CN113834855A - 一种光电冷镜式露点传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电冷镜式露点传感器，包括依次连接的控制系统、结露系统和光电检测系统；所述控制系统包括壳体和依次安装于壳体内的PCB主控板、PCB转接板和焊针，所述PCB主控板的底部和顶部分别设有航空接头和连接座，所述航空接头穿过壳体的底部，用于与外部的电器件连接；所述连接座与PCB转接板连接，进而连接焊针，并通过焊针连接结露系统和光电检测系统。本发明通过半导体工艺镀铂金并涂覆抗油疏水材料的镜面，及软件控制，获得抗污自清洁的效果，保证仪器长期工作精度；本发明还有效解决了现有的露点仪体积大、功耗高，成本高等问题，具有结构紧凑小巧、降低功耗、降低成本和提高效率、延长使用寿命的有益效果。

Description

一种光电冷镜式露点传感器

技术领域

本发明涉及结露测量的技术领域，更具体地，涉及一种光电冷镜式露点传感器。

背景技术

露点仪是测量气体中含有水汽含量的仪器设备，配合测量气体温度，可以获得气体的温湿度。光学冷镜式露点仪因其测量精度高，长期稳定可靠，被国际通用作为计量检测行业测量露点和温湿度的传递标准。

虽然露点仪具有以上精度高、长期稳定可靠的特点，但其价格高昂、使用和维护频繁是其不可回避的问题，测量范围窄、仪器体积大等因素也限制了使用场景。

其次要保证露点仪高精度，测量气体必须清洁干净无污染，或者定期清洗镜面污染物，否则容易受镜面污染物影响导致测量露点偏差从而影响仪器精度。

而且，现有的露点仪镜面采用大尺寸铜镀金，铜块惯性大导致响应速度慢，铜镀金工艺表面容易脏污；且大尺寸铜镀金，消耗制冷功率，导致制冷温差小，测量露点范围小。

另外，由于现有的露点仪功耗较大，因此露点仪的控制系统一般为外接机体的结构。导致露点仪功耗较大的主要原因有：一是现有的露点仪控制系统采用MOS管调节输出功率，但MOS管体积大，不利于小型化，且会产生大量热源，散热比较困难；二是现有的露点仪控制系统设置了大功耗的显示器，导致整个露点仪的功耗难以降低；三是现有的露点仪结露系统由于制冷效率低、因此所需的制冷功率大、功耗高；四是现有的露点仪测量外界温度的温度计结露系统分离，也导致了线路复杂、功耗高。由于露点仪的控制系统为外接的机体结构，因此导致了露点仪整体的笨重、成本高、不便携带，应用场景有限；由于控制系统外接，也导致需要外接控制系统，并测量外界温度的温度计难以与结露系统集成于同一检测腔内，从而导致测量的不便，以及进一步导致了整个露点仪体积大、成本高。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷（不足），提供一种光电冷镜式露点传感器，用于解决现有的露点仪控制系统体积大、应用场景受限的问题。

为解决上述的技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种光电冷镜式露点传感器，包括依次连接的控制系统、结露系统和光电检测系统；所述控制系统包括壳体和依次安装于壳体内的PCB主控板、PCB转接板和焊针，所述PCB主控板的底部和顶部分别设有航空接头和连接座，所述航空接头穿过壳体的底部，用于与外部的电器件连接；所述连接座与PCB转接板连接，进而连接焊针，并通过焊针连接结露系统和光电检测系统。

本技术方案中，通过高度集成化，采用一体式PCB主控板取代台式控制器，从而使整套设备的体积达到缩小，以便于携带和使用；通过采用一体式PCB主控板，也取消了原来的大功耗显示器，从而降低了整机的功耗，使PCB主控板的散热性能符合要求。

具体地，通过将PCB主控板设置于壳体内，摒弃了现有技术中将PCB主控板与测量单元分开的方案，实现了露点传感器的小巧，高度集成化、方便嵌入其他系统，应用场景更广阔。同时，由于PCB主控板设置在壳体内，也节省了露点传感器的的成本。另外，航空接头穿过壳体的底部，以便于在使用时，直接将外部电器件与航空接头连接，从而降低了生产难度和生产成本、也提高了生产效率。

进一步地，由于PCB主控板集成于壳体内，光电检测系统可以直接与结露系统连接，进而与控制系统连接，实现整个露点传感器一体化设置，简化了露点传感器的结构，以便于携带和使用。

在其中一种实施例中，所述壳体包括相互连接的底盖和散热座；所述PCB主控板、PCB转接板和焊针设置在散热座内，所述底盖为中空结构，所述航空接头穿过底盖，且外露于底盖之外；所述航空接头与底盖的连接位置处设有密封圈。

本技术方案中，可以通过散热座的金属导热功能，对PCB主控板和结露系统进行散热。具体地，散热座对结露系统进行散热是，主要是对结露系统的热端部进行散热。通过在航空接头与底盖之间设置密封圈，将航空接头与底盖的连接位置密封，以保证散热座底部的密封效果，避免水汽从散热座底部渗入，影响PCB主控板性能。具体地，当散热座与底盖之间为可拆卸连接关系时，还可以在散热座与底盖之间设置密封圈，进一步保证散热座底部的密封效果。

