CN105445366B - 基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器 - Google Patents

Abstract

基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器，涉及湿度测量技术领域，解决现有露点传感器测量声表面波器件是否结霜或结露时，存在测量结果不准确的问题，本发明的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；包括声表面波器件驱动电路、混频电路、滤波电路、放大电路、整形电路、频率测量电路、温度测量元件、制冷系统、PID控制电路和综合控制电路；第一声表面波器的表面、第二声表面波器件的表面设置叉指换能器；本发明根据声表面波器件其表面状态不同，输出信号不同，其表面是否结露敏感元件的输出信号不同，所述的传感器在很宽的温度范围内都有很高的测量精度。

Description

基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器

技术领域

本发明涉及湿度测量技术领域，具体涉及一种基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器。

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有凝结物，但发射二极管和接收三极管在宽的工作范围内都有温漂，造成测量结果不准确等问题。

发明内容

本发明为解决现有露点传感器测量声表面波器件是否结霜或结露时，存在测量结果不准确的问题，提供一种基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器。

基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器，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；包括声表面波器件驱动电路、混频电路、滤波电路、放大电路、整形电路、频率测量电路、温度测量元件、制冷系统、PID控制电路和综合控制电路；其特征是，第一声表面波器的表面、第二声表面波器件的表面设置叉指换能器；

所述声表面波器件驱动电路，用于驱动第一声表面波器件和第二声表面波器件，使所述第一声表面波器件和第二声表面波器件产生两路高频正弦波信号；

所述混频电路与声表面波器件驱动电路连接，将所述两路高频正弦波信号变为混频正弦波信号；

所述滤波电路与混频电路连接，用于将所述混频正弦波信号中的高频信号滤掉，留下低频正弦波信号；

所述放大电路与滤波电路连接，用于将所述的低频正弦波信号放大；

所述整形电路与放大电路连接，用于将所述放大后的低频正弦波信号变为方波信号；

所述频率测量电路与整形电路连接，用于测量低频的方波信号，并将测量的频率值传递给综合控制电路；

所述温度测量元件有两个，第二温度测量元件用于测量空气温度，第一温度测量元件用于测量第一声表面波器件表面的温度；

所述制冷系统用于降低第一声表面波器件表面的温度，使所述第一声表面波器件表面形成凝结物；

所述综合控制电路与整形电路连接，获得两个声表面波敏感元件混频之后的差频信号；如果差频信号的频率变化小于100Hz，表明第一声表面波器件表面没有结露或霜，综合控制电路发送指令到PID控制电路，使PID控制电路继续使制冷系统制冷；如果差频信号的频率变化大于400Hz，表明第一声表面波器件表面结露或霜，综合控制电路发送指令到PID控制电路，使PID控制电路使制冷系统停止制冷，并升高制冷系统的温度，使第一声表面波器件表面的露或霜消散；

在确定第一声表面波器件表面结露或霜后，测量第一温度测量元件的温度，同时测量第二温度测量元件的温度，通过获得的第一声表面波器件表面的温度和第二温度测量元件的环境温度，通过Goff-Gratch公式可获得环境湿度。

本发明专利的有益效果：本发明所述的双路声表面波器件补偿型的露点传感器的判断是否结露的敏感元件为声表面波器件，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，而且采用了两个声表面波器件的结构，一个用于判断是否有凝结物，一个用于温度补偿，使传感器在很宽的温度范围内都有很高的测量精度。整个传感器可以在很宽的温度范围(-40℃～50℃)内工作，在工作范围内可以进行温度补偿，提高了露点的测量精度。

附图说明

图1为本发明所述的基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器的工作原理图；

图2为本发明所述的基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器的混频电路的示意图。

图3为本发明所述的基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器的PID控制工作原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3说明本实施方式，基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器，包括两个声表面波器件、声表面波器件驱动电路、混频电路、滤波电路、放大电路、整形电路、频率测量电路、温度测量元件、制冷系统、PID控制电路和综合控制电路等。

所述两个声表面波器件，第一声表面波器件的表面与空气接触，用于判断其表面是否有凝结物，第二声表面波器件的表面不与空气接触，为密闭结构，用于参与温度补偿；所述声表面波器件驱动电路，用于驱动两个声表面波器件，使其可以振荡，产生正弦波振荡信号；所述混频电路与声表面波器件驱动电路连接，将两路高频正弦波混频变为混频正弦波信号；所述滤波电路与混频电路连接，用于将混频后正弦波信号中的高频信号滤掉，留下低频信号；所述放大电路与滤波电路连接，用于将留下的低频信号放大；所述整形电路与放大电路连接，用于将放大后的正弦波信号变为方波信号；所述频率测量电路与整形电路连接，用于测量低频信号；所述温度测量元件有两个，第二温度测量元件用于测量空气温度，第一温度测量元件用于测量第一声表面波器件的表面温度；

所述制冷系统用于降低第一声表面波器件表面的温度，使其表面形成凝结物；所述综合控制电路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整形电路连接，得到两个声表面波敏感元件混频之后的差频信号，如果差频信号基本没有变化，如频率变化小于100Hz，则第一声表面波敏感元件没有结露或霜，综合控制电路发送指令到PID控制电路，使PID控制电路继续使帕尔贴制冷组件继续制冷。如果差频信号变化突然变化较大，如频率变化大于400Hz，表明第一声表面波敏感元件结露或霜，综合控制电路发送指令到PID控制电路，使PID控制电路使帕尔贴制冷组件停止制冷，并升高帕尔贴制冷组件的温度，使声表面波敏感元件表面的露或霜消散。在确定声表面波敏感元件表面结露或霜后，通过测量第一温度测量元件的温度，得到第一声表面波敏感元件表面的温度，同时测量第二温度测量元件的温度和环境的温度，并通过Goff-Gratch公式计算得到环境湿度。

