CN111059846A - 一种结冰结霜检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种结冰结霜检测系统，包括有谐振单元、信号调理整形单元、信号处理单元、频率检测单元、以及检测处理单元；其中，所述谐振单元置于被测环境中，用于获取被测环境中的被测物理量；所述信号调理整形单元接收检测处理单元输出的电信号，对其进行调理整形处理，输出至信号处理单元；所述频率检测单元根据信号处理单元输出的信号，检测获取到谐振单元的谐振频率，并将该谐振频率信号输出至检测处理单元，所述检测处理单元根据谐振频率的变化判断是否有结冰结霜并把结果编码通过数据传输协议接口输出。通过根据谐振单元谐振频率的变化来判断是否有结冰结霜，结构简单，成本低，可以大大提升除冰除霜的效率，且便于环保节能。

Description

一种结冰结霜检测系统

技术领域

本发明涉及除冰除霜行业技术领域，尤其涉及一种结冰结霜检测系统。

背景技术

随着人们生活水平的提高和对生活品质的要求，人们对制冷设备的需求也越来越大，冰箱空调等制冷设备已经成为生活必需品。制冷设备在使用过程中，经常会有蒸发器结霜，冷冻冷藏室结冰等情况发生，严重影响了制冷设备的使用。

目前很多去除结冰和结霜的方法，比如：定时除霜法、时间温度控制除霜法、压差控制除霜法等。其中，定时除霜法主要以时间为控制目标，即定时进行除霜，这样可以尽可能地避免结霜，但是具有盲目性，有时可能根本没有结霜，但是也会定时的执行除霜的操作，导致电能的大量浪费，由于不能有效判断是否结霜，故具有较大的盲目性，需要浪费额外的电能，不符合人类环保节能的需求。

时间温度控制除霜法结合了时间量和机组的环境温度进行判断，相对于定时除霜法单依靠时间判断，有了较大的改进，然而，此方法综合了部分经验的因素，也可能在无霜的时候仍然发出除霜的误动作。

由以上可见，除冰除霜之前有必要进行结冰结霜的检测，当只有在有结冰、结霜时才进行除冰除霜操作。这可以大大提升除冰除霜的效率，且便于环保节能。

目前结冰结霜的探测有压差式、放射性同位素和光学结冰探测等；其中，压差式结冰探测又被称作冲压空气式结冰探测，其利用测量迎面气流的动压(全压)与静压的差值，来判断是否结冰。而光学结冰探测则利用光学的吸收强度变化来判断是否结冰。放射性同位素结冰探测则是利用结冰之后从放射源抵达计数器的β粒子(电子)数量减少的原理进行探测。然而，以上的结冰结霜探测均比较复杂，且成本费用高，难以应用于冰箱等家电产品上。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结冰结霜检测系统，以解决上述背景技术问题中的至少一种。

为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：

一种结冰结霜检测系统，包括：谐振单元、连接谐振单元的信号调理整形单元、以及连接信号调理整形单元的单片机处理单元；其中，所述单片机处理单元包括有信号处理单元、连接信号处理单元的频率检测单元、以及连接频率检测单元的检测处理单元；其中，

所述谐振单元连接有谐振激励单元，通过谐振激励单元驱动谐振单元；

所述谐振单元置于被测环境中，用于获取被测环境中的被测物理量；

所述信号调理整形单元接收谐振单元输出的信号，对其进行整形处理，输出至信号处理单元；

所述信号处理单元接收信号调理整形单元输出的电信号，对其进行放大处理，输出至频率检测单元；

所述频率检测单元根据信号处理单元输出的信号，检测获取到谐振单元的谐振频率，并将该谐振频率信号输出至检测处理单元，所述检测处理单元根据谐振频率的变化判断是否有结冰结霜，并把结果编码通过数据传输协议接口输出。

