CN109059981A - 一种温度、压力和湿度监测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度、压力和湿度监测传感器，属于环境监测技术领域，解决了现有温湿压传感器不能够同时输出模拟和数字信号的问题。包括：壳体、电连接器、螺纹底座；螺纹底座、电连接器分别与壳体焊接在一起，形成密闭腔室；腔室内部设置有传感模块，用于实时获取环境中的内外压力及温湿度；信号处理模块，用于对获取的环境信息进行分析处理；信号接口模块，用于向外传输数字与模拟信号。本发明将传感器技术和微处理器技术有机结合，将多个功能模块集成在传感器上，能够实时获取环境信息并进行信号处理，实现对被测环境的绝对压力、相对压力、湿度和温度的高精度实时监测，并以模拟和数字方式提供数据输出。

Description

一种温度、压力和湿度监测传感器

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，尤其涉及一种温度、压力和湿度监测传感器。

背景技术

高精密仪器设备的存放都有严格的环境要求，需要进行长期的环境监测，以提设备的可靠性和实现产品延寿。温湿压环境传感器主要用于监测环境的温度、湿度、压力等参数，对环境(温度、湿度、气压)能够监测、读取和分析，实现环境管理，有助于长时存放、全寿命周期免维护目标的达成。

目前，现有的温湿压环境传感器仅具有模拟信号或者数字信号输出功能，不能同时输出模拟及数字信号，适用范围受限；另外，现有温湿压传感器还存在获取处理环境信息数据实时性差，精度不高的不足。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种温度、压力和湿度监测传感器，用以解决现有温湿压环境传感器不能够同时输出模拟和数字信号的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

提供了一种温度、压力和湿度监测传感器，包括：壳体、电连接器、螺纹底座；

所述螺纹底座、电连接器分别与所述壳体焊接在一起，形成密闭腔室；所述电连接器用于传感器内部与外部设备的数据传输；所述螺纹底座用于安装传感器；

所述腔室内部设置有传感模块、信号处理模块、信号接口模块；

所述传感模块用于实时获取环境中的内外压力及温湿度信息，并传递给所述信号处理模块；

所述信号处理模块用于对获取的环境信息进行实时分析处理，并传递给所述信号接口模块；

所述信号接口模块通过电连接器与外部设备相连，用于与外部设备进行数字与模拟信号传输。

本发明有益效果如下：

本发明是将传感器技术和微处理器技术有机地结合形成的高度集成化的传感器，将多个功能模块集成在传感器上，体积小、功耗低、功能全面、适应性广，能够实时获取环境信息，对获得的环境信息实时进行信号处理，实现对被测环境的绝对压力、相对压力、湿度和温度的实时监测；同时可以同时通过模拟和数字方式提供数据传输，满足不同设备需求。

在上述方案的基础上，本发明还做了如下改进：

进一步，所述壳体顶部设置有六角螺母，所述六角螺母上部、螺纹底座前端均开设有透气孔；所述腔室底部设置有托座，中部固定安装有电路板，所述电路板设置有信号处理模块、信号接口模块，所述托座与螺纹底座之间采用螺纹连接。

进一步，所述传感模块包括：外压力芯体、内压力芯体、温湿芯体；所述外压力芯体设置在所述六角螺母的中部位置，用于测量被测环境外部的绝对压力；所述温湿芯体与内压力芯体焊接在同一圆形线路板上，所述圆形线路板固定安装在所述托座上；所述内压力芯体用于测量被测环境内部的绝对压力；所述温湿芯体用于测量被测环境的温度和湿度。

进一步，所述信号处理模块，通过I2C总线与所述外压力芯体、内压力芯体、温湿芯体相连；对获取到的数据进行实时分析处理后经过信号接口模块向外部输出。

进一步，所述信号接口模块，包括：信号调理单元、RS422通讯单元、外部数字接口、外部模拟接口；所述RS422通讯单元与信号处理模块通过UART相连，将信号处理模块处理后的信号转换为RS-422信号，并通过外部数字接口传输给控制端或上位机，同时将接收上位机的数据指令，并传递给所述信号处理模块；所述信号调理单元，将信号处理模块处理后的差压、温度和湿度信号转换为对应的三路模拟信号，并通过外部模拟接口向外部传输。

