CN215813405U

CN215813405U - 一种定频湿度测量系统

Info

Publication number: CN215813405U
Application number: CN202122100055.8U
Authority: CN
Inventors: 李哲; 周强; 任海富; 包坤; 刘钧
Original assignee: Huayun Sounding Beijing Meteorological Technology Corp
Current assignee: Huayun Sounding Beijing Meteorological Technology Corp
Priority date: 2021-09-01
Filing date: 2021-09-01
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2031-09-01

Abstract

本实用新型提供一种定频湿度测量系统。该系统通过改变电容测量电路的结构和控制时序，使用固定测量频率对湿敏电容器进行测量，解决了在传统的振荡电路测量过程中因频率改变而产生的测量误差，同时积分器还具有抑制对地分布电容的能力，尤其适合探空过程中传感器支架分布电容较大的工作环境。本实用新型提供的湿度测量系统的静态和动态测量误差小，能够满足湿度观测需求。

Description

一种定频湿度测量系统

技术领域

本实用新型涉及气象探测技术领域，尤其涉及一种定频湿度测量系统。

背景技术

气象探测是获取气象要素的重要手段，通常被用于观测地面至数十千米的温度、湿度、风速、风向、气压的垂直分布数据。在气象探测的众多要素中，湿度因其在天气预报和气候监测等方面有着十分重要的作用，在气象探测领域占有不可或缺的地位。与静止的地面湿度观测设备不同，定频湿度测量系统是被安装在探空气球之上，由电池供电驱动且会随探空气球破裂失效的一种特殊湿度测量系统，对系统的体积、重量、功耗和成本都有着极高的要求。同时，湿度传感器的工作环境会随着探空仪升空发生快速变化，对湿度测量的响应速度与测量准确度亦有极高的要求，因此有必要对定频湿度测量系统进行针对性的设计。

湿度敏感元件是定频湿度测量系统的关键部件，通常为湿敏电容器或湿敏电阻器。因为湿敏电容器的准确度比湿敏电阻器的准确度更高，测量范围更大，响应时间更短，因此受到了工程和学术领域的广泛关注，是目前业界主流的湿度敏感元件。如何对湿敏电容器的容值进行高效准确的测量，从而测定湿度是目前气象探测的一个重要课题。

实用新型内容

针对上述技术问题，本实用新型实施例提供一种定频湿度测量系统。

根据第一方面，本实用新型提供一种定频湿度测量系统，其特征在于，所述系统包括：

逻辑控制模块，用于输出时序控制信号；

定频积分模块，连接所述逻辑控制模块，用于根据所述逻辑控制模块输出的时序控制信号以固定频率测量湿敏电容的容值，获得湿敏电容积分波形图；

容值转换模块，连接所述定频积分模块和所述逻辑控制模块，用于将所述定频积分模块输出的湿敏电容积分波形图转换为占空比与所述湿敏电容的容值相关的方波信号，并将所述方波信号输出给所述逻辑控制模块；

其中，所述逻辑控制模块根据所述容值转换模块输出的所述方波信号计算所述湿敏电容的容值，进而根据所述湿敏电容的容值测算湿度。

在本实用新型的一个实施例中，上述系统还包括：

温度补偿模块，用于测定表征所述湿敏电容所处的环境温度的直流电信号；

模数转换模块，连接所述温度补偿模块和所述逻辑控制模块，用于将所述温度补偿模块输出的电信号转换为相应的数字信号，并提供给所述逻辑控制模块，以供所述逻辑控制模块在根据所述容值转换模块输出的所述方波信号计算所述湿敏电容的容值时进行温度补偿，然后根据补偿后的所述湿敏电容的容值测算湿度。

