CN211318084U - 一种小型数字式空气密度传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种小型数字式空气密度传感器，包括主电路和敏感元件，主电路包括微控制器、RTD‑数字转换器、信号电平转换模块、供电模块、RS‑232接口，RTD‑数字转换器、信号电平转换模块、供电模块分别与微控制器连接，信号电平转换模块与RS‑232接口连接；敏感元件包括气压/湿度传感器、二氧化碳传感器、铂热电阻，气压/湿度传感器和二氧化碳传感器分别与微控制器连接，铂热电阻经RTD‑数字转换器与微控制器连接。本实用新型能够实现对空气密度的精确测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器设计，更具体的说，是涉及一种小型数字式空气密度传感器。
背景技术
空气密度是指单位体积空气所具有的质量，其随气压、温度、湿度等条件的变化而改变。空气密度是科学、工程学和工业中常用的物理量之一，空气密度的测量被广泛应用于航空航天、大气科学、气象学以及农业工程等领域。
目前空气密度测量方式多为通过测量温度、湿度、气压、二氧化碳浓度等参数后，进一步计算得出。因此现有的空气密度测量大多需要一套复杂的参数测量系统，集成度较低，体积较大，且需要进行大量的后期数据处理工作。能够直接获取空气密度参数的传感器成为了当今各行各业的一项需求。
实用新型内容
本实用新型的目的是为了克服现有技术中的不足，提出一种小型数字式空气密度传感器，能够实现对空气密度的精确测量。
本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的。
本实用新型小型数字式空气密度传感器，包括主电路和敏感元件，所述主电路包括微控制器、RTD-数字转换器、信号电平转换模块、供电模块、RS-232接口，所述RTD-数字转换器、信号电平转换模块、供电模块分别与微控制器连接，所述信号电平转换模块与RS-232接口连接；
所述敏感元件包括气压/湿度传感器、二氧化碳传感器、铂热电阻，所述气压/湿度传感器和二氧化碳传感器分别与微控制器连接，所述铂热电阻经RTD-数字转换器与微控制器连接。
所述主电路集成于一块PCB上，并由保护罩包裹，外部留出接口。
所述敏感元件做成探头的形式，通过外部接口与主电路相连接。
所述铂热电阻采集到的温度信号，经由RTD-数字转换器转为数字信号后，与气压/湿度传感器和二氧化碳传感器采集到的数据一同，通过总线传输至微控制器；所述微控制器对采集到的温度、湿度、气压、二氧化碳浓度数据进行滤波处理后，计算出空气密度，并将空气密度数据通过串口输出至信号电平转换模块，信号电平转换模块将空气密度数据由TTL信号转为RS-232标准的信号，并通过RS-232接口输出。
与现有技术相比，本实用新型的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本实用新型提出的数字式空气密度传感器实现了对空气密度的精确测量，并通过RS-232接口将空气密度数据输出，便于接入嵌入式系统中进行应用。
(2)本实用新型具有集成度高、体积小、敏感元件易更换、环境适应性强等优点，能够适用于气象观测等领域。
附图说明
图1是本实用新型小型数字式空气密度传感器的系统结构框图；
图2是小型数字式空气密度传感器原理流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的描述。
如图1所示，本实用新型小型数字式空气密度传感器，包括主电路和敏感元件，所述主电路集成于一块40mm*80mm的PCB上，并由塑胶保护罩包裹，以实现对电路的保护，使系统能够在各种复杂的环境下工作。主电路外部留出接口，以便于传感器数据的采集以及空气密度数据的输出等。所述敏感元件做成探头的形式，并外加保护罩。通过外部接口与主电路相连接，可以直接插接在主电路外部接口上，便于在敏感元件发生故障时进行更换。
所述主电路包括微控制器、RTD-数字转换器、信号电平转换模块、供电模块、RS-232接口，所述RTD-数字转换器、信号电平转换模块、供电模块分别与微控制器连接，所述信号电平转换模块与RS-232接口连接。
所述敏感元件包括气压/湿度传感器、二氧化碳传感器、铂热电阻，所述气压/湿度传感器和二氧化碳传感器分别与微控制器连接，所述铂热电阻经RTD-数字转换器与微控制器连接。
本实用新型小型数字式空气密度传感器采用12V直流供电，电源输入后由供电模块进行稳压，并降压至5V和3.3V，以实现为系统各模块供电。
所述气压/湿度传感器采集当前的气压和湿度数据，并挂载在SPI总线上，通过总线将采集到的数据传输至微控制器。
所述二氧化碳传感器采集当前空气中的的二氧化碳浓度数据，并将采集到的数据通过UART接口传输至微控制器。
所述铂热电阻采集当前的温度信号，并将温度信号传输至RTD-数字转换器。RTD-数字转换器将铂热电阻采集到的模拟温度信号转换为数字信号，并通过SPI总线将温度数据传输至微控制器。
所述微控制器对采集到的温度、湿度、气压、二氧化碳浓度等数据，并对其进行滤波等处理，然后由滤波后的数据计算得到当前空气密度，并将空气密度数据通过UART接口输出至信号电平转换模块，信号电平转换模块将空气密度数据由TTL信号转为RS-232标准的信号，并通过RS-232接口输出。
图2为本实用新型提供的小型数字式空气密度传感器系统原理流程图，具体包括以下步骤：
