CN105759689B - 档案库房温湿度环境监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种档案库房温湿度环境监控系统及方法，属于档案保护环境检测技术领域，包括：多个温湿度检测器，温湿度检测器安装在档案库房内的每个待测点上，温湿度检测器内部设有集成式传感器检测待测点的环境温度和相对湿度，温湿度检测器内还设有第一无线通信单元，第一无线通信单元传递集成式传感器的检测信号到中央处理器；中央处理器，中央处理器中设有第二无线通信单元，无线连接第一无线通信单元，中央处理器分析数据，显示正常数据和警报数据。本发明解决了人工读取检测数据工作量大的问题，自动巡检仪误差大、通信故障不能及时发现的问题，具有自动检测环境温度和相对湿度的功能优点。

Description

档案库房温湿度环境监控系统及方法

技术领域

本发明属于档案保护、环境检测技术领域，涉及档案室内温湿度检测方向，具体涉及一种档案库房温湿度环境监控系统及方法。

背景技术

温度和相对湿度是影响档案长期保存的重要环境因素，因此监测及控制档案库房温湿度是档案保护的基础工作。以纸质档案为例，只有当温湿度处于适宜范围时，才能使档案材料保持正常的含水量，从而具有较高的机械强度和优良的物理性能。而不良的温湿度条件，除易滋生虫霉外，还会损害档案载体材料及字迹材料。

目前我国档案部门对档案库房温湿度问题非常重视，采用了多种温湿度监测记录设备，例如毛发湿度计、干湿球温度计、电阻式温湿度计等等，我国《档案馆建筑设计规范》(JGJ25-2010)规定纸质档案库房温度14～24℃，相对湿度45～60％，并且要求在选定温、湿度后，每昼夜波动的幅度要求温度不大于±2℃，相对湿度不大于±5％。这实际上也是对库房温湿度监控设备误差范围的基本要求。

现有的档案库房温湿度监控设备，有单独测温度的温度计和单独测量相对湿度的湿度计。温度计一般测量较为准确，误差较小，但是使用有些不方便，如常见的温度计采用易碎玻璃管，而常用的毛发湿度计和干湿球湿度计的测量误差较大，易受干扰且不易校准维护，并且需要人工记录数据。随着温湿度传感器的应用，出现了自动化的温湿度巡检仪和数字温湿度计，温湿度巡检仪虽然可以实时监测，自动记录，但一旦出现通信故障，不能自动解决，耽误问题的及时发现。

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档案库房温湿度环境监控系统及方法，通过改进温湿度检测器，增多功能，具有独立工作能力主动判断警报信号，利用中央处理器分析年、日变化量，保证档案室内的温湿度变化在安全阈值范围，解决了人工读取检测数据工作量大的问题，自动巡检仪误差大、通信故障不能及时发现的问题，具有自动检测环境温度和相对湿度的功能优点，检测精度高、自动判断、发送数据，信号传递安全性高，并在没有收到警报反馈信号不能确定中央处理器是否收到信号的情况下，引发周边检测器同时警报，引起工作人员注意。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种档案库房温湿度环境监控系统及方法，其特征在于，所述档案库房温湿度环境监控系统包括：多个温湿度检测器，温湿度检测器安装在档案库房内的每个待测点上，温湿度检测器内部设有集成式传感器检测待测点的环境温度和相对湿度，温湿度检测器内还设有第一无线通信单元，第一无线通信单元传递集成式传感器的检测信号到中央处理器；中央处理器，中央处理器中设有第二无线通信单元，无线连接第一无线通信单元，中央处理器分析数据，显示正常数据和警报数据。

上述系统中，所述集成式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的膜片上，半导体应变片受压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，信号处理单元连接微处理器。所述半导体检测单元中，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以膜片圆心为中心，半径0.89r₀的同心圆的位置上。所述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。所述集成式传感器设置在圆柱形的杯形支座上，膜片设置在杯形支座的上表面，膜片选用黄铜膜片，杯形支座和黄铜膜片之间设有空气密封腔，两个半导体应变片安装在黄铜膜片的表面。