在其中一种实施例中，所述散热座的顶部设有开口，所述开口上覆盖有针位固定板，用于固定焊针；且所述开口的轮廓与针位固定板的轮廓吻合。

通过将散热座开口的轮廓设计为与针位固定板的轮廓吻合，一方面可以固定针位固定板，另一方面也可以通过针位固定板，对散热座的顶部进行封闭。

在其中一种实施例中，所述针位固定板与PCB转接板之间设有硅胶密封垫，所述焊针从下到上依次穿设于PCB转接板、硅胶密封垫和针位固定板之间，并共同密封散热座的顶部。

一方面，针位固定板将焊针与金属材质的散热座隔开，以形成绝缘的效果，保证了电气绝缘的要求，并能有效固定结露系统，使结露系统处于壳体的表面中心位置。

另一方面，通过设置硅胶密封垫将散热座的顶部密封，再通过针位固定板与散热器的顶部开口吻合，实现密封，使散热座内部密封，以更好地保护PCB主控板，使其不易受外界水汽或气体腐蚀损坏。

在其中一种实施方式中，所述PCB主控板上设有滤波电路、通讯电路、主控电路、模拟电路和制冷电路；所述滤波电路用于滤除干扰，使外部电源向通讯电路、主控电路、模拟电路和制冷电路提供稳定的电流输入；具体地，外部电源通过滤波电路，滤除共模干扰和纹波干扰。给主控电路、通讯电路、制冷电路和模拟电路供电。从而保证各个电路有稳定的电源输入，使得工作稳定，测量结果准确。所述通讯电路通过航空接头与外部的电器件连接，实现数据传输；具体地，主控电路可通过通讯电路与外部上位机或外部设备连接，以向外部上位机或外部设备传输数据；同时外部上位机或外部设备也可通过通讯电路读取传感器数据，以及对传感器的固件进行升级。

所述主控电路分别连接通讯电路、模拟电路和制冷电路，用于实现信号传输和工作控制；具体地，主控电路一方面通过高精度ADC实现对结露系统的铂电阻电信号精确测量，以得到温度值；另一方面，主控电路通过高精度ADC获取光电检测系统的测量值，实时掌控结露系统的结露状态。其中，ADC为模拟数字转换器；该结露状态可以为是否发生结露的状态，也可以为发生结露时，结露厚度的状态。再通过是否结露、结露的厚度等结露状态，调节PWM占空比，以实现对制冷电路的电压调节，具体地，制冷电路通过加大制冷电压或降低制冷电压，从而使结露系统的结露状态快速达到动态平衡，该动态平衡状态为结露系统刚出现结露的状态。最后再通过光电检测系统获取结露系统达到动态平衡的露点数值和温度实值，以计算出相对湿度等数据。

所述模拟电路通过连接座分别连接结露系统和光电检测系统，用于检测和控制信号，且所述模拟电路上设有分别与主控电路信号连接的测温电路、镜面测露点电路和光电测量电路；所述镜面测露点电路与结露系统电连接，所述主控电路通过镜面测露点电路和制冷电路控制结露系统的工作；所述测温电路和光电测量电路分别与光电检测系统电连接，所述主控电路通过光电测量电路控制光电检测系统的工作。

具体地，模拟电路一方面通过电压跟随器和恒流源等精密运放电路，使接入的结露系统的铂电阻电信号更稳定，以便主控电路进行精确测量。另一方面还通过恒流源稳定主控电路和光电检测系统之间的信号输出。另外，模拟电路还通过精密放大电路对光电检测系统的电信号放大，使光电检测系统的电信号更稳定。

所述制冷电路通过连接座连接结露系统，用于进行制冷或加热。具体地，主控电路可以根据光电检测系统检测到的结露状态，调节PWM的占空比给制冷电路，以对制冷电路的功率进行调节，使镜面快速达到结露平衡的状态。

在其中一种实施方式中，所述制冷电路上设置有开关电源IC，所述主控电路通过输出不同占空比的PWM给开关电源IC反馈端，使开关电源IC输出不同的电压，实现对制冷电路的功率调节，从而使结露系统快速达到结露的动态平衡。

通过上述的PWM占空比调节，从而获得高效率低损耗的调节输出功率，也大大降低发热量，使PCB主控板满足露点传感器的性能要求。

进一步地，所述模拟电路上设有屏蔽罩，以抗干扰；且滤波电路、通讯电路、主控电路和制冷电路在PCB主控板上的工作分工明确、层次分明，可以更快速地响应工作，提高工作效率，降低功耗。

在其中一种实施例中，所述结露系统包括制冷堆和测温计，所述制冷堆由至少一级制冷结构堆叠形成，且最顶级制冷结构的顶部为冷端部，最底级制冷结构的底部为热端部，所述测温计嵌入最顶级制冷结构内；所述热端部与控制系统的壳体接触，并进行热量传递；所述冷端部的上表面粘设有镜片，所述镜片上涂覆有抗油疏水材料层；或，所述冷端部的上表面涂覆有金属材料层，作为镜面层，所述镜面层上涂覆有抗油疏水材料层；

