CN106885826B - 一种用于石英谐振式露点传感器的自动测试与控制系统 - Google Patents

Abstract

一种用于石英谐振式露点传感器的自动测试与控制系统，是一种由传感器探测模块、敏感电路模块、处理器模块、温度测量模块及温度控制模块构成；传感器探测模块中的石英晶片与敏感电路模块相连实现对被测物理量的感知，并转换为被处理器采集的电信号；温度测量模块首先跟传感器探测模块里的铂热电阻相连，然后温度测量模块的信号输出端与处理器的温度输入端相连；敏感电路的信号输出端与处理器的信号采集端口相连；处理器的电压信号输出端与温度控制模块的电压信号输入端相连以实现电压与电流转换；温度控制模块的电流输出端与传感器探测模块中的半导体制冷器相连对其进行温度控制；本发明具有稳定性好、硬件成本低、抗外界干扰性强等特点。

Description

一种用于石英谐振式露点传感器的自动测试与控制系统

技术领域：

本发明涉及一种用于石英谐振式露点传感器的自动测试与控制系统，它是一种由温度测量模块、温度控制模块、敏感电路模块以及处理器构成的自动测试与控制系统。属于露点传感器技术领域。

背景技术：

在工业生产过程中很多场合需要对气体湿度进行控制，湿度检测是气体或压缩空气质量等级控制和完善气源系统的重要环节，因此要求精密测量气体的湿度，而且，最好采用一次检测方式测量，即既不是采用传感器的二次检测法，也不是采用氧浓度计等的间接法。大气湿度在物理学和气象学中的表示方法有很多种，每种表示都有各自的物理量和与其相对应的单位。在众多大气湿度的表示方法中，习惯使用的是相对湿度、绝对湿度、露(霜)点温度等。其中，露点温度的测量已被国际公认为最精密的湿度测量方法，世界各国实际的湿度量值传递都是通过露点温度来实现的。露点温度是指空气在水汽含量和气压都不改变的条件下，冷却到饱和时的温度，形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度。透过露点就可以知道空气中水汽含量，因而露点是一项绝对湿度的指标。露点测量其关键技术在于露点的探测与识别。目前主要的高精度的露点识别技术有冷凝光电法、以及晶体振荡法。

冷凝光电法是利用等压冷却或者半导体制冷方法使被测气体中的水蒸气开始出现露或霜，测量此时的温度，即为该气体的露(霜)点。它的识别原理是以观察抛光镜面的亮度确定露点温度。光学冷镜式露点仪就是利用镜面的反射光信号进行反馈控制半导体制冷器的温度，从而实现露点温度的跟踪测量。此原理制作的露点测量装置，主要缺点是抗污染能力差，响应速度慢，不能进行露点的连续测量，价格高昂。

石英谐振式露点测量方法主要是将石英晶体与半导体制冷器相结合，利用主动控温在石英晶体电极表面产生凝露，通过石英晶体的质量-频率敏感特性进行露点的识别和测量。这种方法结构简单，测量精度可以达到并超过光电露点法。目前尚处于不十分成熟阶段，国外有相关的产品，但是精度不高并且成本很高。基于此方法的露点测试仪器中关键的环节是在连续跟踪测量过程中，频率与温度的双闭环测控系统，因此，需要一套测控系统实现对露点的连续跟踪测量。

发明内容：

本发明的目的是提供一套针对石英谐振式露点传感器的自动测试与控制系统，用来实现传感器对露点的识别与自动跟踪控制。本系统具有结构简单、灵敏度极高、可靠性好、成本低的优点。

为实现上述的目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明一种用于石英谐振式露点传感器的自动测试与控制系统，它是一种由传感器探测模块、敏感电路模块、处理器模块、温度测量模块以及温度控制模块构成的自动测试与控制系统；它们之间的关系是：传感器探测模块中的石英晶片与敏感电路模块相连实现对被测物理量的感知，并转换为可被处理器模块采集的电信号；温度测量模块首先跟传感器探测模块里的铂热电阻相连，然后温度测量模块的信号输出端与处理器模块的温度测量模块输入端相连；敏感电路模块的信号输出端与处理器模块的信号采集端口相连；处理器模块的电压信号输出端与温度控制模块的电压信号输入端相连以实现比例为1：1的电压与电流转换；温度控制模块的电流输出端与传感器探测模块中的半导体制冷器相连对其进行温度控制；系统的功能组成框图如图1所示。

所述的传感器探测模块，如图1所示，主要是由半导体制冷器、石英晶片、铂热电阻组成，具体的结构组成已经申请了发明专利(申请号：201611183488.1)；它的作用是主动制造和识别露点，为后端的敏感电路模块提供物理量反馈；

所述的敏感电路模块已经申请发明专利并获得专利权(专利号：ZL201410727790.3)；其作用是给传感器探测模块结构中的石英晶片提供驱动，并且可以根据石英晶片电极表面的结露情况给后端的温度测量模块以及温度控制模块提供反馈量；该敏感电路模块输出的信号特征是当石英晶片电极表面处于干燥状态，电路会输出一个高电平信号，当石英晶片电极表面有结露产生，电路就会输出一个低电平信号；