上述系统中，所述温湿度检测器还包括正常信号通道和警报信号通道，正常信号通道包括微处理器、判断单元和加密单元，集成式传感器连接微处理器，微处理器连接判断单元，判断单元的输出端连接加密单元，警报信号通道包括警报发出单元，判断单元的另一输出端连接警报发出单元，警报发出单元连接加密单元，加密单元的输出端连接第一无线通信单元。所述温湿度检测器还包括非加密信号通道，警报发出单元的输出端连接第一无线通信单元，警报发出单元根据微处理器的指令发送警报信号到第一无线通信单元。所述温湿度检测器还包括反馈单元，反馈单元的输入端连接第一无线通信单元，反馈单元的输出端连接微处理器。所述中央处理器还包括数据库和提醒单元，数据库连接在中央处理器上，数据库用来长时间存储数据和警报信号，提醒单元连接中央处理器，提醒单元在中央处理器接收到警报信号后发出提醒。

一种档案库房温湿度环境监控方法，所述方法步骤包括：步骤一、在档案室内的待测点安装温湿度检测器，系统初始化；步骤二、集成式传感器检测温度和相对湿度实时数据，进行初步判断是否超过温度和相对湿度的阈值范围；步骤三、如果没超过阈值范围，则实时数据经过加密处理无线发送出去；如果超过阈值范围，发出警报信号，自身发出声光警报提醒，警报信号加密处理无线发送出去；步骤四、温湿度检测器发送实时数据和警报信号到中央处理器，温湿度检测器判断是否收到中央处理器发送的警报反馈信号；步骤五、如果温湿度检测器收到警报反馈信号，则温湿度检测器继续步骤二的正常工作；如果温湿度检测器没有收到警报反馈信号，温湿度检测器发出未经过加密处理的警报信号；步骤六，相邻温湿度检测器接收到警报信号，发出声光警报提醒，发出警报信号给中央处理器。

本发明有益效果是:本发明提供一种档案库房温湿度环境监控系统，本发明中系统中的温湿度检测通过集成式传感器检测，使用一个改进后的传感器同时检测温度和相对湿度，而且本发明中采用多检测点同时监控，信号无线传递到中央处理器，在检测到超过安全值的数据信号时发送警报信号到中央处理器，收到中央处理器的警报反馈信号，表示中央处理器成功接收信号，档案室内信号自动采集传递还保证了警报信号的成功传输，避免了信号丢失的隐患问题。而且本发明中的温湿度检测器都是可移动的，可移动温湿度检测器安装在档案室内的每个在待测点，具有独立检测、判断、发出警报信号并根据是否收到警报反馈信号发出提醒信号到其他检测器，无线传递信号到中央处理器。检测器收不到中央处理器的警报反馈信号的时候，会发出警报信号到相邻的其他检测点，由其他检测点继续发送警报信号并一起发出声光警报提醒，引起公众人员的注意。

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档案库房温湿度环境监控系统的工作框图。

图2是本发明的具体实施方式的温湿度检测器的工作结构框图。

图3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4是本发明的具体实施方式的传感器的结构示意图。

图5是本发明的具体实施方式的应变片的应变分布图。

图6是本发明的具体实施方式的传感器工作原理结构框图。

图7是本发明的具体实施方式的传感器的信号流程框图。

图8是本发明的具体实施方式的脉宽信号转换电路图。

图中1为杯形支座，2为空气密封腔，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。

档案库房温湿度环境监控系统，如图1所示，系统包括中央处理器和多个温湿度检测器，温湿度检测器安装在档案室内的每个待测点处，每个温湿度检测器无线连接中央处理器，中央处理器安装在管理人员的办公室内就可以了，在办公室内就可以查看每个待测点处的温度和相对湿度的大小及变化情况，不需要工作人员循环的走动查看检测情况，只要在看到警报提醒的时候到警报指定点查看检测即可。

档案库房温湿度环境监控方法，所述方法步骤包括：步骤一、在档案室内的待测点安装温湿度检测器，系统初始化；步骤二、集成式传感器检测温度和相对湿度实时数据，进行初步判断是否超过温度和相对湿度的阈值范围；步骤三、如果没超过阈值范围，则实时数据经过加密处理无线发送出去；如果超过阈值范围，发出警报信号，自身发出声光警报提醒，警报信号加密处理无线发送出去；步骤四、温湿度检测器发送实时数据和警报信号到中央处理器，温湿度检测器判断是否收到中央处理器发送的警报反馈信号；步骤五、如果温湿度检测器收到警报反馈信号，则温湿度检测器继续步骤二的正常工作；如果温湿度检测器没有收到警报反馈信号，温湿度检测器发出未经过加密处理的警报信号；步骤六，相邻温湿度检测器接收到警报信号，发出声光警报提醒，发出警报信号给中央处理器。