进一步，所述信号调理单元设置有接口保护电路，用于保护电流传输线不受干扰影响。

进一步，所述托座与螺纹底座之间通过灌封胶灌封；所述圆形线路板采用灌封胶固定安装在所述托座上。

进一步，所述信号调理单元为AD5755-1型DAC芯片。

进一步，所述内压力芯体、外压力芯体均为MS5803-02BA型绝压敏感芯体，所述温湿芯体为SHT31芯体。

进一步，还包括电源模块，用于将外部供电电压转换成传感模块、信号处理模块、信号接口模块所需的电压。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例中温湿压传感器仰视图；

图2为本发明实施例中温湿压传感器侧视图；

图3为本发明实施例中温湿压传感器俯视图；

图4为本发明实施例中温湿压传感器剖面图；

图5为本发明实施例中温湿压传感器内部模块连接框图；

图6为本发明实施例中电流输出转换电路图；

附图标记：

1-透气孔、2-外压力芯体、3-电连接器、4-壳体、5-电路板、6-灌封胶、7-托座、8-螺纹底座、9-温湿芯体、10-内压力芯体。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

本发明的一个具体实施例，公开了一种温度、压力和湿度监测传感器，如图1-5所示，包括：壳体(4)、电连接器(3)、螺纹底座(8)；

螺纹底座、电连接器分别与壳体焊接在一起，形成密闭腔室；电连接器用于传感器内部与外部设备的数据传输；螺纹底座用于安装传感器；

腔室内部设置有传感模块、信号处理模块、信号接口模块；

传感模块用于实时获取环境中的内外压力及温湿度信息，并传递给信号处理模块；

信号处理模块用于对获取的环境信息进行实时分析处理，并传递给信号接口模块；

信号接口模块通过电连接器与外部设备相连，用于与外部设备进行数字与模拟信号传输。

实施时，将该传感器通过螺纹底座安装在需要待监测的环境中，将传感器初始化，并通过所连接的外部设备进行参数配置，通过传感器芯体实时采集环境信息，同时通过处理得到内外压及温湿度数据，并以数字信号及模拟信号两种形式传输到外部设备。

与现有技术相比，本实施例提供的温度、压力和湿度监测传感器，将传感器技术和微处理器技术有机地结合形成的高度集成化的传感器，将多个功能模块集成在传感器上，体积小、功耗低、功能全面、适应性广，能够实时获取环境信息，对获得的环境信息实时进行信号处理，实现对被测环境的绝对压力、相对压力、湿度和温度的高精度实时监测；还可以同时通过模拟和数字信号两种方式提供数据输出，满足不同设备需求。

具体来说，为了保证传感器腔体内部与外部环境完全隔绝。本实施例中传感器的壳体衔接处采用激光无缝焊接，具体地，包括螺纹底座与壳体的焊接，连接器与壳体的焊接。激光焊接是将材料本身采用激光高温熔融后焊接在一起，不需要其它焊接材料，它的特点是焊缝强度高，焊缝小，焊接时发热量小，不会损坏内部器件；通过激光焊接，整个传感器没有连接缝隙浑然一体。

考虑到传感器工作时需要与外部环境接触，以便采集环境信息，实现压力与温湿度的测量，本在实施例中传感器的六角螺母(设置在壳体顶部)上部、螺纹底座前端均开设有细密的透气孔(1)(优选的，透气孔)，将传感模块(内外压力芯体、温湿芯体)与被测外部环境相连，同时也能有效防止外物侵入损坏传感器芯体。

进一步，腔室中部安装有电路板，电路板上设置有信号处理模块、信号接口模块；电路板通过铜柱固定在腔室内部，电路板的数量为至少一个，优选的，可以设置上、下两个电路板(5)，以便在保证具有传感器完备功能的同时减少传感器的体积；其中，电路板与基座间、电路板与电路板间采用铜柱固定，两电路板间使用对插端子进行电气连接。优选的，上、下电路板通过4颗M2的铜柱固定，保证了传感器抗震动与冲击能力。在传感器腔室底部设置有托座(7)，托座与螺纹底座之间采用螺纹连接，同时灌封胶(6)灌封，以保证接口的气密性；优选的，灌封胶为环氧树脂胶、硅橡胶。