在一些实施例中，所述谐振单元包括有谐振体，谐振体的固有谐振频率为f,则：

其中，CT为压电陶瓷的刚度，M为负载的质量，m_eff为压电陶瓷有效质量。

在一些实施例中，所述信号处理单元包括有放大处理电路，以用于对信号调理整形单元输出的信号进行放大处理。

在一些实施例中，所述频率检测单元还连接有补偿单元，所述补偿单元包括有结霜补偿单元以及温度补偿单元，以进行结霜补偿以及温度补偿。

在一些实施例中，所述信号处理单元还连接谐振激励单元，以将相应信号反馈至谐振激励单元，构成闭环自激励环节，实时调整激励信号，激励谐振单元的谐振体产生谐振。

在一些实施例中，所述谐振体包括有支架、两端固定于支架上的金属片、通过高强度胶水粘贴于金属片上的压电材料、以及设置于压电材料上的驱动电极。

在一些实施例中，所述金属片上设置有亲水覆膜区以及疏水覆膜区，所述亲水覆膜区以及疏水覆膜区设置于金属片的同一面，且设置于金属片上相对于粘贴有压电材料的另一面。

在一些实施例中，所述谐振体包括有基座、设置于基座上的圆柱筒；其中，圆柱筒上设置有振动膜片，所述振动膜片上设置压电材料、驱动电极；所述振动膜片上还设置有亲水覆膜区、以及疏水覆膜区。

在一些实施例中，所述谐振体包括有基座，所述基座设置有一腔体，腔体内设置有磁铁，腔体开口端位置安装有金属片,所述金属片贴近基座腔体的一面设置有延伸部，延伸部缠绕有感应线圈。

在一些实施例中，所述金属片的另一面设置有亲水覆膜区以及疏水覆膜区；所述金属片的延伸部呈一空心筒状，所述磁体对应于所述空心筒状设置有延伸入所述空心筒的铁心。

本发明技术方案的有益效果是：

本发明通过根据谐振单元谐振频率的变化来判断是否有结冰结霜，从而发出报警和/或除冰除霜相关的指令信号，结构简单，成本低，可以大大提升除冰除霜的效率，且便于环保节能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的结冰结霜检测系统示意图。

图2是根据本发明实施例结冰结霜检测系统的了信号调理整形单元的等效电路示意图。

图3是根据本发明实施例结冰结霜检测系统的整形电路示意图。

图4是根据本发明实施例结冰结霜检测系统的谐振体结构示意图。

图5是根据本发明结冰结霜检测系统另一实施例的谐振体结构示意图。

图6是根据本发明结冰结霜检测系统另一实施例的谐振体结构示意图。

图7是根据本发明结冰结霜检测系统另一实施例的谐振体结构示意图。

图8是根据本发明发明另一实施例结冰结霜检测系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

作为本发明一实施例，提供一种结冰结霜检测系统，其可直接探测被测物体的结冰结霜情况，且成本低，利于节能环保。

图1所示是根据本发明一个实施例的结冰结霜检测系统示意图，系统包括谐振单元、连接谐振单元的信号调理整形单元、以及连接信号调理整形单元的单片机处理单元；其中，所述单片机处理单元包括有信号处理单元、连接信号处理单元的频率检测单元、以及连接频率检测单元的检测处理单元；所述信号调理整形单元连接信号处理单元。其中，所述谐振单元连接有谐振激励单元，通过谐振激励单元驱动谐振单元；所述谐振单元置于被测环境中，用于获取被测环境中的被测物理量；所述信号调理整形单元接收谐振单元输出的信号，对其进行整形处理，输出至信号处理单元；所述信号处理单元接收信号调理整形单元输出的电信号，对其进行放大处理，输出至频率检测单元；所述频率检测单元根据信号处理单元输出的信号，检测获取到谐振单元的谐振频率，并将该谐振频率信号输出至检测处理单元，所述检测处理单元根据谐振频率的变化判断是否有结冰结霜并把结果编码通过数据传输协议接口输出。

在本发明实施例中，所述结冰结霜检测系统用于检测冰箱的结冰结霜情况，后面以检测冰箱的结冰结霜情况为例进行说明；可以理解的是，本发明并不限于冰箱的结冰结霜检测，发明也可应用于空调等制冷设备中，在此不做特别限定；无论应用何种情况，只要与发明原理方案相同，均应属于本发明的保护范围。在本发明实施例中，被测环境为冰箱，被测物理量为冰箱的结冰结霜情况。

