CN105751690A - 新闻纸的印刷环境监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新闻纸的印刷环境监测系统，包括温湿度压力传感器、终端处理模块和上位机，温湿度压力传感器采集温度、湿度、压力和空气密度数据，再将数据通过总线送进终端处理模块，终端处理模块通过串口跟上位机通信，所述温湿度压力传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元包括两个半导体应变片，两个半导体应变片受到膜片内外两侧的压力差和温度激励作用下输出电阻响应，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，信号处理单元通过数据解耦分离出温度、压力和相对湿度数据。实时监测新闻纸的印刷、运输和保存环境的温湿度、气压和空气密度数据，防止新闻纸吸水变形，影响到纸张的质量和使用效果。

Description

新闻纸的印刷环境监测系统

技术领域

本发明属于印刷技术领域，涉及到印刷环境的监测，具体涉及到一种新闻纸的印刷环境监测系统。

背景技术

温湿度、气压和空气密度的波动对新闻纸的印刷适性影响很大,低温低湿有利于新闻纸的印刷和保管,纸张仓库保持温度在18-25℃,相对湿度在60％-70％对新闻纸较合适。从温湿度作用机理的分析可知,只要控制好纸张仓库或印刷环境的温湿度,特别注意温湿度的波动范围不得太大和太快,就可防止很多危害新闻纸的化学反应发生。新闻纸张从制造成品后就一直含有水分,它始终处于一种平衡中,其水分含量随着环境中空气温湿度的变化而变化,新闻纸放在一定温湿度下的空气中,它本身纤维中的含水量与空气中的含水量一直在进行动态的水分交换,时刻保持一种相对平衡。

新闻纸纤维吸水后发生膨胀,纸张的伸缩变化给印刷中带来很多质量故障。比如,卷纸两边的含水量比中间高,两边就会形成“褶痕”,沿着周向会形成紧边凸起的“褶子”,这种纸一旦上机印刷,就会产生皱纹和折痕,严重时会影响纸带的正常运转,会直接撕裂,碰到彩报印刷时,其彩色套印就无法进行。纸张保管的好坏会直接影响到纸张的质量和使用效果。

发明内容

根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种新闻纸的印刷环境监测系统，通过严格监视新闻纸的印刷环境影响因子，包括温湿度、气压和空气密度，防止因环境因素造成新闻纸吸水影响纸张的质量和使用效果。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种新闻纸的印刷环境监测系统，包括温湿度压力传感器、终端处理模块和上位机，温湿度压力传感器采集温度、湿度、压力和空气密度数据，再将数据通过总总线送进终端处理模块，终端处理模块通过串口跟上位机通信，所述温湿度压力传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元包括两个半导体应变片R_ε1和R_ε2，半导体应变片R_ε1和R_ε2设在半径为r₀的圆形膜片上，圆形膜片设在U型支座上，膜片与U型支座间形成一个干燥的空气密封腔，两个半导体应变片受到膜片内外两侧的压力差和温度激励作用下输出电阻响应，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，信号处理单元通过数据解耦分离出温度、压力和相对湿度数据。

所述的终端处理模块包括微处理器、LCD显示屏和触摸屏，微处理器集成了LCD控制器和触摸屏接口，通道7作为触摸屏的X坐标输入，通道5作为触摸屏接口的Y坐标输入。所述的半导体应变片R_ε1设置在圆心位置，R_ε2设置在膜片0.89r₀的圆上，两个半导体应变片在气压激励下各自产生的电阻增量数值相同，正负相反。所述二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，一个半导体应变片对应连接一个脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路包括555定时器、电阻R和电容C，电阻R连接在555定时器的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号到信号处理单元。所述脉冲信号转换电路的脉宽转换公式为τ＝ln2·C·R，式中τ为输出脉宽，R是电路接收的半导体应变片的电阻响应值，C为云母标准电容，脉宽输出τ与各自所接电阻R成正比。所述圆形膜片根据半导体检测单元中的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径0.63r₀的同心圆为界。所述信号处理单元中设有GPS单元和大气压数值表，GPS单元连接在信号处理单元上用来定位传感器安装点的经纬度，查询安装点的大气压数值。所述信号处理单元中设有温度饱和水汽分压表，信号处理单元通过当前温度值调用相应的饱和水汽分压值。所述空气密度的公式ρ_a为：

${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{P_M*M_a}{ZRT}\[1-x_v(1-\frac{M_v}{M_a})\]$

式中：P_M为大气压力，M_a为干燥空气的摩尔质量，下标a表示空气，Z为压缩系数，R为摩尔气体常数，T为采用ITS-90的热力学温度，x_v为水蒸气的摩尔分数值，M_v为水的摩尔质量，下标v表示蒸汽，参量R、M_a和M_a为常量.