当所述制冷堆由一级制冷结构形成，则该制冷结构的顶部为冷端部，该制冷结构的底部为热端部，所述测温计嵌入冷端部的下方；所述热端部上方的制冷结构区域罩设有封装台，所述封装台的底部与热端部的上表面密封连接；

当所述制冷堆有两级及以上制冷结构堆叠形成，则所述最顶级制冷结构外罩设有封装台；所述封装台的底部与次顶级制冷结构的上表面密封连接；所述封装台的顶部与抗油疏水材料层密封连接，以封闭冷端部。

现有的镜片一般为铜镀金，其体积比较大，不符合用户所需。且现有技术中，为便于放置测温计，一般还需要在镜片与制冷堆之间设置导热铜块，但导热铜块会带走部分冷量，进而导致制冷效率不高，因此往往需要采用比较大的功率进行制冷，且获得的露点温度有限。这也导致了所需使用的控制器体积大、功耗大。本技术方案中，通过直接在冷端部上设置镜片，减少冷量损耗，可以使镜片在短时间内快速获得冷量，以实现减小制冷堆的功耗，以便于PCB主控板对制冷堆进行工作控制。

通过在镜片的表面涂覆抗油疏水层，以使镜片表面光洁不易污染，从而实现结露系统的自清洁功能，减少了工作人员的操作维护，实现实时长期在线测量，也提高了结露系统的使用寿命。

进一步地，当直接在冷端部上涂覆金属材料层，作为镜面层时，由于镜面层的厚度远远小于镜片的厚度，因此，对镜面层的制冷效率更高，露点测量能力更好，响应速度更快，所能测量的露点更低。

优选地，该金属材料为金属铂。

本技术方案中，封装台用于减少制冷功率的损耗，封装台为中空的四棱台结构，采用中空的四棱台结构，是为了与冷端部的结构吻合，更能减少制冷功率的损耗，提高结露系统的响应速度。进一步地，所述测温计延伸出封装台之外。

进一步地，所述制冷堆由至少一级制冷结构堆叠形成，且所述制冷堆根据堆叠的制冷结构级数进行划分，当所述制冷堆由两级制冷结构堆叠形成时，划分为二极制冷堆，其中，二级制冷堆的第二级制冷结构位于第一级制冷结构上方；当所述制冷堆由三级制冷结构堆叠形成时，划分为三级制冷堆，其中，三级制冷堆的第一、二、三级制冷结构从下到上依次设置，以此类推，此处不再赘述。

而所形成的制冷堆最顶部为冷端部，最底部为热端部；所述封装台至少罩设在冷端部外，以避免冷端部的冷量散失。优选地，所述制冷堆罩设于制冷堆的顶级的制冷结构外，以更好地密封冷端部。具体地，当所述制冷堆为一级制冷堆时，所述封装台罩设于热端部上方；当所述制冷堆为二级制冷堆时，所述封装台罩设于二级制冷堆的第二级制冷结构外；当所述制冷堆为三级制冷堆时，所述封装台罩设于三级制冷堆的第三级制冷结构外；以此类推，此处不再赘述。

优选地，所述制冷堆由两级制冷结构堆叠形成，所述两级制冷结构分为从下到上堆叠设置的第一级制冷结构和第二级制冷结构；所述第二级制冷结构的顶部为冷端部，所述第一级制冷结构的底部为热端部，所述测温计嵌入第二级制冷结构内；所述封装台罩设于第二制冷结构外，且封装台的底部与第一制冷结构的上表面密封连接。

本技术方案中，将测温计嵌入第二级制冷结构内，能使结露系统的结构更紧凑小巧，同时也能提高检测精度。本技术方案中，制冷堆的尺寸从上到下依次增大，这样设计更便于进行制冷，减小体积。

在其中一种实施例中，所述结露系统内嵌于光电检测系统内，所述光电检测腔内设有用于与外界连通的结露口；所述结露系统包括制冷堆和测温计，所述制冷堆的顶部为冷端部，底部为热端部，所述测温计紧贴于冷端部的下表面；

所述结露口的外壁面贴覆有隔热膜；所述隔热膜上设有缺口，所述缺口位于结露口的位置处，且缺口上放置有镜片，且所述镜片与结露口密封连接，且镜片的底面紧贴冷端部的上表面，并与冷端部的上表面共同作用压紧缺口边缘的隔热膜，以密封冷端部；所述冷端部通过缺口直接与镜片接触传导冷量，所述镜片上涂覆有抗油疏水材料层。

本技术方案中，采用隔热膜密封冷端部，避免冷量损耗，进而提高了露点测量能力，达到在同等条件下可以测量更低露点的效果。且采用隔热膜进行密封，可以大大缩小制冷的空间，更进一步减少冷量损耗，缩小了结露系统的体积。

进一步地，作为另一种实施例方案，所述结露系统内嵌于光电检测系统内，所述光电检测腔内设有用于与外界连通的结露口；所述结露系统包括制冷堆和测温计，所述制冷堆的顶部为冷端部，底部为热端部，所述测温计紧贴于冷端部的下表面；

