感器、光电式湿度传感器以及露点式湿度传感器等。传统的光电式露点传感器采用光学原理判断镜面表面是否结露，从而给出环境的露点，但是结露和结霜都会造成光信号的衰减，传统的光电式露点传感器不能判断镜面表面是结露还是结霜(露或霜其表面的水汽压是不同的，根据露点算相对湿度要用不同的公式，如果都用露或霜的公式，相对湿度计算的结果相差比较大)，需要人工通过观察镜观察给出是霜点还是露点，不能用于野外无人值守的环境，并且体积较大，携带不方便。
发明内容
本发明为解决现有露点传感器测得的结果是霜点还是露点不能自动区分，需要人工观察，且不能用于野外无人值守的环境以及体积较大、携带不便等问题，本发明提供一种基于声表面波敏感元件的露点传感器。
基于声表面波敏感元件的露点传感器，该露点传感器位于湿度反应室内，实现对声表面波敏感元件表面是否为露点或霜点的判断；包括制冷组件、散热组件、测温元件、声表面波信号测量电路、PID控制电路和综合控制电路；在声表面波敏感元件的表面设置声电换电器；所述制冷组件设置在声表面波敏感元件的底部，用于对声表面波敏感元件强制制冷，使所述声表面波敏感元件表面结露或者结霜；所述PID控制电路用于根据综合控制电路的指令，控制制冷组件的制冷速度；所述测温元件用于测量声表面波敏感元件表面的温度；所述散热组件设置在制冷组件的底部，用于将所述制冷组件产生的热能传到空气中；
所述声表面波信号测量电路用于测量声表面波敏感元件表面声电换电器输出的电信号，根据信号的频率和振幅变化，判断声表面波敏感元件表面是露点还是霜点；所述综合控制电路根据声表面波信号测量电路测得声表面波敏感元件表面电信号，控制PID控制电路。
本发明的有益效果：本发明所述的基于声表面波敏感元件的露点传感器的判断是否结露的敏感元件为声表面波敏感元件，其表面状态不同，输出信号不同，其表面是否结露敏感元件的输出信号不同，其表面结露或结霜时其输出的信号也不同，根据其输出的不同的信号可以判断其表面是否有凝结物，并可以判断凝结物是露还是霜。通过得到露或者霜的温度，再通过空气温度，就可以得到空气的相对湿度。整个传感器可以在很宽的温度范围(-40℃～50℃)内工作，霜点还是露点可以自动判断，不需要人工观测，提高了露点的测量精度，可以用于室外无人值守的条件。
附图说明
图1为本发明所述的基于声表面波敏感元件的露点传感器的整个工作框图；
图2为本发明基于声表面波敏感元件的露点传感器的湿度反映室的工作示意图。
图3为本发明所述的基于声表面波敏感元件的露点传感器的声表面波的结构示意图；
图4为本发明所述的基于声表面波敏感元件的露点传感器的原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，基于声表面波敏感元件的露点传感器，包括声表面波敏感元件1、两个测温元件、帕尔贴制冷组件2、散热组件3、微型气泵9、声表面波信号测量电路4、PID控制电路5和综合控制电路6。在声表面波敏感元件1的表面设置声电换电器7；
所述温度测量元件有两个，测温元件A用于测量声表面波敏感元件表面的温度，测温元件B用于测量空气的温度；所述帕尔贴制冷组件与声表面波敏感元件底面接触，用于强制制冷，使声表面波敏感元件表面由于温度降低结露或者结霜；所述散热组件3与帕尔贴制冷组件2的底面接触，用于将帕尔贴制冷组件产生的热能传到空气中；所述微型气泵用于将外界的空气导入湿度反应室；所述声表面波信号测量电路用于识别声表面波敏感元件的输出信号，提供声表面波敏感元件表面状态变化的电信号；
所述PID控制电路5用于调节帕尔贴制冷组件的制冷速度，使其在不同的环境温度下都可以匀速降温和升温；
所述综合控制电路6用于控制和协调整个传感器各个功能部件之间的状态，保证传感器正常工作。综合控制电路首先与声表面波信号测量电路通信，得到声表面波敏感元件表面的状态，如果没有结露或霜，发送指令到PID控制电路5，使PID控制电路5继续使帕尔贴制冷组件继续制冷。如果结露或霜，综合控制电路发送指令到PID控制电路5，使PID控制电路5使帕尔贴制冷组件2停止制冷，并升高帕尔贴制冷组件2的温度，使声表面波敏感元件1表面的露或霜消散。在确定声表面波敏感元件表面结露或霜后，通过测量温度测量元件的温度，得到声表面波敏感元件表面的温度和环境的温度，并通过计算得到环境湿度。
本实施方式中还包括强制通风防辐射罩8，其作用为防止太阳辐射对测温元件测量空气温度的影响，轴流风机10将外界的空气强制导入到强制通风防辐射罩内，微型气泵9再将强制通风防辐射罩内的空气导入湿度反应室内，在湿度反应室内进行露点或霜点的判断。控制电路负责整个传感器各个部件的协调工作。
