CN105865516A - 粮仓监测报警装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种粮仓监测报警装置，属于粮仓安全的技术领域，包括螺旋柱检测器、信号传递器和中心处理器，螺旋柱检测器是依靠自身的螺纹可运动外壳旋转推动整体运动的检测器，检测器内安装有检测单元用来检测粮仓内部各个点的温度、相对湿度和气压值，螺旋柱检测器无线传递检测信号到信号传递器，信号传递器无线连接中心处理器，信号传递器转发检测数据到中心处理器，中心处理器分析处理数据。本发明解决了粮仓内温湿度数据测量精度低、布线繁琐的问题，具有无线测量，检测器可受指挥控制，检测范围广的优点。

Description

粮仓监测报警装置

技术领域

本发明属于粮仓安全的技术领域，涉及粮仓检测设备领域，具体涉及一种粮仓监测报警装置。

背景技术

众所周知，粮食是人类赖以生存的基础，自古以来，我国广大人民特别重视粮食问题。粮食作为国家的重要战略储备物资，当国家发生自然灾害(如地震、海啸)等特殊情况，就需要从粮仓中拨粮给受灾地区，最大程度减轻灾害带来的社会动荡不安。粮食在存储期间，由于周围环境、通风条件等因素的变化，粮仓内的温度或湿度会随之发生动态变化，极易造成粮食的腐烂、霉变等。因此，预防粮食质量发生变化十分必要，及时发现粮仓内的温度、湿度变化，并能够及时采取相应措施就十分重要。但是传统的粮仓和监控中心大部分采用有线连接的数据通信方式，测量精度低、布线繁琐、维护不便，且当一个节点出现问题，很有可能影响整个系统的正常运行。

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粮仓监测报警装置，通过采用携带集成式传感器的螺旋柱检测器，检测粮仓内的检测温度、相对湿度及气压，解决了粮仓内温湿度数据测量精度低、布线繁琐的问题，具有无线测量，检测器可受指挥控制，检测范围广的优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种粮仓监测报警装置，所述粮仓监测报警装置包括螺旋柱检测器、信号传递器和中心处理器，螺旋柱检测器是依靠自身的螺纹可运动外壳旋转推动整体运动的检测器，检测器内安装有检测单元用来检测粮仓内部各个点的温度、相对湿度和气压值，螺旋柱检测器无线传递检测信号到信号传递器，信号传递器无线连接中心处理器，信号传递器转发检测数据到中心处理器，中心处理器分析处理数据。

上述装置中，所述螺旋柱检测器包括螺旋柱体、导向尖头、检测单元、处理器、信号发送单元、动力源和转向机构，导向尖头安装在螺旋柱体的两端，检测单元、处理器和信号发送单元安装在螺旋柱体的内部，检测单元连接处理器并发送检测到的信号到处理器，处理器连接信号发送单元并通过信号发送单元发送检测数据，信号发送单元发送检测信号到信号传递器，动力源和转向机构安装在螺旋柱体的中部，动力源的指令输入端连接处理器，动力源的动力输出端连接转向机构，转向机构控制螺旋柱体的运动方向，转向机构连接在处理器上并根据处理器的指令决定运动方向，处理器通过信号发送单元发送检测信号或接收指令。所述螺旋柱检测器两端的导向尖头内各自设有一个测距器，测距器连接在处理器上，定时通过信号发送单元发送信号到信号传递器，由信号传递器计算出两个测距器分别距离信号传递器的距离，信号传递器的计算结果发送到中心处理器。所述信号传递器是“凹”形结构，信号传递器中设有一个凹槽，凹槽设置在信号传递器中间，信号传递器中设有信号接收单元和距离计算单元，信号接收单元接收螺旋柱检测器发送的检测信号，并向螺旋柱检测器发送中心处理器的指令。所述中心处理器中设有图像模拟单元，图像模拟单元中保存有粮仓的模拟图，根据信号传递器发送的信号数据关系，模拟出螺旋柱检测器在粮仓中的位置。

上述装置中，所述检测单元中包括有多个集成温度相对湿度传感器，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，信号处理单元连接螺旋柱检测器中设置的处理器并发送检测到的安装点的温度、相对湿度和大气压值发送到处理器。所述半导体检测单元中，调整半导体应变片的安装位置，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0.888r₀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。

本发明有益效果是:本发明提供一种粮仓监测报警装置，采用螺旋柱检测器6结合信号传递器7，二者通过无线传递信号，螺旋柱检测器6放置在粮仓内，内部设有传感器，能够同时检测温度、相对湿度以及粮仓内的气压，而且信号传递器7安装在粮仓外或粮仓上的任意地方，螺旋柱检测器6和信号传递器7相互配合，能够定位出检测器在粮仓中的位置及运动方向，方便控制螺旋柱检测器6自由运行出粮仓，螺旋柱检测器6可以在粮仓缓慢运动，检测范围广，测量精度高、无需布线、维护简单。