所述冷端部的上表面涂覆有金属材料层，作为镜面层，所述镜面层上涂覆有抗油疏水层；所述抗油疏水层与结露口密封连接，且所述冷端部外贴覆有隔热膜，所述隔热膜从冷端部的下表面紧贴冷端部的四周延伸至结露口的内壁面，且与结露口的内壁面密封连接，以与抗油疏水层共同作用密封结露口。

本技术方案中，直接在冷端部的上表面涂覆金属材料层，作为镜面层，并在冷端部的下表面至光电检测系统内的部分粘贴隔热膜，避免冷量散失，且保证光电检测系统内的发射的光线能经过镜面反射，保证检测的精准性。该方案减少了系统元器件，如导热铜体、镜片和封装台，使结露系统的体积大大缩小，进而提高了响应速率，减少冷量损耗，提高了露点测量能力，在同等其他条件下可以测量更低露点。

具体地，粘贴隔热膜时，冷端部的下表面至冷端部的四周通过隔热膜密封，冷端部的上表面通过金属材料层和抗油疏水层密封，从而共同密封结露口，可以避免冷端部的冷量从冷端部与光电检测系统的连接位置处逸出；冷端部的下表面至冷端部的四周通过隔热膜密封，也可以避免冷量散失，以使冷量快速传导至金属材料层。

进一步地，所述隔热膜为PTFE膜。PTFE膜极为薄且密封性良好。

通过对结露系统的功率控制，进而使整机的功率大大降低，其中，露点传感器的功率可以降低至5w，甚至更低；而传统的露点传感器功率一般达到100w，甚至更高。

在其中一种实施例中，所述光电检测系统包括检测腔、检测盖、光电检测元件和温度检测元件，所述检测盖设置于检测腔的上方，所述检测腔的中部设有横向开放的检测通道；所述检测腔包括分别设在所述检测通道下方和上方的第一安装腔和第二安装腔，所述结露系统和光电检测元件分别设在第一安装腔和第二安装腔内，所述光电检测元件用于发射检测光线，且光电检测元件发出的检测光线穿过第二安装腔，投射至第一安装腔的结露系统上；所述温度检测元件外套设有温度管，所述温度管和温度检测元件设在光电检测元件上方，且贯穿检测盖设置，用于检测外界环境温度。

现有技术中，由于温度检测元件需要与外部的控制器连接，因此，温度检测元件与光电检测元件是分开设置，即温度检测元件是分离式设置。这样造成露点传感器的体积比较大，线路多。本技术方案中，温度检测元件与光电检测元件设在同一检测腔上，即温度检测元件和结露系统集成在同一探头上，这样简化了整套露点传感器的结构，使露点传感器的体积更小、更便于携带。

进一步地，结露系统与第一安装腔密封连接，以防水汽、腐蚀气体等从结露口进入第一安装腔内部空间，损坏结露系统的内部电路。具体地，第一安装腔通过挤压结露系统的封装台，使得封装台、冷端部和第一安装腔三者形成密封效果，进而防止外界水汽、腐蚀气体等从结露口进入第一安装腔内部空间，对电路损坏；或第一安装腔与结露系统的隔热膜胶粘连接，进而封闭第一安装腔内部空间，防止外界水汽、腐蚀气体等从结露口进入第一安装腔内部空间，损坏结露系统内部电路。

在其中一种实施例中，所述检测腔与所述壳体之间设有密封圈；所述检测盖与温度管之间密封连接。具体地，当检测腔与检测盖为可拆卸连接时，所述检测腔与检测盖之间也设有密封圈。

本技术方案的光电冷镜式露点传感器的工作原理为：通过制冷堆制冷，将镜片/镜面层温度降低至镜片/镜片层表面出现结露或结霜。光电检测元件发射光线，并对该光线经过镜片/镜面表面反射回来的光强进行监测。通过光电检测元件，可监测出镜面结露厚度的变化。当结露或结霜厚度稳定时，即结露系统达到动态平衡状态，镜片/镜面温度可视为露点温度，测温计用于测量镜片/镜面温度从而获得露点温度。通过测量气体温度和露点温度，根据水蒸汽饱和气压与温度关系，按照相对湿度定义可计算获得气体的相对湿度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明通过创新的结露系统，散热系统，高度集成的主控系统，有效解决了现有的露点仪体积大、功耗高，成本高、连续工作精度不佳等问题，具有结构紧凑小巧、降低功耗、降低成本和提高效率、延长使用寿命的有益效果。本发明还通过半导体工艺镀铂金并涂覆抗油疏水材料的镜面，及软件控制，获得抗污自清洁的效果，保证仪器长期工作精度。