温湿度检测器安装在档案室内的每个待测点上，内部安装有集成式传感器，用来检测温度和相对湿度，同时能够检测待测点的气压值，测量空气是否流通。如图2所示，此外温湿度检测器中还包括有微处理器、判断单元、加密单元、警报发出单元、反馈单元和第一无线通信单元，集成式传感器连接微处理器，微处理器连接判断单元，判断单元的输出端连接警报发出单元，判断单元的另一输出端和警报发出单元同时连接到加密单元，加密单元的输出端连接第一无线通信单元，构成了信号加密通道。微处理器还连接有反馈单元，反馈单元的输入端连接了第一无线通信单元，警报发出单元的另一输出端连接第一无线通信单元构成了非加密信号通道。第一无线通信单元的输出端无线连接中央处理器，温湿度检测器通过第一无线通信单元无线连接中央处理器，发送检测信号和警报信号到中央处理器，并可以接收中央处理器的指令或警报反馈信号。

温湿度检测器中微处理器用来接收集成式传感器的检测信号，集成式传感器连接在微处理器，传感器安装在检测器的外侧，通过测量含有水分的空气对集成式传感器的压力，利用解析法得到：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呈单值对应函数关系。从而精确计算出传感器所在点的温度和相对湿度值，并将计算来的数据发送到微处理器，微处理器中的判断单元连接在微处理器上，对微处理器接收的温湿度检测信号进行数据比较和判断。判断单元中设有温度阈值和湿度阈值，温度阈值和湿度阈值都是根据国家规定，及地域特性设定的，可以调整修改，如果检测到的实时数据不超过温度阈值和湿度阈值的范围，就是安全的，适合档案的存放检测器继续稳定工作；如果实时检测数据不在温度阈值和湿度阈值的范围内，则判断单元发出判断结果到警报发出单元，启动警报发出单元。警报发出单元连接在微处理器上，警报发出单元发出警报提醒信号到第一无线通信单元。第一无线通信单元连接在微处理器上，通过第一无线通信单元连接中央处理器，温湿度检测单元和中央处理器之间通过无线通信传递检测信号和指令。

为了确保微处理器把信号发送到中央处理器，而不是被临近的检测器误接收，所以温湿度检测器中的发出信号都是经过简单加密的，这样相邻的检测器之间不会相互信号干扰，所以检测器中设置了加密单元，加密单元连接在判断单元和警报发出单元的输出端，加密单元的输出端连接在第一无线通信单元的输入端，正常检测判断数据结果和警报提醒数据都是经过加密后发送到第一无线通信单元，检测器发出的数据就会经过加密后发送给中央处理器。

此外，为了防止信号在传递中出现丢失的情况，或者中央处理器出现故障，不能及时发出提醒，尤其是警报信号的接收工作，必须保证信号一定传递到中央处理器。所以本发明中设置了反馈单元，反馈单元连接在第一无线通信单元和微处理器之间，在中央处理器受到警报信号的时候会发出一个警报反馈信号到温湿度检测器的反馈单元，反馈单元连接在微处理器，将接收到的反馈信号发送到微处理器，微处理器收到后继续进行常规的实时温湿度检测。如果在警报信号发出后的时间阈值(如30秒或者1分钟)内，微处理器会发出警报信号到相邻的温湿度检测器。为了方便相邻的检测器能够读取识别警报信号，所以本发明中还设置了非加密信号通道，警报发出单元直接连接第一无线通信单元，在微处理器没有接收到警报反馈信号的时候，微处理器会发出指令到警报发出单元，警报发出单元直接发送警报信号到第一无线通信单元。第一无线通信单元发送警报出去，相邻的检测器就可以检测到未经过加密的警报信号，相邻的检测器和警报检测器一同发出声光报警提醒，多个检测器同时发出声光警报，比较容易引起周围人员的警觉，温湿度检测器中设置有声光报警提醒装置。而且相邻的检测器在接收到警报信号后，也会通过自身的第一无线通信单元进行数据报警，避免了警报检测器通道故障不能和中央处理器进行数据的问题，在检测器不能成功的发送警报信号出去的时候，也可以通过自身及引起周边的警报吸引工作人员。