结合图2说明本实施方式，混频是把作用在非线性电路上的高频调幅波与本振高频波变换成比载频低的中频调幅波。混频器由非线性器件、信号回路、本机振荡器和中频滤波器组成。混频器应具有混频增益高、噪音系数小和失真干扰要小的特点，一般有晶体三极管混频电路和晶体二极管混频电路两钟。本发明专利采用二极管混频电路，具体的为二极管环形混频器，并且采用封装好的二极管环形混频器，它的四个二极管经过挑选，这四个二极管的工作特性相近，输入、输出阻抗均为50Ω，混频损耗低，这四个二极管组成二极管电桥。信号通过巴伦电路(巴伦电路的本质是一种变压器，在电路中的作用是把“与参考地相对平衡的电信号”和“与参考地相对不平衡的电信号”进行相互转换和匹配)进行阻抗匹配再进入二极管电桥进行混频。信号端口通过信号端巴伦连接一个声表面波敏感元件的输出信号，本振端口通过本振端巴伦连接另一个声表面波敏感元件的输出信号，最终在中频输出端将混频后的中频信号输出。

结合图3说明本实施方式，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单，鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。而实际工业过程往往具有非线性，时变不确定性，难以建立精确的数学模型，应用常规的PID控制器整定不良，性能欠佳，不能达到理想的控制效果。本设计控制算法采用模糊PID控制算法加PWM脉宽调制方式控制半导体制冷组件的温度，控温精度可达±0.05℃。Kp为比例项，引发控制器振荡的参数，P越大控制器反应越快。Ki为积分项，Ki越大，振荡曲线的抛物线就越平缓，直至控制器稳定，但Ki太大，同样引发控制器反应慢。Kd为微分项，Kd越大，控制器反应快一点。在控制的不同阶段采用不同的控制系数组合可以加快PID调节的时间。

本实施方式所述的声表面波器件驱动电路采用驱动芯片为ADL5324，混频电路采用驱动芯片型号为ADRF6612，滤波电路采用驱动芯片型号为AD8692，

本实施方式所述的制冷系统包括帕尔贴制冷组件和散热组件，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-40℃～50℃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。两个温度测量元件为PT100铂电阻，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。整个传感器的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 (5)

1.基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器，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；包括声表面波器件驱动电路、混频电路、滤波电路、放大电路、整形电路、频率测量电路、温度测量元件、制冷系统、PID控制电路和综合控制电路；其特征是，第一声表面波器的表面、第二声表面波器件的表面设置叉指换能器；

所述声表面波器件驱动电路，用于驱动第一声表面波器件和第二声表面波器件，使所述第一声表面波器件和第二声表面波器件产生两路高频正弦波信号；

所述混频电路与声表面波器件驱动电路连接，将所述两路高频正弦波信号变为混频正弦波信号；

所述滤波电路与混频电路连接，用于将所述混频正弦波信号中的高频信号滤掉，留下低频正弦波信号；

所述放大电路与滤波电路连接，用于将所述的低频正弦波信号放大；

所述整形电路与放大电路连接，用于将所述放大后的低频正弦波信号变为方波信号；

所述频率测量电路与整形电路连接，用于测量低频的方波信号，并将测量的频率值传递给综合控制电路；

所述温度测量元件有两个，第二温度测量元件用于测量空气温度，第一温度测量元件用于测量第一声表面波器件表面的温度；

所述制冷系统用于降低第一声表面波器件表面的温度，使所述第一声表面波器件表面形成凝结物；

所述综合控制电路与整形电路连接，获得两个声表面波敏感元件混频之后的差频信号；

如果差频信号的频率变化小于100Hz，表明第一声表面波器件表面没有结露或霜，综合控制电路发送指令到PID控制电路，使PID控制电路继续使制冷系统制冷；

如果差频信号的频率变化大于400Hz，表明第一声表面波器件表面结露或霜，综合控制电路发送指令到PID控制电路，使PID控制电路使制冷系统停止制冷，并升高制冷系统的温度，使第一声表面波器件表面的露或霜消散；

在确定第一声表面波器件表面结露或霜后，测量第一温度测量元件的温度，同时测量第二温度测量元件的温度，通过获得的第一声表面波器件表面的温度和第二温度测量元件的环境温度，通过Goff-Gratch公式可获得环境湿度；

所述第一声表面波器件表面与空气接触，用于判断其表面是否有凝结物，第二声表面波器件表面不与空气接触，为密闭结构，用于参与温度补偿；

所述混频电路为二极管混频器，所述二极管混频器由非线性器件、信号回路、本机振荡器和中频滤波器组成。

2.根据权利要求1所述的基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器，其特征在于，所述制冷系统由帕尔贴制冷组件和散热组件组成。

3.根据权利要求2所述的基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器，其特征在于，所述帕尔贴制冷组件为四层帕尔贴制冷组件，所述四层帕尔贴制冷组件的形状为金字塔形状，最上端面积最小的制冷组件与第一声表面波器件接触。

4.根据权利要求2所述的基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器，其特征在于，所述散热组件为多片圆形的散热片。

5.根据权利要求1所述的基于双路声表面波器件补偿型的露点传感器，其特征在于，所述第一温度测量元件和第二温度测量元件为铂电阻PT100。