附图说明

图1为本发明的拆分结构图。

图2为本发明沿B-B方向的截面图。

图3为本发明焊针固定时的结构示意图。

图4为本发明实施例1结露系统的立体结构图。

图5为本发明实施例1结露系统的拆分结构图。

图6为本发明光电检测系统的拆分结构图。

图7为本发明的PCB主控板电路结构图。

图8为实施例2的结露系统结构示意图。

图9为实施例3的结露系统立体结构示意图。

图10为实施例3的结露系统拆分结构示意图。

图11为实施例3的检测腔的截面图。

图12为图11中A部分的放大图。

图13为实施例4中检测腔的截面图。

图14为图13中B部分的放大图。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例1

如图1和图2所示，本实施例公开了一种光电冷镜式露点传感器，包括依次连接的控制系统、结露系统14和光电检测系统。

其中，控制系统包括壳体以及依次安装在壳体内的PCB主控板6、PCB转接板8和焊针9；PCB主控板6的底部和顶部分别设有航空接头6-1和连接座6-2，航空接头6-1穿出壳体的底部，用于与外部的电器件连接；连接座6-2与PCB转接板8连接，进而连接焊针9，并通过焊针9连接结露系统14和光电检测系统。

进一步地，壳体包括相互连接的底盖3和散热座11，PCB主控板6、PCB转接板8和焊针9设置在散热座11内。

其中，底盖3为中空结构，航空接头6-1穿过底盖3，且外露于底盖3之外，以便于与外部的电器件连接；为避免外界水汽进入散热座11内，底盖3上分别设有第一密封圈4和第二密封圈5，航空接头6-1和散热座11分别通过第一密封圈4和第二密封圈5与底盖3密封连接。

具体地，航空接头6-1通过螺母1与底盖3固定连接，第一封闭圈4设在航空接头6-1的外壁与底盖3的内壁之间，用于防止外界水汽从航空接头6-1与底盖3之间的缝隙进入散热座11内部；第二密封圈5设在散热座11与底盖3之间，用于防止外界水汽从散热座11与底盖3之间的缝隙进入散热座11内部。

具体地，航空接头6-1与底盖3连接后的底部还设有螺母1，并通过螺母1进一步压紧第一密封圈4；底盖3的底部往散热座11方向穿设有第一组螺钉2，底盖3与散热座11之间并通过第一组螺钉2固定连接，进而进一步压紧第二密封圈5，保证密封性。

优选地，通过PCB主控板6的设置，摒弃了现有的控制与检测分开的方案，实现了高集成化、体积上也更小巧，便于携带，方便嵌入其他系统，应用场景更开阔。

进一步地，光电检测系统包括检测腔15、检测盖18、光电检测元件16和温度检测元件19，检测盖18设置于检测腔15的上方，检测腔15的底部与PCB主控板6的散热座11顶部连接，且连接位置上设有第三密封圈13，以使检测腔15与散热座11密封连接。

进一步地，检测腔15的顶部与检测盖18之间设有第四密封圈17，以使检测腔15与检测盖18之间密封连接，更好地保护光电检测元件16，防止受到湿气腐蚀。

进一步地，温度检测元件19贯穿检测盖18设置，且温度检测元件19的底部与检测腔15连接，温度检测元件19外套设有温度管20，温度管20穿过检测盖18，且外露于检测盖18之上。

具体地，检测盖18和检测腔15之间还设有第三组螺钉21，该组螺钉从检测盖18的顶部依次穿过检测盖18和检测腔15。

如图1和图3所示，焊针9的顶部设有针位固定板12，用于固定焊针9；第三密封圈13套设于针位固定板12外部；PCB转接板8的上表面设有硅胶密封垫10，所述焊针9穿过硅胶密封垫10，且焊针9的两端分别连接PCB转接板8和针位固定板12。硅胶密封垫10用于防止结露系统的水汽渗入硅胶密封垫10下方的PCB转接板8和PCB主控板6内部。具体地，PCB转接板8、焊针9、硅胶密封垫10和针位固定板12之间设有第二组螺钉7，并通过第二组螺钉7依次进行固定。

具体地，PCB主控板6上方的连接座6-2与PCB转接板8插装连接，焊针9插装在PCB转接板8上，且PCB转接板8上设有与焊针9一一对应的插装孔。硅胶密封垫10设在PCB转接板8的上表面，硅胶密封垫10上也设有与焊针9一一对应的插装孔；针位固定板12设在硅胶密封垫10上方，焊针9穿过硅胶密封垫10，固定于针位固定板12上。针位固定板12的轮廓与散热座11顶部开口的轮廓吻合，以对散热座11进行密封，针位固定板12还用于固定焊针9，进而将焊针9与金属材质的散热座11隔开，以形成绝缘的效果，保证了电气绝缘的要求，并能有效固定结露系统14，使结露系统14处于散热座11的表面中心位置。

其中，PCB转接板8和硅胶密封垫10上设置有便于螺钉穿过的孔位，针位固定板12上设有用于螺钉穿过的安装口，螺钉在安装口内还可以限制针位固定板12移动，避免针位固定板12发生偏转，从而固定焊针9。

如图4和图5所示，进一步地，结露系统14包括制冷堆22、测温计23和镜片24，其中，制冷堆22的顶部为冷端部222，底部为热端部221，测温计23嵌入于制冷堆22冷端部222的下表面内，镜片24紧贴于制冷堆22的上表面；且镜片24为硅片，使用硅片的体积更小、厚度更薄；镜片24的表面涂覆有抗油疏水层，以使镜片24表面光洁不易污染，并实现结露系统14的自清洁功能。