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螺旋检测器的工作原理示意框图。

图2是本发明的具体实施方式的螺旋检测器的结构示意图。

图3是本发明的具体实施方式的信号传递器的结构示意图。

图4是本发明的具体实施方式的集成传感器中应变片的安装示意图。

图5是本发明的具体实施方式的传感器的结构示意图。

图6是本发明的具体实施方式的应变片的应变分布图。

图7是本发明的具体实施方式的传感器工作原理结构框图。

图8是本发明的具体实施方式的传感器的信号流程框图。

图9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_ε2，6为螺旋柱检测器，7为信号传递器，8为螺旋柱体，9为导向尖头，10为螺纹可运动外壳，11为凹槽。

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。

本发明提供一种粮仓监测报警装置，采用螺旋柱检测器6结合信号传递器7，二者通过无线传递信号，螺旋柱检测器6放置在粮仓内，内部设有传感器，能够同时检测温度、相对湿度以及粮仓内的气压，而且信号传递器7安装在粮仓外或粮仓上的任意地方，螺旋柱检测器6和信号传递器7相互配合，能够定位出检测器在粮仓中的位置及运动方向，方便控制螺旋柱检测器6自由运行出粮仓，螺旋柱检测器6可以在粮仓缓慢运动，检测范围广，测量精度高、无需布线、维护简单。

粮仓监测报警装置包括螺旋柱检测器6、信号传递器7和中心处理器，螺旋柱检测器6是一个依靠螺纹外壳旋转进而整体运动的检测器，检测器安装有检测单元用来检测粮仓内部各个点的温度、相对湿度和气压，无线传递信号到信号传递器7，由信号传递器7转发检测数据到中心处理器，中心处理器统一处理数据，此外信号传递器7还接收螺旋柱检测器6的定位信号，从而计算出螺旋柱检测器6的两个端部距离信号传递器7的距离，发送到中心处理器，计算出螺旋柱检测器6在粮仓中的位置，根据端部的位置发出方向运动指令。

如图1螺旋检测器的工作原理示意框图所示，螺旋柱检测器6包括螺旋柱体8、导向尖头9、检测单元、处理器、信号发送单元、动力源和转向机构，导向尖头9安装在螺旋柱体8的两端，具有开路引导螺旋柱检测器6运动的作用，检测单元和信号发送单元安装在螺旋柱体8的内部，检测单元用来检测粮仓内贴近检测单元处的粮食的温度、相对湿度和气压情况，检测单元连接处理器并发送检测到的信号到处理器，处理器连接信号发送单元并通过信号发送单元发送检测数据，信号发送单元发送检测信号给信号传递器7，动力源和转向机构安装在螺旋柱体8的中部，方便螺旋柱检测器6的运动，两个导向尖头9都可以作为运动的方向，动力源的指令输入端连接了处理器，动力源的动力输出端连接螺旋柱体8的螺纹外壳和转向机构，转向机构控制了螺旋柱体8的运动方向，转向机构连接在处理器上，根据处理器的指令决定运动方向，处理器通过信号发送单元也可以接收指令，包括运行方向指令。两端的导向尖头9内各自设有一个测距器，测距器连接在处理器上，定时发送信号到信号传递器7。

如图2所示，螺旋柱检测器6的外形是螺旋柱形状，螺旋柱体8包括螺纹可运动外壳10和内腔室，螺纹外壳连接了动力源，本发明中的螺旋柱检测器6是通过螺纹外壳10的转动前进运动的，螺纹外壳10上的螺纹光滑，不会由于运动而粉碎粮食作物，而且螺纹上设有间隙，内腔室在螺纹间隙地方同样设有间隙，方便检测单元内的传感器接触粮食作物，螺纹柱体上设有多处间隙，检测单元内包括多个传感器安装在各个间隙处。导向尖头9安装固定在螺纹柱体的两端部，启动导向前进的作用，处理器安装在内腔室内，接收检测单元的温度、相对湿度及气压信号值，通过信号发送单元发送信号，同时发送运动指令和方向到动力源和转向机构，螺旋柱体8的螺纹可运动外壳10在动力源的辅助下，螺纹转动，整体运动起来，转向机构在接收到处理器的指令时，会更改螺纹柱体的运动方向，按照指令方向运行。