步骤P0：对微控制器进行初始化。初始化包括对微控制器的串行端口、数据总线端口以及相关寄存器等进行初始化。
步骤P1：对传感器状态进行初始化。初始化包括对气压/湿度传感器、二氧化碳传感器和RTD-数字转换器进行初始化，并测试与各传感器间的通信状况。
步骤P2：传感器数据采集。微控制器依次从气压/湿度传感器、RTD-数字转换器、二氧化碳传感器获取多组温度、湿度、气压、二氧化碳浓度数据。
步骤P3：数据滤波处理。微控制器通过滑动平均滤波算法对采集到的多组温度、湿度、气压、二氧化碳浓度数据进行滤波，以提高采集数据精度。
步骤P4：数据异常判定。判定获取的温度、湿度、气压、二氧化碳浓度数据是否出现异常。若出现异常，则通过串口抛出异常，并回到步骤P1；若无异常，则进入步骤P5。
步骤P5：计算空气密度。微控制器将滤波后的温度、湿度、气压、二氧化碳浓度数据导入CIPM-2007空气密度计算公式中进行计算，得到当前空气密度数据。
步骤P6：空气密度数据输出。将计算得到的空气密度数据进行格式化，并通过串口输出。之后回到步骤P2进行下一次数据采集。
本实用新型选用CIPM-2007公式来计算空气密度ρa：
式中：p为大气压力；Ma为干燥空气的摩尔质量，下标a表示空气；Z为压缩系数；R为摩尔气体常数；T为采用ITS-90的热力学温度；xv为水蒸汽的摩尔分数值；Mv为水的摩尔质量，下标v表示水蒸汽。式中xv和Z均与温度、湿度、压力有关。
计算干燥空气的摩尔质量Ma的公式为：
式中，28.96546为二氧化碳摩尔分率为0.00040时的实测值，12.011为碳的原子量，
为二氧化碳的摩尔小数。
CIPM-2007中采用最新的摩尔气体常数R值和氩气含量xAr值：
R＝8.31447215
xAr＝9.3323mmol/mol
因此，CIPM-2007可以写为：
由公式可知，当采集到大气温度、湿度、压力和二氧化碳浓度之后，代入上式即可计算得出比较高精度的空气密度值。
尽管上面结合附图对本实用新型的功能及工作过程进行了描述，但本实用新型并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。
Claims (3)
1.一种小型数字式空气密度传感器，包括主电路和敏感元件，其特征在于，所述主电路包括微控制器、RTD-数字转换器、信号电平转换模块、供电模块、RS-232接口，所述RTD-数字转换器、信号电平转换模块、供电模块分别与微控制器连接，所述信号电平转换模块与RS-232接口连接；
所述敏感元件包括气压/湿度传感器、二氧化碳传感器、铂热电阻，所述气压/湿度传感器和二氧化碳传感器分别与微控制器连接，所述铂热电阻经RTD-数字转换器与微控制器连接。
2.根据权利要求1所述的小型数字式空气密度传感器，其特征在于，所述主电路集成于一块PCB上，并由保护罩包裹，外部留出接口。
3.根据权利要求1所述的小型数字式空气密度传感器，其特征在于，所述敏感元件做成探头的形式，通过外部接口与主电路相连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201921384360.0U CN211318084U (zh) | 2019-08-25 | 2019-08-25 | 一种小型数字式空气密度传感器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201921384360.0U CN211318084U (zh) | 2019-08-25 | 2019-08-25 | 一种小型数字式空气密度传感器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN211318084U true CN211318084U (zh) | 2020-08-21 |
Family
ID=72057124
Family Applications (1)
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| CN201921384360.0U Active CN211318084U (zh) | 2019-08-25 | 2019-08-25 | 一种小型数字式空气密度传感器 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN211318084U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110455676A (zh) * | 2019-08-25 | 2019-11-15 | 天津大学 | 一种小型数字式空气密度传感器 |
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2019
- 2019-08-25 CN CN201921384360.0U patent/CN211318084U/zh active Active
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| CN110455676A (zh) * | 2019-08-25 | 2019-11-15 | 天津大学 | 一种小型数字式空气密度传感器 |
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