优选地，制冷堆22底部的尺寸大于制冷堆22顶部的尺寸。

进一步地，本实施例的制冷堆22为二级制冷堆，二级制冷堆包括从下到上堆叠设置的第一级制冷结构和第二级制冷结构，其中，第二级制冷结构外罩设有封装台25，封装台25用于减少冷端部222的制冷功率的损耗。具体地，该封装台25的底部与第一级制冷结构的上表面密封连接，而测温计23延伸出封装台25之外；且封装台25为中空的四棱台结构，与第二级制冷结构的尺寸吻合，封装台25的顶部与镜片24密封连接，镜片24的尺寸与封装台25顶部的中空结构的尺寸吻合。

如图6所示，检测腔15的中部设有横向开放的检测通道151；检测腔15包括分别设在检测通道151下方和上方的第一安装腔和第二安装腔，光电检测元件16和结露系统14分别设置于检测腔15的第二安装腔和第一安装腔内，第一安装腔的顶部设有用于与外界连通的结露口152，该结露口152与检测通道151连通，以便进行结露试验。且镜片24嵌合于结露口152上，与结露口152密封连接，进而封闭封装台25内部，避免冷端部的冷量散失。具体地，封装台25为硅胶材质，结露系统14嵌合于检测腔15的第一安装腔内时，镜片24密封结露口152；且第一安装腔挤压封装台25，使得制冷堆22的冷端部222、封装台25和第一安装腔三者之间形成密封效果，防止外部水汽、腐蚀气体等从结露口进入第一安装腔内部空间，对电路损坏。

具体地，结露系统14安装于针位固定板12上，制冷堆22的热端部221与针位固定板12接触，并通过针位固定板12传热；针位固定板12与散热座11密封连接，散热座11通过第三密封圈13与检测腔15密封连接，以密封结露系统14，从而使结露系统14的制冷堆22和测温计23均与外界隔离，有效保护元器件，防止元器件受到湿气腐蚀。

本实施例中，光学冷镜式露点传感器的工作原理为：通过制冷堆22制冷，将镜片24温度降低至镜片24表面出现结露或结霜。光电检测元件16发射光线，并对该光线经过镜片24表面反射回来的光强进行监测。通过光电检测元件16，可监测出镜面结露厚度的变化。当结露或结霜厚度稳定时，即结露系统达到动态平衡状态，镜片24温度可视为露点温度，测温计23用于测量镜片24温度从而获得露点温度。通过测量气体温度和露点温度，根据水蒸汽饱和气压与温度关系，按照相对湿度定义可计算获得气体的相对湿度。

如图7所示，具体地，PCB主控板6上设有滤波电路61、通讯电路62、主控电路63、模拟电路64和制冷电路65；

滤波电路61用于滤除干扰，使外部电源向通讯电路62、主控电路63、模拟电路64和制冷电路65提供稳定的电流输入；具体地，外部电源通过滤波电路61，滤除共模干扰和纹波干扰。给主控电路63、通讯电路62、制冷电路65和模拟电路64供电。从而保证各个电路有稳定的电源输入，使得工作稳定，测量结果准确。

通讯电路62通过航空接头6-1与外部的电器件连接，实现数据传输；具体地，主控电路63可通过通讯电路62与外部上位机或外部设备连接，以向外部上位机或外部设备传输数据；同时外部上位机或外部设备也可通过通讯电路62读取传感器数据，以及对传感器的固件进行升级。

主控电路63分别连接通讯电路62、模拟电路64和制冷电路65，用于实现信号传输和工作控制；具体地，主控电路63一方面通过高精度ADC实现对测温计23的铂电阻电信号精确测量，以得到温度值；另一方面，主控电路63通过高精度ADC获取光电检测系统的测量值，实时掌控结露系统14的镜片24结露状态。再通过是否结露、结露的厚度等结露状态，调节PWM占空比，以实现对制冷电路65的电压调节，制冷电路65加大制冷电压或降低制冷电压，从而使结露系统14的镜片24结露状态快速达到动态平衡。最后再通过光电检测系统获取镜片24达到动态平衡的露点数值和温度实值，以计算出相对湿度等数据。其中，ADC为模拟数字转换器。

模拟电路64通过连接座6-2分别连接结露系统14和光电检测系统，用于检测和控制信号，且模拟电路64上设有分别与主控电路63信号连接的测温电路641、镜面测露点电路642和光电测量电路643；镜面测露点电路642与结露系统电连接，主控电路63通过镜面测露点电路642控制结露系统14的工作；测温电路641和光电测量电路643分别与光电检测系统电连接，主控电路63通过测温电路641和光电测量电路643控制光电检测系统的工作。具体地，模拟电路64一方面通过电压跟随器和恒流源等精密运放电路，使接入的结露系统14的铂电阻电信号更稳定，以便主控电路63进行精确测量。另一方面还通过恒流源稳定主控电路63和光电检测系统之间的信号输出。另外，模拟电路64还通过精密放大电路对光电检测系统的电信号放大，使光电检测系统的电信号更稳定。