在本发明实施例中，所述谐振单元包括有谐振体，谐振体的固有谐振频率为f,则可得：

其中，CT为压电陶瓷的刚度，M为负载的质量，m_eff为压电陶瓷有效质量。谐振体置于被测环境中，当没有结冰结霜时，谐振体的谐振频率保持为f不变；而当被测环境结冰结霜时，谐振体上因为附着有冰霜，从而引起其等效质量以及刚度的改变。具体地，结冰过程中，谐振体的刚度和质量增加，从而会引起谐振体的谐振频率发生变化，根据谐振频率的变化即可判断被测环境是否有结冰结霜。

参照图2所示，图2示出了信号调理整形单元的等效电路示意图，其包括有串联连接的等效电感L_x、等效电容Cx以及等效电阻Rx,根据等效电路可得：

根据上式(1)、(2)，检测处理单元实时获取获取谐振单元输出的物理量信号，并对该物理量信号进行处理，将其转换成电信号。

在一些实施例中，所述信号处理单元包括有放大处理电路，以用于对信号调理整形单元输出的信号进行放大处理。

在一些实施例中，所述信号处理单元还连接谐振激励单元，以将相应信号反馈至谐振激励单元，构成闭环自激励环节，实时调整激励信号，激励谐振单元的谐振体产生谐振。

在一些实施例中，所述频率检测单元还连接有补偿单元，本发明实施例中，所述补偿单元包括有结霜补偿单元以及温度补偿单元，通过结霜补偿单元以及温度补偿单元的结霜补偿以及温度补偿，从而使得频率检测单元最终输出的频率信号更加精确。

在一些实施例中，所述信号调理整形单元包括有反相器谐振电路，通过反相器谐振电路以将频率检测单元输出的信号整形转换成方波信号输出至单片机处理单元，在单片机处理单元的信号处理单元中使用软件算法分析数据，得到有效的波形频率结果。作为本发明一实施例，所述单片机处理单元还包括控制电路，单片机定时启动所述控制电路，使得检测系统开始检测工作，输出的信号通过调理电路整形后输出。作为一实施例，所述控制电路由单片机引脚控制组成。

在一实施例中，信号调理整形单元包括有整形电路，参照图3所示，所述整形电路设置有由电阻R1、电阻R4以及运算放大器构成的一级射极跟随器、以及桥式整流电路。其中，信号经过一级射极跟随器输出与后级电路阻抗匹配，再经过桥式整流把交流信号整形成一定幅值得直流信号，输出至单片机处理单元进行处理。

参照图4所示，图4所示为谐振体结构示意图，所述谐振体包括有支架1、两端固定于支架1上的金属片2、通过高强度导电胶粘贴于金属片2上的压电材料4、以及设置于压电材料4上的驱动电极3。其中，所述金属片2上设置有亲水覆膜区A以及疏水覆膜区B，所述亲水覆膜区A以及疏水覆膜区B设置于金属片的同一面；具体地，所述亲水覆膜区A设置于金属片2上相对于粘贴有压电材料4的另一面，如此可以提高探测系统的探测精度。所述金属片2设置有亲水覆膜区A的一面贴近于被测环境，当有环境中有结冰结霜现象发生时，亲水覆膜区会产生结冰结霜，通过金片2另一面设置的压电材料4感测，获取到相应的结冰结霜感应信息。

参照图5所示，图5所示为另一实施例谐振体结构示意图，所述谐振体包括有支架10、一端固定于支架10上的金属片20、通过高强度导电胶粘贴于金属片20上的压电材料40、以及设置于压电材料40上的驱动电极30。其中，所述金属片20上设置有亲水覆膜区A以及疏水覆膜区B，所述亲水覆膜区A以及疏水覆膜区B设置于金属片的同一面；具体地，所述亲水覆膜区A设置与金属片20上相对于粘贴有压电材料40的另一面，如此可以提高探测系统的探测精度。所述金属片20设置有亲水覆膜区A的一面贴近于被测环境，当有环境中有结冰结霜现象发生时，亲水覆膜区会产生结冰结霜，通过金片20另一面设置的压电材料40感测，获取到相应的结冰结霜感应信息。相对于图3所示实施方式，图4实施例中的金属片20只有一段固定于支架10上，从而更利于提高探测精度。