所述的处理器模块，是由STM32F103RET6单片机芯片组成；该模块具有采集和控制的功能，在整个测控系统中充当控制器的功能；该芯片中，管脚14和管脚16与敏感电路模块相连接；管脚55、56和57和温度测量模块的输出相连；管脚20与温度控制模块的输入相连；管脚1、32、48、64、19和13与电源正极相连；管脚31、47、63、18、12和60与电路接地端相连，其中管脚60与电路接地端之间接入电阻R5；具体连接如图2所示。

所述的温度测量模块，主要由ADS1248IPWR芯片和铂热电阻以及外围电路组成；该铂热电阻与该芯片的管脚5＇、11＇和12＇相连；管脚5＇和管脚6＇之间串联一个电阻R3然后和电路接地端相连；管脚24＇、3＇、9＇、10＇、21＇和2＇都与电路接地端相连，其中管脚24＇与接地端串联一个电阻R4，管脚9＇与接地端之间串联一个电容C1；管脚1＇、4＇、22＇和23＇与电源正极相连，其中管脚4＇与电源正极之间串联一个电阻R2，管脚23＇与电源正极之间串联一个电阻R1；管脚26＇、27＇和28＇分别与处理器模块中的芯片的输入端相连；具体连接如图2所示；

所述的温度控制模块，主要由一个功率放大芯片PA02与半导体制冷器以及外围电路组成；该芯片PA02的管脚1＂和管脚2＂与直流稳压电源相连，其中管脚1＂与直流稳压电源之间串联一个电阻R7；管脚7＂和管脚8＂与直流稳压电源相连，其中管脚8＂与直流稳压电源之间串联一个电阻R6；管脚6＂与处理器模块中的芯片的电压输出端相连；管脚3＂和管脚4＂相连之后作为半导体制冷器的电源正极与半导体制冷器相连；管脚5＂与电路接地端相连并且中间串联一个电阻R9；管脚5＂作为半导体制冷器电源的负极与半导体制冷器相连；具体连接如图2所示。

本发明优点及功效：

本发明实现了一种用于石英谐振式露点传感器的自动测试与控制系统。本系统通过半导体制冷器对石英晶片制冷或加热使得石英晶片表面相态在结露与干燥之间相互交替，同时由于石英晶片表面相态的不同会导致敏感电路输出的信号成为间歇式的高低电平信号，高电平对应干燥状态，低电平对应结露状态，高低电平信号又作为控制半导体制冷器制冷功率的反馈信号，以此循环形成一个双闭环的控制系统。本系统具有稳定性好、硬件成本低、抗外界干扰性强等特点。

附图说明：

图1本发明的自动测试与控制系统功能组成框图。

图2本发明的自动测试与控制系统电路。

图中符号、代号说明如下:

R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9为精密电阻，C1为无极性固定电容，VDD为电源端，GND为电路的接地端，STM32F103RET6、ADS1248IPWR与PA02为芯片型号。

STM32F103RET6单片机芯片管脚序号：1～64。

ADS1248IPWR芯片管脚序号：1＇～28＇。

功率放大芯片PA02的管脚序号：1＂～8＂。

具体实施方式：

见图1,本发明一种用于石英谐振式露点传感器的自动测试与控制系统，它是由传感器探测模块、敏感电路模块、处理器模块、温度测量模块以及温度控制模块5部分功能模块组成。它们之间的关系是：传感器探测模块中的石英晶片与敏感电路模块相连实现对被测物理量的感知，并转换为可被处理器采集的电信号；温度测量模块首先跟传感器探测模块里的铂热电阻相连，然后温度测量模块的信号输出端与处理器的温度输入端相连；敏感电路的信号输出端与处理器的信号采集端口相连；处理器的电压信号输出端与温度控制模块的电压信号输入端相连以实现比例为1：1的电压与电流转换；温度控制模块的电流输出端与传感器探测模块中的半导体制冷器相连对其进行温度控制。

参照图2，该自动测试与控制系统电路主要由四部分功能电路组成：

1)敏感电路已经申请发明专利(专利号：ZL201410727790.3)。该电路是给传感器探测模块中的石英晶片提供驱动，并且可以根据石英晶片电极表面的结露情况给后端的处理器模块提供反馈量。敏感电路输出的信号特征是当石英晶片电极表面处于干燥状态，电路会输出一个高电平信号，当石英晶片电极表面有结露产生，电路就会输出一个低电平信号。

2)处理器电路是通过STM32F103RET6单片机芯片实现的。管脚1、32、48、64、19和13与+5V直流稳压电源相连；管脚31、47、63、18、12和60与电路接地端相连，其中管脚60与电路接地端之间接入阻值为10KΩ的精密电阻R5；管脚14和管脚16与敏感电路的信号输出端相连接；管脚55、56和57和温度测量电路的输出相连；管脚20与温度控制电路的输入端相连。