制冷电路65通过连接座连接结露系统14，用于进行制冷或加热。具体地，主控电路63可以根据光电检测系统检测到的结露状态，调节PWM的占空比给制冷电路65，以对制冷电路65的功率进行调节，使镜面快速达到结露平衡的状态，该动态平衡状态为结露系统刚出现结露的状态。

进一步地，制冷电路65上设置有开关电源IC，主控电路63通过输出不同占空比的PWM给开关电源IC反馈端，使开关电源IC输出不同的电压，实现对制冷电路65的功率调节，从而使结露系统14快速达到结露的动态平衡。

通过上述的PWM占空比调节，从而获得高效率低损耗的调节输出功率，也大大降低发热量，使PCB主控板6满足露点传感器的性能要求。

实施例2

如图8所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述制冷堆22上没有设置镜片，而是通过在冷端部222的上表面涂覆金属材料层，形成镜面层，再在镜面层上涂覆抗油疏水材料层，避免外界油污粘附。其中，抗油疏水材料层在第一安装腔内，与封装台25密封连接，且与封装台25共同作用，紧贴结露口的下表面。这样的设置既保证了结露的需要和密封制冷堆22内部空间的需要，也使得整套结露系统的体积更小，制冷效率更高。

具体地，所述金属材料层为金属铂层。

实施例3

如图9-12所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述制冷堆22的冷端部222外没有罩设封装台，而是通过在结露口外壁面贴覆隔热膜26，以避免冷量散失。其中，隔热膜26上设有缺口，缺口位于冷端部222的上表面，镜片24放置于缺口上，且镜片24与结露口密封连接，且镜片24的底面紧贴冷端部222的上表面，并与冷端部222的上表面共同作用，压紧缺口边缘的隔热膜，以密封冷端部222；同时，冷端部222通过该缺口直接与镜片24接触并传导冷量。

具体地，结露系统14安装于检测腔15的第一安装腔内，隔热膜26放置于结露口的外壁面，且紧贴结露口；镜片24放置与隔热膜26上，镜片24与第一安装腔内的结露口密封连接，且镜片24压紧结露口上的隔热膜26，隔热膜26的边缘与冷端部222紧密连接，以密封冷端部222，从而使镜片24、隔热膜26和冷端部222三者密封连接，既保证了制冷效果，也防止了外界水汽、腐蚀气体等从结露口进入第一安装腔内部空间，对电路损坏。

其中，该隔热膜26为PTFE膜。

实施例4

如图13-14所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，所述冷端部222外没有罩设封装台，而是通过在冷端部222外包覆隔热膜26，以避免冷量散失；而且，冷端部222上没有设置镜片，而是通过在冷端部222的上表面涂覆金属材料层，形成镜面层，再在镜面层上涂覆抗油疏水材料层，避免外界油污粘附。

具体地，在冷端部222的上表面涂覆了金属材料层和抗油疏水材料层后，将结露系统14安装于检测腔15的第一安装腔内，金属材料层和抗油疏水层可以有效密封冷端部222的上表面；隔热膜26与冷端部222的下表面密封连接。具体地，隔热膜26从冷端部222的下表面紧贴冷端部222的四周延伸至检测腔15的第一安装腔内，隔热膜26紧贴第一安装腔内的结露口内壁面，且与冷端部222的壁面、抗油疏水材料层胶粘连接、共同作用，对冷端部222进行密封压紧，有效防止了外界水汽、腐蚀气体等从结露口进入第一安装腔内部空间，对电路损坏。隔热膜26密封冷端部222的下表面和四周，并与结露口四周密封，以避免冷端部222的冷量散失，保证了制冷效果。这样的设置既保证了结露的需要，也使得整套结露系统14的体积更小，制冷效率更高。

其中，该隔热膜26为PTFE膜，所述金属材料层为金属铂层。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电冷镜式露点传感器，包括依次连接的控制系统、结露系统和光电检测系统；其特征在于，所述控制系统包括壳体和依次安装于壳体内的PCB主控板、PCB转接板和焊针，所述PCB主控板的底部和顶部分别设有航空接头和连接座，所述航空接头穿过壳体的底部，用于与外部的电器件连接；所述连接座与PCB转接板连接，进而连接焊针，并通过焊针连接结露系统和光电检测系统。

2.根据权利要求1所述的光电冷镜式露点传感器，其特征在于，所述壳体包括相互连接的底盖和散热座；

所述PCB主控板、PCB转接板和焊针设置在散热座内，所述底盖为中空结构，所述航空接头穿过底盖，且外露于底盖之外；所述航空接头与底盖的连接位置处设有密封圈。

3.根据权利要求2所述的一种光电冷镜式露点传感器，其特征在于，所述散热座的顶部设有开口，所述开口上覆盖有针位固定板，用于固定焊针；且所述开口的轮廓与针位固定板的轮廓吻合；