本发明有益效果是:本发明提供的温湿度压力传感器，弹性元件系统结构简单、易于实施。通过温度和压差的激励，分离出温度和压力的响应结果。通过数据运算，分解出温度和压力数据，进一步求取湿度和空气密度，利用一种传感器求解了多种环境因子，相较于传统的传感器只能采集一种单一的数据，有较大的改进；实时监测新闻纸的印刷、运输和保存环境的温湿度、气压和空气密度数据，防止新闻纸吸水变形，影响到纸张的质量和使用效果。

附图说明

下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1是本发明的具体实施方式的系统结构框图。

图2是本发明的具体实施方式的传感器中应变片的安装示意图。

图3是本发明的具体实施方式的传感器的结构示意图。

图4是本发明的具体实施方式的应变片的应变分布图。

图5是本发明的具体实施方式的传感器工作原理结构框图。

图6是本发明的具体实施方式的传感器的信号流程框图。

图7是本发明的具体实施方式的脉宽信号转换电路图。

图中1为U型支座，2为空腔，3为膜片，4为半导体应变片R_ε1，5为半导体应变片R_ε2。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

对于新闻纸来说,环境的变化之所以会引起纸张水分的变化,是由于水蒸气进到纤维结构中与大气保持了平衡。新闻纸没有经过涂布胶料的处理,在纤维中含有大量的亲水的基团-OH,而且在纤维间有很多毛细孔隙,所以新闻纸在印刷、运输和保存的过程中易吸水导致纸张变形。

相对湿度对纸张含水量有影响,新闻纸随着湿度的变化进行吸水和排水,在不同的湿度下就具有不同的含水量。新闻纸的含水量随空气相对湿度的提高而增加,随湿度的降低而减小,环境相对湿度每提高10％,纸张含水量上升0.8％左右。新闻纸要达到相同的含水量需要较高的环境湿度,这是因为新闻纸含有二次纤维,其吸水没有一次纤维吸水高。在低温低湿组(10℃，30％RH)环境下，新闻纸表现出较好的抗张强度、耐折度和白度。

如图7所示，为本发明的印刷环境监测系统的结构框图，包括两个模块，即温湿度气压传感器及其信号转换电路组成的前端采集模块部分，其余为终端处理部分。终端处理部分的核心是基于ARM920T内核的S3C2440微处理器，即前端采集的数据进行处理显示存储等。微处理器通过RS232同上位机进行通信。前端采集电路中的温湿度气压传感器采集印刷车间的相关量，将采集的模拟量转换为数字信号后，再将数字信号分别通过SPI总线、IIC总线送进处理器，由处理器对这些变量进行运算处理，将结果显示在LCD显示屏中。终端部分通过串口跟上位机之间进行通信，将数据发送给上位机。上位机实现数据的保存和实时显示变量动态变化曲线。实现的主要功能可以描述为接收下位机的数据，在PC机上保存，同时提供数据曲线显示。另外，S3C2440处理器集成了LCD控制器，用于传输显示数据和产生控制信号，支持屏幕水平和垂直滚动显示，数据的传递采用DMA(直接内存访问)的方式。开发板平台系统包含了3.5的TFT液晶模块，集成了触摸屏接口，将人机交互接口集中化，更利于用户的操作。

S3C2440芯片内部触摸屏接口与ADC接口是集成在一起。其中通道7作为触摸屏的X坐标输入，通道5作为触摸屏接口的Y坐标输入。本发明的触摸屏驱动程序采用自动位置转换模式和等待中断模式。摸屏驱动层开发主要完成设备的初始化以及中断产生时的处理。建立触摸屏驱动程序首先实现加载和卸载部分。在驱动加载部分主要做的是启动ADC所需时钟、映射IO口、初始化寄存器、申请中断、初始化输入设备以及将输入设备注册到输入子系统。上位机能与终端部分进行通信，利用上位机完成数据侧采集、显示、记录和历史数据浏览功能。