结合图2说明本实施方式，图2为基于声表面波敏感元件的湿度反映室工作示意图。外界空气通过微型气泵导入湿度反映室后，帕尔贴制冷组件强制制冷，与帕尔贴制冷组件冷端接触的声表面波敏感元件表面温度下降，当温度低于空气的饱和温度时，其表面会结露或霜。当结露或霜时，通过测温元件测量声表面波敏感元件表面的温度，再通过测量空气温度装置得到空气温度，将声表面波敏感元件测量的是露还是霜，用露点或者霜点带入公式，就可以得到空气的相对湿度。
图3为基于声表面波敏感元件的声表面波的结构示意图。声表面波敏感元件是在压电基片上制作两个声电换能器，即发射(输入)叉指换能器和接收(输出)叉指换能器。叉指换能器是通过金属沉积在基片表面后蚀刻而成，实现声电之间的换能作用。发射端发射一定频率的电磁波，电磁波在石英晶片表面转化为声波，声波沿着晶片表面传送到接收端，接收端把声波再转换成电磁波。当石英晶片表面有凝结物形成时，凝结物就会对声波有一定的吸收作用，通过处理、比较接收端电磁波信号频率和振幅的变化，可快速准确地确定凝结物的状态，再利用铂电阻PT100精确地测量出此时石英表面的温度。
本实施方式所述的声表面波信号测量电路采用FPGA芯片，其型号为A3P060，运行速度可以达到200MHz，采用倒数测频率的方式，测量频率精度可以达到0.1Hz。在通过功率测量芯片AD8364可以测量声表面波敏感元件输出的波形的功率，通过功率和频率可以判读其表面状态。
所述的帕尔贴制冷组件采用四层结构，型号为TEC4-24604T125，为金字塔形状，最上端面积最小与声表面波敏感元件接触，其制冷能力可以达到-107℃的温差，满足野外的工作温度范围的要求。
散热组件采用强制通风散热，其结构为圆形的多片散热片，并且中间有一个风扇，加快散热片与外界的热交换。
本实施方式所述的测温元件为铂电阻PT100，其测量精度高，长期稳定性好，可以满足露点0.1℃精度的要求。综合控制电路的CPU采用STM32F103，其主频可以达到72MHz，实时性强，满足协调各个部件工作的要求。

Claims (7)

1.基于声表面波敏感元件的露点传感器，该露点传感器位于湿度反应室内，实现对声表面波敏感元件表面是否为露点或霜点的判断；包括制冷组件(2)、散热组件(3)、测温元件A、声表面波信号测量电路(4)、PID控制电路(5)和综合控制电路(6)；其特征是；在声表面波敏感元件(1)的表面设置声电换电器(7)；
所述制冷组件(2)设置在声表面波敏感元件(1)的底部，用于对声表面波敏感元件(1)强制制冷，使所述声表面波敏感元件(1)的表面结露或者结霜；
所述PID控制电路(5)用于根据综合控制电路(6)的指令，控制制冷组件(2)的制冷速度；
所述测温元件A，用于当声表面波敏感元件(1)的表面结露或结霜时，测量声表面波敏感元件(1)的表面的温度；
所述散热组件(3)设置在制冷组件(2)的底部，用于将所述制冷组件(2)产生的热能传到空气中；
所述声表面波信号测量电路(4)用于测量声表面波敏感元件(1)表面声电换电器输出的电信号，根据信号的频率和振幅变化，判断声表面波敏感元件表面是露点还是霜点；
所述综合控制电路(6)根据声表面波信号测量电路(4)测得声表面波敏感元件(1)表面电信号，控制PID控制电路(5)。
2.根据权利要求1所述的基于声表面波敏感元件的露点传感器，其特征在于，还包括测温元件B，该测温元件B用于测量空气温度，所述测温元件A测量声表面波敏感元件表面的温度，将所述声表面波敏感元件表面的温度和空气温度带入露点或霜点公式，获得空气的相对湿度。
3.根据权利要求1或2所述的基于声表面波敏感元件的露点传感器，其特征在于，还包括设置在湿度反应室外的强制通风防辐射罩(8)和微型气泵(9)，轴流风机(10)将外界的空气导入强制通风防辐射罩(8)内，并通过微型气泵(9)将强制通风防辐射罩(8)内的空气导入湿度反应室内，所述散热组件(3)产生的热能通过轴流风机(10)传到强制通风防辐射罩(8)内的空气中。
4.根据权利要求1所述的基于声表面波敏感元件的露点传感器，其特征在于，所述制冷组件(2)为四层帕尔贴制冷组件，所述四层帕尔贴制冷组件为金字塔形状。
5.根据权利要求1所述的基于声表面波敏感元件的露点传感器，其特征在于，声表面波信号测量电路(6)采用FPGA芯片。
6.根据权利要求1所述的基于声表面波敏感元件的露点传感器，其特征在于，所述PID控制电路(5)采用光电隔离和MOSFET管驱动。
7.根据权利要求2所述的基于声表面波敏感元件的露点传感器，其特征在于，测温元件A和测温元件B为铂电阻PT100。
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