所述针位固定板与PCB转接板之间设有硅胶密封垫，所述焊针从下到上依次穿设于PCB转接板、硅胶密封垫和针位固定板之间，并共同密封散热座的顶部。

4.根据权利要求1所述的一种光电冷镜式露点传感器，其特征在于，所述PCB主控板上设有滤波电路、通讯电路、主控电路、模拟电路和制冷电路；

所述滤波电路用于滤除干扰，使外部电源向通讯电路、主控电路、模拟电路和制冷电路提供稳定的电流输入；

所述通讯电路通过航空接头与外部的电器件连接，实现数据传输；

所述主控电路分别连接通讯电路、模拟电路和制冷电路，用于实现信号传输和工作控制；

所述模拟电路通过连接座分别连接结露系统和光电检测系统，用于检测和控制信号，且所述模拟电路上设有分别与主控电路信号连接的测温电路、镜面测露点电路和光电测量电路；所述镜面测露点电路与结露系统电连接，所述主控电路通过镜面测露点电路和制冷电路控制结露系统的工作；所述测温电路和光电测量电路分别与光电检测系统电连接，所述主控电路通过光电测量电路控制光电检测系统的工作；

所述制冷电路通过连接座连接结露系统，用于进行制冷或加热。

5.根据权利要求4所述的一种光电冷镜式露点传感器，其特征在于，所述制冷电路上设置有开关电源IC，所述主控电路通过输出不同占空比的PWM给开关电源IC反馈端，使开关电源IC输出不同的电压，实现对制冷电路的功率调节，从而使结露系统快速达到结露的动态平衡。

6.根据权利要求1所述的一种光电冷镜式露点传感器，其特征在于，所述结露系统包括制冷堆和测温计，所述制冷堆由至少一级制冷结构堆叠形成，且最顶级制冷结构的顶部为冷端部，最底级制冷结构的底部为热端部，所述测温计嵌入最顶级制冷结构内；所述热端部与控制系统的壳体接触，并进行热量传递；

所述冷端部的上表面粘设有镜片，所述镜片上涂覆有抗油疏水材料层；

或，所述冷端部的上表面涂覆有金属材料层，作为镜面层，所述镜面层上涂覆有抗油疏水材料层；

当所述制冷堆由一级制冷结构形成，则该制冷结构的顶部为冷端部，该制冷结构的底部为热端部，所述测温计嵌入冷端部的下方；所述热端部上方的制冷结构区域罩设有封装台，所述封装台的底部与热端部的上表面密封连接；

当所述制冷堆有两级及以上制冷结构堆叠形成，则所述最顶级制冷结构外罩设有封装台；所述封装台的底部与次顶级制冷结构的上表面密封连接；

所述封装台的顶部与抗油疏水材料层密封连接，以封闭冷端部。

7.根据权利要求1所述的一种光电冷镜式露点传感器，其特征在于，所述结露系统内嵌于光电检测系统内，所述光电检测腔内设有用于与外界连通的结露口；所述结露系统包括制冷堆和测温计，所述制冷堆的顶部为冷端部，底部为热端部，所述测温计紧贴于冷端部的下表面；

所述结露口的外壁面贴覆有隔热膜；所述隔热膜上设有缺口，所述缺口位于结露口的位置处，且缺口上放置有镜片，且所述镜片与结露口密封连接，且镜片的底面紧贴冷端部的上表面，并与冷端部的上表面共同作用压紧缺口边缘的隔热膜，以密封冷端部；所述冷端部通过缺口直接与镜片接触传导冷量，所述镜片上涂覆有抗油疏水材料层。

8.根据权利要求1所述的一种光电冷镜式露点传感器，其特征在于，所述结露系统内嵌于光电检测系统内，所述光电检测腔内设有用于与外界连通的结露口；所述结露系统包括制冷堆和测温计，所述制冷堆的顶部为冷端部，底部为热端部，所述测温计紧贴于冷端部的下表面；

所述冷端部的上表面涂覆有金属材料层，作为镜面层，所述镜面层上涂覆有抗油疏水层；所述抗油疏水层与结露口密封连接，且所述冷端部外贴覆有隔热膜，所述隔热膜从冷端部的下表面紧贴冷端部的四周延伸至结露口的内壁面，且与结露口的内壁面密封连接，以与抗油疏水层共同作用密封结露口。

9.根据权利要求1所述的一种光电冷镜式露点传感器，其特征在于，所述光电检测系统包括检测腔、检测盖、光电检测元件和温度检测元件，所述检测盖设置于检测腔的上方，所述检测腔的中部设有横向开放的检测通道；

所述检测腔包括分别设在所述检测通道下方和上方的第一安装腔和第二安装腔，所述结露系统和光电检测元件分别设在第一安装腔和第二安装腔内，所述光电检测元件用于发射检测光线，且光电检测元件发出的检测光线穿过第二安装腔，投射至第一安装腔的结露系统上；所述温度检测元件外套设有温度管，所述温度管和温度检测元件设在光电检测元件上方，且贯穿检测盖设置，用于检测外界环境温度。

10.根据权利要求9所述的一种光电冷镜式露点传感器，其特征在于，所述检测腔与所述壳体之间设有密封圈；所述检测盖与温度管之间密封连接。

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