本发明提供的空气温湿度压力传感器使用解析法从多种激励因素中分离出相应的转换响应，设计了一种由弹性膜片和U型支座组成的温湿度压力传感器，弹性膜片和U型支座间形成一个干燥空气密封腔，在膜片外表的圆心和靠周边的合适位置各配置了一个半导体应变片。以此装置来接收空气中的多种激励信息，再经过二次变换和信号处理后，就可得到温度，相对湿度和大气压等数据信息。该装置没有传统湿敏元件的时滞长、不稳定性和难以维护保养的问题，在恶劣环境中能保持转换精度和长期稳定性，且便于维护。本发明的温湿度压力传感器只用应变电阻传感器以转换多种大气状态参数，相比于传统的温湿度压力传感器，实现了单一的敏感结构具有多种转换功能的设计方法。

所述温湿度压力传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元中设有两个半导体应变片R_ε1和R_ε2安装在半径为r₀的圆形膜片上，半导体应变片受压电阻发生变化输出电阻响应，二次转换单元接收半导体检测单元的输出信号，将电阻响应信号转换为脉宽信号，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，分离出温度、相对湿度和大气压数据。

所述半导体检测单元中，两个半导体应变片在气压激励下各自产生的电阻增量数值相同，正负相反，其中一个半导体应变片安装在圆心位置，另一个半导体应变片安装在半径0.89r₀的同心圆的位置上。所述二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，一个半导体应变片对应连接一个脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路包括555定时器、电阻R和电容C，电阻R连接在555定时器的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号连接到信号处理单元。所述脉冲信号转换电路的脉宽转换公式为τ＝ln2·C·R，式中τ为输出脉宽，R是电路中的电阻，C为云母标准电容，脉宽输出τ与各自所接电阻R成正比。所述圆形膜片根据半导体检测单元中的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径0.63r₀的同心圆为界。所述信号处理单元中设有GPS单元和大气压数值表，GPS单元连接在信号处理单元上用来定位传感器安装点的经纬度，查询安装点的大气压数值。所述信号处理单元中设有温度饱和水汽分压表，信号处理单元利用温度调用相应的饱和水汽分压值。所述集成温度相对湿度传感器设置在圆柱形的U型支座1上，圆形膜片3设置在U型支座1的上表面，圆形膜片3选用黄铜膜片，U型支座1和黄铜膜片之间设有空气密封腔2，两个半导体应变片安装在黄铜膜片的表面。

所述信号处理单元利用大气中水蒸气分压力与敏感电阻之差，经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差成正比，大气环境温度与敏感元件的计数之和呈单值对应函数关系，计算出应变片所受差压值、水蒸气分压值和温度值。所述信号处理单元利用温度饱和水汽分压表，利用温度值调用相应的饱和水汽分压值，根据相对湿度的公式计算出相对湿度。

本发明的温湿度压力传感器检测模块的具体检测方法如下：步骤一、连接安装传感器电路；步骤二、调整两个半导体应变片的安装位置，使两个半导体应变片的受气压激励作用产生的电阻增量相等，正负相反；步骤三、半导体应变片的电阻变化量输入到二次转换单元进行脉宽转换，输出脉宽信号；步骤四、信号处理单元接收二次转换单元输出的脉宽信号，利用道尔顿定律、应变片原理和解析法分析半导体应变片的变化量、温度和水蒸气分压数据，计算出待测点的相对湿度和大气压值。

所述信号处理单元利用大气中水蒸气分压力与敏感电阻半导体应变片之差，经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差成正比，大气环境温度与敏感电阻的计数之和的对数成反比关系，计算出应变片所受差压值ΔP、水蒸气分压P_W和温度值t。所述信号处理单元利用温度饱和水汽分压表，根据温度值调用相应的饱和水汽分压值，根据相对湿度的公式计算出相对湿度，式中为相对湿度，P_WS为大气压中在某一温度下的饱和水汽分压力。下文通过公式推导详述本发明的温湿度压力传感器检测温度、湿度以及气压值的过程。