为了提高传感器的环境适应性，传感器外壳材质均为316L耐酸钢，大大提高了防腐性能；

另外，本实施例中传感器在安装时，扳手力矩传导的结构没有薄弱的部位，力矩可以足够的大而不会损坏传感器；且可以使用锁进孔锁紧，长途运输、长期颠簸也不会倒丝。

该传感器通过壳体内部设置的传感模块、信号处理模块、信号接口模块，实时获取环境信息，对获得的环境信息实时进行信号处理，并以模拟和数字信号两种方式与外部设备进行数据传输，实现对被测环境的绝对压力、相对压力、湿度和温度的实时监测；具体地，

传感模块具有监测绝对压力和相对压力的功能，包括：外压力芯体(2)、内压力芯体(10)、温湿芯体(9)；外压力芯体设置在六角螺母的中部位置，用于测量被测环境外部的绝对压力；温湿芯体与内压力芯体焊接在同一圆形线路板上，圆形线路板固定安装在托座上(优选的，采用灌封胶固定安装在托座上)；内压力芯体用于测量被测环境内部的绝对压力；温湿芯体用于测量被测环境的温度和湿度。传感器的相对压力是通过内压力芯体和外压力芯体测得的两个环境的绝对压力相减来获得。

优选的，内压力芯体、外压力芯体均选用为MS5803-02BA型绝压敏感芯体作为压力元件，扩展量程为200kPa。该芯体功耗低，供电电压在1.8V～3.6V范围时，功耗不大于10uA，且无外围电路，直接输出24位I2C数字信号。温湿芯体采用sensirion公司的SHT31芯体，该芯体可以同时测量温度和湿度，测量精度高，稳定性好，测量范围宽，功耗低，响应时间短，直接输出14位I2C数字信号。芯片抗化学腐蚀性、防冷凝水，体积小。

信号处理模块是整个传感器工作的核心，采用了Atmega328P超低功耗微控制器，配置在电路板上，该处理器还具有超低功耗特点；传感器中的压力、温湿芯体输出的均为数字信号，信号处理模块通过I2C总线与外压力芯体、内压力芯体、温湿芯体相连；对获取到的数据进行分析处理后经过信号接口模块向外部输出，其中，一路转换成RS-422信号传输给控制端或上位机，另一路经过信号调理模块调理后实现温湿压信号的模拟输出。

信号接口模块，包括：信号调理单元、RS422通讯单元、外部数字接口、外部模拟接口；RS422通讯单元(优选的，为MAX3488芯片)与信号处理模块通过UART相连(具体地，该芯片的RO与DI口与处理器的串口RXD和TXD口相连)，将信号处理模块处理后的信号转换为RS-422信号，并通过外部数字接口传输给控制端或上位机，同时将接收上位机的数据指令，并传递给所述信号处理模块；需要说明的是，上位机可以通过RS-422通讯接口控制传感器的工作模式，并对传感器的配置参数进行修改。

本实施例中传感器具有温度、湿度和差压共3路(4-20)mA模拟量输出的功能。具体通过信号调理单元，如图6所示，将信号处理模块处理后的差压、温度和湿度信号转换为对应的三路模拟信号，并通过外部模拟接口向外部传输。优选的，信号调理单元选用ADI公司的4通道(4-20)mA电流输出的AD5755-1型DAC芯片。AD5755-1是一款四通道、电压和电流输出DAC芯片。芯片内动态电源控制功能是基于为实现片内功耗最低而优化的DC-DC升压转换器，封装功耗小。具体地：

(1)AD5755-1与单片机之间通过SPI连接通信，单片机将测量的差压、温度和湿度信号发送给AD5755-1转换为对应的3路(4～20)mA输出；

(2)AD5755-1的工作需要提供+5V和+10V两路电源，为减少传感器的功耗，采用两路DC-DC降压的方式从+28V供电得到+5V和+10V两路电源为芯片供电；