中央处理器中设有第二无线通信单元、数据库和提醒单元，第二无线通信单元连接在中央处理器上，用来接收温湿度检测器的发送信号，并通过第二无线通信单元发出指令和反馈信号，数据库连接在中央处理器上，用来长时间存储数据和警报信号，提醒单元是在接收到警报信号后发出提醒的装置，提醒单元可以设置为声光报警器或屏幕闪烁等方式，实现提醒工作人员的目的即可。中央处理器在接收警报信号后需要发送警报反馈信号，以此证明收到了警报信号，所以本发明在中央处理器中设置了警报接收单元，警报接收单元连接在中央处理器上，在接收到警报信号后，会发送警报反馈信号到第二无线通信单元。

中央处理器和温湿度检测器之间是通过第一无线通信单元和第二无线通信单元进行数据信号的无线传递，中央处理器通过第二无线通信单元接收到温湿度检测器的信号后，由中央处理器进行数据分析。中央处理器中设有日变化量和年变化量，中央处理器在接收到温湿度检测器的发送信号后，对每个待测点一天的数据变化进行计算，求出日变化量，每年计算每个待测点的年变化量，日变化量和年变化量都设有阈值，分别为日波动的幅度阈值和年波动的幅度阈值，并判断日变化量和年变化量是否在阈值范围内，从而在提醒工作人员及时查看变化情况。

中央处理器中数据收集单元，数据收集单元在收到每个待测点的数据后，会绘制成趋势图，并在收到实时数据时，实时更新趋势图，方便工作人员随时查看，随时记录。中央处理器和温湿度检测的应用设计，实现了远程监控库房内环境温湿度的目的，不需要工作人员到处走动查看，而且还可以长时间保存数据，随时调用数据，随时查看温湿度趋势图，及查看温湿度的日变化情况和年变化情况，大大的减少了人力劳动。

本发明中提供的改进的能够同时检测温度和相对湿度的传感器是集成式传感器，集成式传感器的介绍如下：集成式传感器，使用解析法从多种因素激励中分离出相应的转换响应，设计了弹性膜片和杯行支座组成的干燥空气密封腔，并在膜片外表的圆心和靠周边的合适位置各配置半导体应变片。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，就可得到室温，相对温度和大气压等数据信息。温度量程为-10-40℃，RH％量程为0-100％，水汽分压量程为7500Pa。该装置中没有传统湿敏元件的时滞长、不稳定性和难以维护保养，从而本装置在恶劣环境中保持转换精度的长期稳定性，并便于维护。

一种集成式传感器，所述集成式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的膜片上，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，信号处理单元连接在微处理器上，信号处理单元发送计算出的安装点的温度、相对湿度和大气压到微处理器。

所述半导体检测单元中，两个半导体应变片的电阻变化量相等，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。所述集成式传感器设置在圆柱形的杯形支座1上，膜片3设置在杯形支座1的上表面，膜片3选用黄铜膜片，杯形支座1和黄铜膜片之间设有空气密封腔2，两个半导体应变片4和5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。

一种集成式传感器的控制方法，所述方法步骤包括：步骤一、连接安装传感器电路，设置两个半导体应变片采集温度和气压；步骤二、调整两个半导体应变片的安装位置，确认两个半导体应变片的电阻变化量相等；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，解析出温度和水蒸气分压信息，计算出待测点的相对湿度和大气压；步骤五、信号处理单元连接微处理器。

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。

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，仅为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5所示。温集成度相对湿度气压传感器整体是一个圆柱外形外壳，外壳包括杯形支座1和黄铜膜片3，黄铜膜片3覆盖在杯形支座1上，二者之间形成一个空气密封腔2，两个半导体应变片安装在黄铜膜片3上，通过测量半导体应变片的电阻变化计算出集成式传感器(简称集成传感器)安装环境中的温度、相对湿度和大气压数据。分析计算温度、相对湿度和大气压所需的二次转换单元、信号处理单元可以安装在黄铜膜片上3上，也可以安装在杯形支座的侧边，通过线路连接传递信号。

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，P_d＝101325(Pa)为标准大气压，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：