一、大气状态参数

道尔顿定律指出，混合大气的总压力等于各组成气体的分压力之和，如公式(1)所示：

P_M＝P_d+P_W(Pa)(1)

式中P_M(Pa)为混合气体的总压力，P_d(Pa)为干燥大气的分压力，P_W(Pa)为空气中所含水蒸气分压力，其中P_W在P_M占最大份额，为5％左右，故P_M和P_d压力均比较接近标准大气压。

相对湿度的公式为：

式中表示相对湿度，P_WS为大气压在某一温度下，饱和水汽分压力(Pa)，它随温度而变，可通过已知温度查表或由回归拟合曲线方程求得。由公式(1)可得，若通过仪表能测出差压P_M-P_d，即可计算出P_W，再以所测温度，在湿空气密度、水蒸气压力、含湿量对照表中找到P_WS，便可由公式(2)算出相对湿度

二、应变片及其转换特性

传感器中应变片的安装示意图如图3所示，传感器的结构示意图如图4所示，应变片的转换特性及应变分布如图3所示。温湿度压力传感器为圆柱状结构，外壳包括U型支座1和圆形膜片3，圆形膜片3覆盖在U型支座1上，二者之间形成一个空气密封腔3，两个半导体应变片安装在圆形膜片3上，通过测量半导体应变片的电阻变化计算出温湿度压力传感器安装环境中的温度、相对湿度和大气压数据。

混合大气压P_M均匀作用于弹性膜片的外表面，于是膜片两侧的差压为：

ΔP＝P_M–P_re＝P_W+P_d–P_re(Pa)(3)

式中P_re＝4·10⁴(Pa)为密封腔中设定的参照压力，标准大气压值为P_d＝101325(Pa)，从而可算出大气中水汽分压力P_W(Pa)。

在差压ΔP作用下，膜片表面上应力和应变的分布如下式所示：

径向应力：

径向应变：

式(4)和(5)中，本发明选用弹性较好的黄铜膜片，E(Pa)为膜片弹性模量，约为7*10¹⁰Pa，μ为泊松比，约为0.33，r₀为圆形膜片3的外半径40(mm)，h为圆形膜片3的膜片厚度0.1(mm)，b为U型支座1的厚度5(mm)，U型支座1的高度为10(mm)，ΔP为作用在膜片两侧的差压(Pa)，r(mm)为应变片位置的半径。

若将已知常数代入(4)式，可得圆心应力σ_r＝0＝8*10⁴*ΔP(Pa)(6)。

应变片的灵敏系数K_ε和转换特性如公式(7)所示：

$\frac{{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{\ϵ}}}{R_0}=K_{\mathrm{\ϵ}}*\mathrm{\ϵ}---\left(7\right)$

式中R₀为t＝0℃和ε_r＝0时应变片电阻(Ω)，K_ε约为125，ΔR_ε则为应变片在ε_r激励下电阻的变化量(Ω)，将(6)式代入(7)可得：

$\frac{{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{\ϵ}}}{R_0}={10}^7*\frac{\mathrm{\Δ}P}{E}---\left(8\right)$

若将E＝7*10¹⁰Pa代入式可知，应变片所能输出的相对电阻变化，在最大量程下也只有10^-2量级，故需在装置中加入二次变换和信号处理电路，以获取所需的灵敏度和分辨力。

三、二次变换和信号传送流程

工作原理结构框图如图6所示，温湿度压力传感器包括半导体检测单元、二次转换单元、信号处理单元，半导体检测单元中设有两个半导体应变片，半导体应变片受压电阻发生变化输出电阻响应，半导体检测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接收半导体检测单元的输出信号，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换单元的输出端连接信号处理单元，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号。