(3)AD5755-1具有智能升压功能，每路电流输出通道配置2只10uF电容、1只10uH功率电感及1只低压降肖特基二极管并开启芯片内部智能升压控制功能后，可以根据负载电阻和输出电流大小动态调节内部电流输出电路的供电电压，降低电流输出部分功耗；

(4)电流输出设计有接口保护电路，保护电流传输线不受的浪涌、静电等干扰影响。

相比于传统的DAC转换电路加3片(4～20)mA电流转换芯片的方式，该传感器的优势在于可以有效的降低传感器功耗，正常工作条件(差压10kPa，温度25℃，湿度50％)下传感器的功耗约为0.6W。传感器功耗的降低，可以有效减小传感器自身发热对温度测量精度的影响。

为了满足传感器内部元器件的工作需求，该传感器电路板上还设置有电源模块，用于将外部供电电压(9-36V)转换成传感模块、信号处理模块、信号接口模块所需的电压。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种温度、压力和湿度监测传感器，其特征在于，包括：壳体、电连接器、螺纹底座；

所述螺纹底座、电连接器分别与所述壳体焊接在一起，形成密闭腔室；所述电连接器用于传感器内部与外部设备的数据传输；所述螺纹底座用于安装传感器；

所述腔室内部设置有传感模块、信号处理模块、信号接口模块；

所述传感模块用于实时获取环境中的内、外压力及温湿度信息，并传递给所述信号处理模块；

所述信号处理模块用于对获取的环境信息进行实时分析处理，并传递给所述信号接口模块；

所述信号接口模块通过电连接器与外部设备相连，用于与外部设备进行数字与模拟信号传输。

2.根据权利要求1所述的温度、压力和湿度监测传感器，其特征在于，所述壳体顶部设置有六角螺母，所述六角螺母上部、螺纹底座前端均开设有透气孔；所述腔室底部设置有托座，中部固定安装有电路板，所述电路板设置有信号处理模块、信号接口模块，所述托座与螺纹底座之间采用螺纹连接。

3.根据权利要求2所述的温度、压力和湿度监测传感器，其特征在于，所述传感模块包括：外压力芯体、内压力芯体、温湿芯体；所述外压力芯体设置在所述六角螺母的中部位置，用于测量被测环境外部的绝对压力；所述温湿芯体与内压力芯体焊接在同一圆形线路板上，所述圆形线路板固定安装在所述托座上；所述内压力芯体用于测量被测环境内部的绝对压力；所述温湿芯体用于测量被测环境的温度和湿度。

4.根据权利要求3所述的温度、压力和湿度监测传感器，其特征在于，所述信号处理模块，通过I2C总线与所述外压力芯体、内压力芯体、温湿芯体相连；对获取到的数据进行实时分析处理后经过信号接口模块向外部输出。

5.根据权利要求4所述的温度、压力和湿度监测传感器，其特征在于，所述信号接口模块，包括：信号调理单元、RS422通讯单元、外部数字接口、外部模拟接口；所述RS422通讯单元与信号处理模块通过UART相连，将信号处理模块处理后的信号转换为RS-422信号，并通过外部数字接口传输给控制端或上位机，同时将接收上位机的数据指令，并传递给所述信号处理模块；所述信号调理单元，将信号处理模块处理后的差压、温度和湿度信号转换为对应的三路模拟信号，并通过外部模拟接口向外部传输。

6.根据权利要求5所述的温度、压力和湿度监测传感器，其特征在于，所述信号调理单元设置有接口保护电路，用于保护电流传输不受干扰影响。

7.根据权利要求1-6之一所述的温度、压力和湿度监测传感器，其特征在于，所述托座与螺纹底座之间通过灌封胶灌封；所述圆形线路板采用灌封胶固定安装在所述托座上。

8.根据权利要求7所述的温度、压力和湿度监测传感器，其特征在于，所述信号调理单元为AD5755-1型DAC芯片。

9.根据权利要求8所述的温度、压力和湿度监测传感器，其特征在于，所述内压力芯体、外压力芯体均为MS5803-02BA型绝压敏感芯体，所述温湿芯体为SHT31芯体。

10.根据权利要求9所述的温度、压力和湿度监测传感器，其特征在于，还包括电源模块，用于将外部供电电压转换成传感模块、信号处理模块、信号接口模块所需的工作电压。