3)温度测量电路，主要是通过ADS1248IPWR芯片和铂热电阻以及外围电路实现的。铂热电阻的选型为PT100，与芯片的管脚5＇、11＇和12＇相连；管脚5＇和管脚6＇之间串联一个阻值为1KΩ的精密电阻R3然后和电路接地端相连；管脚24＇、3＇、9＇、10＇、21＇和2＇都与电路接地端相连，其中管脚24＇与接地端串联一个阻值为10KΩ的精密电阻R4，管脚9＇与接地端之间串联一个电容C1，C1为无极性固定电容，电容值为1uF；管脚1＇、4＇、22＇和23＇与+5V直流稳压电源相连，其中管脚4＇与电源之间串联一个阻值为10KΩ的精密电阻R2，管脚23＇与电源之间串联一个阻值为10KΩ的精密电阻R1；管教26＇、27＇和28＇分别与STM32F103RET6单片机芯片的温度输入端相连。

4)温度控制电路，主要是通过功率放大芯片PA02与半导体制冷器以及外围电路实现。芯片PA02的管脚1＂和管脚2＂与-12V直流稳压电源相连，其中管脚1＂与-12V直流稳压电源之间串联一个阻值为0.12Ω的精密电阻R7；管脚7＂和管脚8＂与+12V直流稳压电源相连，其中管脚8＂与+12V直流稳压电源之间串联一个阻值为0.12Ω的精密电阻R6；管脚6＂与STM32F103RET6单片机芯片的电压输出端相连；管脚3＂和管脚4＂相连之后作为半导体制冷器的电源正极与半导体制冷器正极输入相连；管脚5＂与电路接地端相连并且中间串联一个阻值为1Ω的精密电阻R9；管脚5＂作为半导体制冷器电源的负极与半导体制冷器的负极输入相连。

Claims (1)

1.一种用于石英谐振式露点传感器的自动测试与控制系统，其特征在于：它是一种由传感器探测模块、敏感电路模块、处理器模块、温度测量模块以及温度控制模块构成的自动测试与控制系统；它们之间的关系是：传感器探测模块中的石英晶片与敏感电路模块相连实现对被测物理量的感知，并转换为被处理器模块采集的电信号；温度测量模块首先跟传感器探测模块里的铂热电阻相连，然后温度测量模块的信号输出端与处理器模块的温度测量模块输入端相连；敏感电路模块的信号输出端与处理器模块的信号采集端口相连；处理器模块的电压信号输出端与温度控制模块的电压信号输入端相连以实现比例为1：1的电压与电流转换；温度控制模块的电流输出端与传感器探测模块中的半导体制冷器相连对其进行温度控制；

所述的传感器探测模块，是由半导体制冷器、石英晶片、铂热电阻组成；它的作用是主动制造和识别露点，为后端的敏感电路模块提供物理量反馈；

所述的敏感电路模块，其作用是给传感器探测模块结构中的石英晶片提供驱动，并且根据石英晶片电极表面的结露情况给后端的温度测量模块以及温度控制模块提供反馈量；该敏感电路模块输出的信号特征是当石英晶片电极表面处于干燥状态，电路会输出一个高电平信号，当石英晶片电极表面有结露产生，电路就会输出一个低电平信号；

所述的处理器模块，是由STM32F103RET6单片机芯片组成；该模块具有采集和控制的功能，在整个测控系统中充当控制器的功能；该芯片中，管脚14和管脚16与敏感电路模块相连接；管脚55、56和57和温度测量模块的输出相连；管脚20与温度控制模块的输入相连；管脚1、32、48、64、19和13与电源正极相连；管脚31、47、63、18、12和60与电路接地端相连，其中管脚60与电路接地端之间接入电阻R5；

所述的温度测量模块，由ADS1248IPWR芯片和铂热电阻以及外围电路组成；该铂热电阻与该芯片的管脚5＇、11＇和12＇相连；管脚5＇和管脚6＇之间串联一个电阻R3然后和电路接地端相连；管脚24＇、3＇、9＇、10＇、21＇和2＇都与电路接地端相连，其中管脚24＇与接地端串联一个电阻R4，管脚9＇与接地端之间串联一个电容C1；管脚1＇、4＇、22＇和23＇与电源正极相连，其中管脚4＇与电源正极之间串联一个电阻R2，管脚23＇与电源正极之间串联一个电阻R1；管脚26＇、27＇和28＇分别与处理器模块中的芯片的输入端相连；

所述的温度控制模块，由一个功率放大芯片PA02与半导体制冷器以及外围电路组成；该芯片PA02的管脚1＂和管脚2＂与直流稳压电源相连，其中管脚1＂与直流稳压电源之间串联一个电阻R7；管脚7＂和管脚8＂与直流稳压电源相连，其中管脚8＂与直流稳压电源之间串联一个电阻R6；管脚6＂与处理器模块中的芯片的电压输出端相连；管脚3＂和管脚4＂相连之后作为半导体制冷器的电源正极与半导体制冷器相连；管脚5＂与电路接地端相连并且中间串联一个电阻R9；管脚5＂作为半导体制冷器电源的负极与半导体制冷器相连。