信号流程框图如图6所示，二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路由555定时器C1和C2组成，二次转换单元和信号处理单元还设有选通开关，选用C3开关，信号处理单元主要组成为C4单片机。图6中R_ε1和R_ε2在P_W和t激励下，各自产生不同的R₁和R₂响应，它们经两个相同的脉冲信号转换电路的C1、C2芯片555变换后，各自产生τ₁和τ₂(S)脉宽输出，该脉宽信号经C3开关选通后再送至C4单片机进行信号处理。脉冲信号转换电路如图7所示，电阻R连接在C定时器555的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号连接到信号处理单元。由于应变片的不同，两个脉冲电路中的电阻和输出脉宽可以用R₁和R₂、τ₁和τ₂表示。

脉宽转换公式：τ＝ln2·C·R(S)对应到两个脉冲信号转换电路即为：

τ₁＝ln2·C₀·R₁(S)(9)

τ₂＝ln2·C₀·R₂(S)(10)

式中τ₁和τ₂为两个半导体应变片对应的两路脉宽输出信号，R₁和R₂为半导体应变片的电阻变化值计量单位为Ω，C₀(F)为云母标准电容，约为0.72×10^-6F，上式表明脉宽输出与各自所接电阻R₁和R₂成正比。

四、在多因素输入时，合成响应的解耦处理

在τ₁和τ₂中隐含有水汽分压P_W和温度t两种信息，如何能让其在后续的数据处理中分离，需通过数据解耦技术来实现信息分离和复原。

R₁和R₂电阻变化公式为：

$R_1=R_0\·EXP\[B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})\]+{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{\ϵ}1}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(11\right)$

$R_2=R_0\·EXP\[B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})\]+{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{\ϵ}2}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(12\right)$

式中R₀＝1000Ω为基准电阻；B＝4850(K)为半导体应变片的阻温系数；T₀＝273(K)为参照温度；T(K)为输入温度；ΔR_ε1和ΔR_ε2分别为R₁和R₂在大气压力激励下各自产生的电阻增量。由以上两式可知，如能让ΔR_ε1和ΔR_ε2数值相同，但正负相反，即(11)和(12)式可变成：

$R_1=R_0\·EXP\[B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})\]+{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{\ϵ}}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(13\right)$

$R_2=R_0\·EXP\[B(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})\]-{\mathrm{\ΔR}}_{\mathrm{\ϵ}}\left(\mathrm{\Ω}\right)---\left(14\right)$

将以上两式相减或相加，就可分离出P_W和t两种输入信息，即相加时R1+R2＝f_t(T)，和相减时R1-R2＝f_ε(P_W)，即和与差的结果只与单一输入信息一一对应，ΔR_ε1＝-ΔR_ε2＝ΔR_ε。

参见图1，整个膜片外表面在差压ΔP作用下，以半径r＝0.63r₀为界，区分为正负两个应变区。靠圆心部分内圆为正ε区，而靠周边外圆部分则为负ε区，在此两个区域的合适位置上，可以找到ε数值相等但极性相反的两个点，其一在圆心处，r₁＝0，而另一点经(5)式计算为r₂＝0.89r₀处。在此两点上配置两片性能相同的半导体应变片，并让其中心与膜片上参照点重合，于是就实现了式(13)和(14)的定量关系。

将式(13)加式(14)得

上式中已消除了ε信息对(R₁+R₂)数量上的干扰，然而R₁和R₂分别联接到555芯片的充放电电路中，故已无法将R₁和R₂直接相加，此时就需经过数据运算处理来实现。若让脉宽τ₁和τ₂在单片机中对时钟频率f₀计数，则有计数值N₁和N₂为：

N₁＝τ₁·f₀(16)

N₂＝τ₂·f₀(17)

τ₁+τ₂＝(N₁+N₂)/f₀(S)(18)

联立以上公式，并经过整理可得：

$T=\frac{B}{ln\[\left(EXP\frac{B}{T_0}\right)*\left(\frac{N1+N2}{1000}\right)\]}=\frac{4850}{ln\[5.2*{10}^4*(N1+N2)\]}---\left(19\right)$

摄氏温度：t＝T-273(℃)(20)

式中各常系数是在R₀＝1000Ω，C₀＝7.2*10^-6F和f₀＝10MHZ条件下算出的。从R₁和R₂的二次转换信息中分离出应变和水蒸气分压P_W等信息，将(13)式减去(14)式，可得

R1-R2＝2ΔR_ε＝2R₀K_ε·ε(Ω)(21)