参照图6所示，图6所示为另一实施例谐振体结构示意图，所述谐振体包括有基座100、设置于基座100上的圆柱筒(未标号)；其中，圆柱筒上设置有振动膜片(未图示)，所述振动膜片上设置压电材料400、驱动电极300。作为一实施例，所述振动膜片上还设置有亲水覆膜区A、以及疏水覆膜区B。谐振体放置于被测环境中时，当有结冰结霜现象发生，亲水覆膜区A随之产生结冰结霜现象，从而引起振动膜片的谐振频率发生变化，根据谐振频率的变化，即可判断被测环境中有结冰结霜。

参照图7所示，图7所示为另一实施例谐振体结构示意图，所述谐振体包括有基座1’，所述基座1’设置有一腔体(未标号)，腔体内设置有磁铁5，腔体开口端位置安装有金属片2’,所述金属片2’贴近基座1’腔体的一面设置有延伸部(未图示)，延伸部缠绕有感应线圈50。所述金属片2’的另一面设置有亲水覆膜区A以及疏水覆膜区B。作为一实施例，所述金属片2’的延伸部呈一空心筒状，所述磁体对应于所述空心筒状设置有延伸入所述空心筒的铁心。作为一实施例，所述亲水覆膜区A的大小与磁铁感应线圈50的大小相配。

参照图8所示，图8所示为另本发明另一实施例结冰结霜检测系统的结构示意图，其包括有基座10’、安装于基座10’上的第一、第二压电传感器、PCBA电路板7以及温度传感器6。其中，基座10’设置有腔体(未图示)，腔体一端设有开口，第一压电传感器设置于腔体开口端、第二压电传感器密封安装于腔体内。作为一实施例，所述第一、第二压电传感器是采用压电材料制作成的压电蜂鸣片，所述压电蜂鸣片设计成压电振动板结构，压电振动板由一块两面印刷有驱动电极的压电陶瓷板20’、200’和一块金属片40’、400’组成。通过粘合剂将压电振动板和金属片粘接在一起，组成蜂鸣片。当在压电振动板的两个驱动电极间施加直流电压时，由于压电效应，导致机械变形。对于形状扭曲的压电元件，其变形以辐射方向伸展。当在压电振动板的两个驱动电极间施加交流电压时，压电振动板就会产生固定频率的机械变形。对于材料和结构确定的蜂鸣片，其机械振动的频率是固定的。最终通过测试两个蜂鸣片之间的频率差来判断是否有结冰结霜情况发生。

具体地，基座的壳体内壁上设置有结构槽，压电传感器和壳体上结构槽通过胶水安装于一起；作为一实施，安装槽处还设置有防水垫。所述温度传感器通过胶水粘贴在外壳内壁，所述PCBA电路板和外壳上结构槽通过胶水安装，然后通过接口线连接外部上位机，所述接口线设置有套管保护，通过外壳上留的出口与上位机相连接，外壳上的线缆出口出线后，用胶水密封。所述第一、第二压电传感器、温度传感器、以及接口线通过线缆与PCBA电路板连接，组成完整的电路。

在本发明实施例中，两个蜂鸣片和PCBA电路板装在壳体内，所述第二压电传感器完全封闭，这样和外界空气隔离；而第一压电传感器一端暴露在空气中，当制冷设备中有结冰结霜情况发生时，第一压电传感器暴露在空气中的一端表面会附着冰霜，这将导致第一压电传感器的蜂鸣片的自谐振频率发生变化。由于第二压电传感器的内置蜂鸣片在封闭空间中，所有结冰结霜不会影响到内置蜂鸣片。最终通过测试第一、第二压电传感器两个蜂鸣片之间的频率差来判断是否有结冰结霜情况发生。

本发明主要目就是能够实时监测制冷设备是否有结冰结霜的情况，从而降低提醒使用者，及时清理冰块来降低能耗。系统使用的压电传感器主要是采用压电材料制作成的压电蜂鸣片，压电蜂鸣片设计成压电振动板结构，压电振动板由一块两面印刷有驱动电极的压电陶瓷板和一块金属板(黄铜或不锈钢等)组成。使用粘合剂，将压电振动板和金属片粘接在一起，组成蜂鸣片。当在压电振动板的两个驱动电极间施加直流电压时，由于压电效应，导致机械变形。对于形状扭曲的压电元件，其变形以辐射方向伸展。当在压电振动板的两个驱动电极间施加交流电压时，压电振动板就会产生固定频率的机械变形。对于材料和结构确定的蜂鸣片，其机械振动的频率是固定的。所述压电蜂鸣片驱动方式有两种，分别是外部驱动和自驱动两种方式。在本实施例中，压电蜂鸣片是采用自驱动，通过检测压电蜂鸣片的自谐振频率的变化来检测是否有结冰结霜的情况。