如图3所示，信号传递器7是“凹”形结构，信号传递器7中设有一个凹槽11，凹槽11设置在信号传递器7上，使得信号传递器可以卡合在粮仓的边缘或固定在粮仓的周边，信号传递器中设有信号接收单元和距离计算单元，信号接收单元接收信号发送单元的信号，并向螺旋柱检测器6发送中心处理器的指令。信号接收单元同时接收测距器的信号，测距器的原理是发送信号，信号接收单元通过计算信号传递的时间，计算出两端导向尖头9距离信号传递器的2的距离，然后发送到中心处理器，由中心处理器模拟出螺旋柱检测器6在粮仓的大体位置已经状态，进而决定螺旋柱检测器6的运动方向。中心处理器中设有图像模拟单元，图像模拟单元中保存有粮仓的模拟图，结合信号传递器7发送的定位数据关系，模拟出螺旋柱检测器6在粮仓中的位置，进而发出螺旋柱检测器6的运动方向指令。中心处理器通过信号传递器7汇集检测器1检测到的数据，对接收的数据统一处理。

螺旋柱检测器6中检测单元内设有多个集成式传感器，为集成温度相对湿度传感器，能够同时测出温度、相对湿度以及气压值，占用空间小，结构简单、易于实施、响应快。集成温度相对湿度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，处理器连接信号处理单元用来接收信号处理单元计算出的安装点的温度、相对湿度和大气压。

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。所述集成温度相对湿度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。

集成温度相对湿度传感器的控制方法，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、信号处理单元连接处理器，处理器接收待测点的温度、相对湿度和气压信息。

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4所示，传感器的结构示意图如图5所示，应变片的转换特性及应变分布如图6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(黄铜膜片即是膜片3，膜片采用黄铜材质)，黄铜膜片覆盖在杯形支座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上，通过测量半导体应变片的电阻变化计算出集成温度相对湿度传感器(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：

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

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7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，处理器连接信号处理单元用来接收信号处理单元计算出的安装点的温度、相对湿度和大气压。

信号流程框图如图8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8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9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·CΩR(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5，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：

$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，(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。本发明提供的集成温度相对湿度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 (10)

1.一种粮仓监测报警装置，其特征在于，所述粮仓监测报警装置包括螺旋柱检测器、信号传递器和中心处理器，螺旋柱检测器是依靠自身的螺纹可运动外壳旋转推动整体运动的检测器，检测器内安装有检测单元用来检测粮仓内部各个点的温度、相对湿度和气压值，螺旋柱检测器无线传递检测信号到信号传递器，信号传递器无线连接中心处理器，信号传递器转发检测数据到中心处理器，中心处理器分析处理数据。

2.根据权利要求1所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述螺旋柱检测器包括螺旋柱体、导向尖头、检测单元、处理器、信号发送单元、动力源和转向机构，导向尖头安装在螺旋柱体的两端，检测单元、处理器和信号发送单元安装在螺旋柱体的内部，检测单元连接处理器并发送检测到的信号到处理器，处理器连接信号发送单元并通过信号发送单元发送检测数据，信号发送单元发送检测信号到信号传递器，动力源和转向机构安装在螺旋柱体的中部，动力源的指令输入端连接处理器，动力源的动力输出端连接转向机构，转向机构控制螺旋柱体的运动方向，转向机构连接在处理器上并根据处理器的指令决定运动方向，处理器通过信号发送单元发送检测信号或接收指令。

3.根据权利要求2所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述螺旋柱检测器两端的导向尖头内各自设有一个测距器，测距器连接在处理器上，定时通过信号发送单元发送信号到信号传递器，由信号传递器计算出两个测距器分别距离信号传递器的距离，信号传递器的计算结果发送到中心处理器。

4.根据权利要求1所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述信号传递器是“凹”形结构，信号传递器中设有一个凹槽，凹槽设置在信号传递器中间，信号传递器中设有信号接收单元和距离计算单元，信号接收单元接收螺旋柱检测器发送的检测信号，并向螺旋柱检测器发送中心处理器的指令。

5.根据权利要求1所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述中心处理器中设有图像模拟单元，图像模拟单元中保存有粮仓的模拟图，根据信号传递器发送的信号数据关系，模拟出螺旋柱检测器在粮仓中的位置。

6.根据权利要求1所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述检测单元中包括有多个集成温度相对湿度传感器，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，信号处理单元连接螺旋柱检测器中设置的处理器并发送检测到的安装点的温度、相对湿度和大气压值发送到处理器。

7.根据权利要求6所述的粮仓监测报警装置，其特征在于,所述半导体检测单元中，调整半导体应变片的安装位置，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0.888r₀的同心圆的位置上。

8.根据权利要求6所述的粮仓监测报警装置，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连接到信号处理单元。

9.根据权利要求8所述的粮仓监测报警装置，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。

10.根据权利要求6所述的粮仓监测报警装置，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。