再利用τ₁-τ₂＝(N₁-N₂)/f₀和(5)、(9)、(10)式等联立，经整理可得，

ΔP＝10·(N₁-N₂)(Pa)(22)

公式(19)和(22)即为传感器的两种输入-输出特性方程，均有足够的灵敏度和分辨力。已知式中P_WS可通过温度t经查表或下述回归方程算出，

P_WS＝a·EXP(b·t)(Pa)(23)

式中a为6.16(Pa)，b为0.064(1/℃)为拟合常数，于是得

P_WS＝6.16·EXP(0.064·t)(Pa)(24)

大气压力不是一个定值，随着地区海拔高度的不同而存在差异，同时还随季节温度变化而稍有改变，对P_W计算可近似地用下式描述：

P_W＝ΔP+P_re-Bf(T)+h·8.76(Pa)(25)

式中h为当地海拔高度(m)，系数8.76(Pa/m)为大气压衰减斜率，f(T)为温度修正系数可经过实验测量数据的拟合曲线而加以估算。由于在沿海地区冬夏气压变化比为1.02，而在青海地区冬夏比仅为1.0026。均随温度下降而略有增加。故当不考虑温度微小影响，且在沿海地区时，式(25)可简化为：

P_W＝ΔP+(P_re-B)＝10(N₁-N₂)+(P_re-B)(Pa)(26)

本发明解析过程的理论基础之一是标准大气压为常数，实际的大气压随当地海拔高度而变，当装置使用地区海拔高度与参照高度差异较大时，公式(3)中P_d应通过软件予以校正，以维持水汽分压力的数据转换精度。所以本发明在信号处理单元中设有GPS单元和大气压数值表，GPS单元连接在信号处理单元上用来定位传感器安装点的经纬度，查询安装点的大气压数值即传感器中的干燥空气腔内的分压力，结合信号处理单元计算出的大气中水蒸气分压力值，进而利用公式(1)：P_M＝P_d+P_W(Pa)计算出混合大气的压力值，即安装点的压力值。物理量空气密度不能通过传感器直接获取，本发明通过前端传感器及采集电路检测到的温度、湿度、大气压力的值，来完成空气密度的推导测量，空气密度的公式ρ_a为：

${\mathrm{\ρ}}_a=\frac{P_M*M_a}{ZRT}\[1-x_v(1-\frac{M_v}{M_a})\]---\left(27\right)$

式中：P_M为大气压力，M_a为干燥空气的摩尔质量，下标a表示空气，Z为压缩系数，R为摩尔气体常数，T为采用ITS-90的热力学温度，x_v为水蒸气的摩尔分数值，M_v为水的摩尔质量，下标v表示蒸汽。式(27)中的参量R、M_a和M_a为常量，R＝8.31441J/mol·K,M_a＝28.9635*10^-3kg/mol,M_v＝18.015*10^-3kg/mol.

水蒸气的摩尔分率x_v不是直接测定的，但是可以根据露点温度t_r来决定，

$x_v=f(P_M,t_r)\frac{P_{sv}\left(t_r\right)}{P_M}---\left(28\right)$

式中，f是考虑到湿空气是不同于理想气体而引起的修正系数(增涨系数)，它是温度和气压的函数，P_sv是水蒸气的饱和蒸汽压，它是温度的函数。

压缩系数Z，是因湿空气不同于理想气体引入的修正系数，以及干空气分子与水分子间的相互作用的补充系数计算的，它是温度、气压、和湿度的函数，本发明给出一种近似形式：

$Z=1-\frac{P_M}{T}\[a_0+a_{1}t+a_2{t}^2+(b_0+b_{1}t)x_v+(C_0+C_1+t)x_v^2+{\left(\frac{P_M}{T}\right)}^2\·(d+{\mathrm{ex}}_v^2)\],---\left(29\right)$

式(29)中，a₀、a₁、a₂、b₀、b₁、C₀、C₁、d、e为已知常量，a₀＝1.62419*10^-6K·Pa^-1；a₁＝-2.8969*10^-8Pa^-1；a₂＝1.0880*10^-10K^-1·Pa^-1；b₀＝5.757*10^-6K·Pa^-1；b₁＝-2.589*10^-8Pa^-1；C₀＝1.9297*10^-4K·Pa^-1；C₁＝-2.285*10^-6Pa^-1；d＝1.73*10^-11K²·Pa^-2；e＝-1.034*10^-8K²·Pa^-2。综合以上，在已知参量P_M、T、x_v以及Z的前提下，可计算出空气密度ρ_a。