可以理解的是，当将本发明的系统嵌入装置或硬件中时会作出相应的结构或部件变化以适应需求，其本质仍然采用本发明的检测系统，所以应当视为本发明的保护范围。以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

此外，本发明的范围不旨在限于说明书中所述的过程、机器、制造、物质组成、手段、方法和步骤的特定实施例。本领域普通技术人员将容易理解，可以利用执行与本文所述相应实施例基本相同功能或获得与本文所述实施例基本相同结果的目前存在的或稍后要开发的上述披露、过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤。因此，所附权利要求旨在将这些过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其范围内。

Claims (10)

1.一种结冰结霜检测系统，其特征在于，包括：谐振单元、连接谐振单元的信号调理整形单元、以及连接信号调理整形单元的单片机处理单元；其中，所述单片机处理单元包括有信号处理单元、连接信号处理单元的频率检测单元、以及连接频率检测单元的检测处理单元；其中，

所述谐振单元连接有谐振激励单元，通过谐振激励单元驱动谐振单元；

所述谐振单元置于被测环境中，用于获取被测环境中的被测物理量；

所述信号调理整形单元接收谐振单元输出的信号，对其进行整形处理，输出至信号处理单元；

所述信号处理单元接收信号调理整形单元输出的电信号，对其进行放大处理，输出至频率检测单元；

所述频率检测单元根据信号处理单元输出的信号，检测获取到谐振单元的谐振频率，并将该谐振频率信号输出至检测处理单元，所述检测处理单元根据谐振频率的变化判断是否有结冰结霜，并把结果编码通过数据传输协议接口输出。

2.如权利要求1所述的结冰结霜检测系统，其特征在于：所述谐振单元包括有谐振体，谐振体的固有谐振频率为f,则：

其中，CT为压电陶瓷的刚度，M为负载的质量，m_eff为压电陶瓷有效质量。

3.如权利要求1所述的结冰结霜检测系统，其特征在于：所述信号处理单元包括有放大处理电路，以用于对信号调理整形单元输出的信号进行放大处理。

4.如权利要求1所述的结冰结霜检测系统，其特征在于：所述频率检测单元还连接有补偿单元，所述补偿单元包括有结霜补偿单元以及温度补偿单元，以进行结霜补偿以及温度补偿。

5.如权利要求2所述的结冰结霜检测系统，其特征在于：所述信号处理单元还连接谐振激励单元，以将相应信号反馈至谐振激励单元，构成闭环自激励环节，实时调整激励信号，激励谐振单元的谐振体产生谐振。

6.如权利要求2所述的结冰结霜检测系统，其特征在于：所述谐振体包括有支架、两端固定于支架上的金属片、通过高强度胶水粘贴于金属片上的压电材料、以及设置于压电材料上的驱动电极。

7.如权利要求6所述的结冰结霜检测系统，其特征在于：所述金属片上设置有亲水覆膜区以及疏水覆膜区，所述亲水覆膜区以及疏水覆膜区设置于金属片的同一面，且设置于金属片上相对于粘贴有压电材料的另一面。

8.如权利要求2所述的结冰结霜检测系统，其特征在于：所述谐振体包括有基座、设置于基座上的圆柱筒；其中，圆柱筒上设置有振动膜片，所述振动膜片上设置压电材料、驱动电极；所述振动膜片上还设置有亲水覆膜区、以及疏水覆膜区。

9.如权利要求2所述的结冰结霜检测系统，其特征在于：所述谐振体包括有基座，所述基座设置有一腔体，腔体内设置有磁铁，腔体开口端位置安装有金属片,所述金属片贴近基座腔体的一面设置有延伸部，延伸部缠绕有感应线圈。

10.如权利要求8所述的结冰结霜检测系统，其特征在于：所述金属片的另一面设置有亲水覆膜区以及疏水覆膜区；所述金属片的延伸部呈一空心筒状，所述磁体对应于所述空心筒状设置有延伸入所述空心筒的铁心。

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