式中，本发明中选用黄铜膜片弹性更好，E(Pa)为膜片弹性模量，约为7*10¹⁰Pa，μ约为0.33，为泊松比，r₀为膜片3的外半径40(mm)，h为膜片3的膜片厚度0.1(mm)，b为杯形支座的厚度5(mm)，杯形支座的高度10(mm)，ΔP作用在膜片两侧的差压(Pa)，r(mm)为观察点的半径。

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：

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：

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，集成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，信号处理单元连接微处理器。

信号流程框图如图7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7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8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：

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：

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4，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(13)和(14)式的定量关系。

将(13)式加(14)式得

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：

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，(25)式可简化为：

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

本文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。

至此，温度、相对湿度和大气压的数值都能计算求解出来。本发明提供的集成式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。本文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)

1.一种档案库房温湿度环境监控系统，其特征在于，所述档案库房温湿度环境监控系统包括：多个温湿度检测器，温湿度检测器安装在档案库房内的每个待测点上，温湿度检测器内部设有集成式传感器检测待测点的环境温度和相对湿度，温湿度检测器内还设有第一无线通信单元，第一无线通信单元传递集成式传感器的检测信号到中央处理器；集成式传感器中设有半导体检测单元，半导体检测单元中设有两个半导体应变片R_ε1(4)和R_ε2(5)安装在半径为r₀的膜片上，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以膜片圆心为中心，半径0.89r₀的同心圆的位置上；

中央处理器，中央处理器中设有第二无线通信单元，无线连接第一无线通信单元，中央处理器分析数据，显示正常数据和警报数据。

2.根据权利要求1所述的档案库房温湿度环境监控系统，其特征在于，所述集成式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，半导体应变片受压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，信号处理单元连接温湿度检测器内设置的微处理器。

3.根据权利要求2所述的档案库房温湿度环境监控系统，其特征在于，所述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。

4.根据权利要求2所述的档案库房温湿度环境监控系统，其特征在于，所述集成式传感器设置在圆柱形的杯形支座(1)上，膜片(3)设置在杯形支座(1)的上表面，膜片(3)选用黄铜膜片，杯形支座(1)和黄铜膜片之间设有空气密封腔(2)，两个半导体应变片(4和5)安装在黄铜膜片的表面。

5.根据权利要求1所述的档案库房温湿度环境监控系统，其特征在于，所述温湿度检测器还包括正常信号通道和警报信号通道，正常信号通道包括微处理器、判断单元和加密单元，集成式传感器连接微处理器，微处理器连接判断单元，判断单元的输出端连接加密单元，警报信号通道包括警报发出单元，判断单元的另一输出端连接警报发出单元，警报发出单元连接加密单元，加密单元的输出端连接第一无线通信单元。

6.根据权利要求1所述的档案库房温湿度环境监控系统，其特征在于，所述温湿度检测器还包括非加密信号通道，警报发出单元的输出端连接第一无线通信单元，警报发出单元根据微处理器的指令发送警报信号到第一无线通信单元。

7.根据权利要求1所述的档案库房温湿度环境监控系统，其特征在于，所述温湿度检测器还包括反馈单元，反馈单元的输入端连接第一无线通信单元，反馈单元的输出端连接微处理器。

8.根据权利要求1所述的档案库房温湿度环境监控系统，其特征在于，所述中央处理器还包括数据库和提醒单元，数据库连接在中央处理器上，数据库用来长时间存储数据和警报信号，提醒单元连接中央处理器，提醒单元在中央处理器接收到警报信号后发出提醒。

9.一种档案库房温湿度环境监控方法，其特征在于，所述方法步骤包括：

步骤一、在档案室内的待测点安装温湿度检测器，系统初始化；

步骤二、集成式传感器检测温度和相对湿度实时数据，进行初步判断是否超过温度和相对湿度的阈值范围；

步骤三、如果没超过阈值范围，则实时数据经过加密处理无线发送出去；如果超过阈值范围，发出警报信号，自身发出声光警报提醒，警报信号加密处理无线发送出去；

步骤四、温湿度检测器发送实时数据和警报信号到中央处理器，温湿度检测器判断是否收到中央处理器发送的警报反馈信号；

步骤五、如果温湿度检测器收到警报反馈信号，则温湿度检测器继续步骤二的正常工作；如果温湿度检测器没有收到警报反馈信号，温湿度检测器发出未经过加密处理的警报信号；

步骤六，相邻温湿度检测器接收到警报信号，发出声光警报提醒，发出警报信号给中央处理器。