${\mathrm{\ρ}}_a=3.4835*{10}^{-3}kg\·K\·J^{-1}*\frac{P_M}{ZT}(1-0.1780)x_v---\left(29\right)$

至此，温度、湿度、相对湿度、大气压和空气密度的数值都能计算求解出来。本发明提供的温湿度气压传感器具有结构简单、易于实施。本发明中经解析法得到：大气中水蒸气分压力与敏感电阻之差，即经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差，成正比，而大气环境温度则与敏感元件的计数之和的对数成反比关系。本发明解析过程的理论基础是物理大气压为常数，实际的大气压随当地海拔高度而变，当装置使用地区海拔高度与参照高度差异较大时，应通过软件予以校正，以维持水汽分压力的数据转换精度。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种新闻纸的印刷环境监测系统，其特征在于,包括温湿度压力传感器、终端处理模块和上位机，温湿度压力传感器采集温度、湿度、压力和空气密度数据，再将数据通过总线送进终端处理模块，终端处理模块通过串口跟上位机通信，所述温湿度压力传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元包括两个半导体应变片R_ε1(4)和R_ε2(5)，半导体应变片R_ε1(4)和R_ε2(5)设在半径为r₀的圆形膜片(3)上，圆形膜片(3)设在U型支座(1)上，膜片(3)与U型支座(1)间形成一个干燥的空气密封腔(2)，两个半导体应变片受到膜片(3)内外两侧的压力差和温度激励作用下输出电阻响应，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，信号处理单元通过数据解耦分离出温度、压力和相对湿度数据。

2.根据权利要求1所述的新闻纸的印刷环境监测系统，其特征在于,所述的终端处理模块包括微处理器、LCD显示屏和触摸屏，微处理器集成了LCD控制器和触摸屏接口，通道7作为触摸屏的X坐标输入，通道5作为触摸屏接口的Y坐标输入。

3.根据权利要求1所述的新闻纸的印刷环境监测系统，其特征在于,所述的半导体应变片R_ε1(4)设置在圆心位置，R_ε2(5)设置在膜片(3)0.89r₀的圆上，两个半导体应变片在气压激励下各自产生的电阻增量数值相同，正负相反。

4.根据权利要求1所述的新闻纸的印刷环境监测系统，其特征在于,所述二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，一个半导体应变片对应连接一个脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路包括555定时器、电阻R和电容C，电阻R连接在555定时器的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号到信号处理单元。

5.根据权利要求4所述的新闻纸的印刷环境监测系统，其特征在于,所述脉冲信号转换电路的脉宽转换公式为τ＝ln2·C·R，式中τ为输出脉宽，R是电路接收的半导体应变片的电阻响应值，C为云母标准电容，脉宽输出τ与各自所接电阻R成正比。

6.根据权利要求1所述的新闻纸的印刷环境监测系统，其特征在于,所述圆形膜片(3)根据半导体检测单元中的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径0.63r₀的同心圆为界。

7.根据权利要求1所述的新闻纸的印刷环境监测系统，其特征在于，所述信号处理单元中设有GPS单元和大气压数值表，GPS单元连接在信号处理单元上用来定位传感器安装点的经纬度，查询安装点的大气压数值。

8.根据权利要求1所述的新闻纸的印刷环境监测系统，其特征在于，所述信号处理单元中设有温度饱和水汽分压表，信号处理单元通过当前温度值调用相应的饱和水汽分压值。

9.根据权利要求1所述的新闻纸的印刷环境监测系统，其特征在于，所述空气密度的公式ρ_a为：

式中：P_M为大气压力，M_a为干燥空气的摩尔质量，下标a表示空气，Z为压缩系数，R为摩尔气体常数，T为采用ITS-90的热力学温度，x_v为水蒸气的摩尔分数值，M_v为水的摩尔质量，下标v表示蒸汽，参量R、M_a和M_a为常量。