在本实用新型的一个实施例中，上述湿敏电容积分波形图为频率恒定、幅度变化的周期性三角波形图。

在本实用新型的一个实施例中，上述方波信号的频率恒定、占空比随所述湿敏电容的容值线性变化。

在本实用新型的一个实施例中，上述定频积分模块包括：第一四通道模拟开关和第二四通道模拟开关、第一运算放大器和第二运算放大器、积分电阻和湿敏电容；

其中，所述第一四通道模拟开关和第二四通道模拟开关的各自的通道控制端作为所述定频积分模块的输入端，连接所述逻辑控制模块的时序控制信号输出端，所述第一四通道模拟开关的第一和第二输入端分别接收正基准电压和负基准电压，所述第一四通道模拟开关的第三和第四输入端分别接地，所述第一四通道模拟开关的输出端连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的反相输入端连接所述第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器的输出端通过所述积分电阻连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第二运算放大器的同相输入端接地，所述第二运算放大器的输出端连接所述第二四通道模拟开关的输出端，所述第二四通道模拟开关的第一和第二输入端悬空，所述第二四通道模拟开关的第三和第四输入端连接所述第一运算放大器的输出端，所述湿敏电容跨接在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端之间；所述第二运算放大器的输出端作为所述定频积分模块的输出端，连接所述容值转换模块的输入端。

在本实用新型的一个实施例中，上述系统还可以包括基准电压模块，连接所述定频积分模块和所述容值转换模块，用于为所述定频积分模块和所述容值转换模块提供满足预设条件的基准电压。

在本实用新型的一个实施例中，上述预设条件包括：在所述定频积分模块的工作周期内，所述基准电压模块的温漂小于给定阈值。

在本实用新型的一个实施例中，上述容值转换模块包括比较器电路，所述比较器电路包括PWM分压器和比较器；其中，所述比较器的第一输入端作为所述容值转换模块的输入端，连接所述定频积分模块的输出端，所述比较器的第二输入端连接所述PWM分压器的输出端，所述PWM分压器的输入端连接所述基准电压模块的输出端，所述比较器的输出端作为所述容值转换模块的输出端，连接所述逻辑控制模块的输入端。

在本实用新型的一个实施例中，所述PWM分压器包括Mos晶体管和第三运算放大器，所述Mos晶体管的漏级与所述基准电压模块的输出端连接，栅极与所述逻辑控制模块的PWM信号输出端连接，源极通过三个串联的电阻连接所述第三运算放大器的同相端，其中靠近所述Mos晶体管的两个所述电阻之间的节点通过第一中间电容接地，所述第三运算放大器的同相端通过第二中间电容接地，所述第三运算放大器的反相端通过第三中间电容连接靠近所述第三运算放大器的两个所述电阻之间的节点；所述第三运算放大器的输出端与反相端相连，并作为所述PWM分压器的输出端连接至作为所述比较器的运算放大器的同相端，该运算放大器的反相端连接所述定频积分模块的输出端，该运算放大器的输出端作为所述容值转换模块的输出端，连接所述逻辑控制模块的输入端。

在本实用新型的一个实施例中，上述逻辑控制电路中预存有容量-温度-湿度标准表，以供所述逻辑控制电路根据接收的所述数字信号，通过查找所述容量-温度-湿度标准表和线性插值计算，测算出湿度。

与现有技术相比，本实用新型的实施例至少具备以下优点：

本实用新型提供的湿度测量系统是一种基于定频积分器的湿度测量系统，该系统通过改变电容测量电路的结构和控制时序，巧妙地将程控积分器应用于湿度测量领域，使用固定测量频率对湿敏电容器进行测量，从根本上解决了在传统的振荡电路测量过程中因频率改变而产生的测量误差，同时积分器还具有抑制对地分布电容的能力，尤其适合探空过程中传感器支架分布电容较大的工作环境。此外，通过建立更加完整的校准数据表，例如容量-温度-湿度标准表，能够进一步提升湿度测量系统的测量准确度，并应用于诸如地面等对准确度要求更高的湿度观测领域。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定，在附图中：

图1为本实用新型实施例一的定频湿度测量系统的组成示意图；

图2为本实用新型实施例二的定频湿度测量系统的组成示意图；

图3为图2的定频湿度测量系统的定频积分器电路原理图；

图4为图2的定频湿度测量系统的定频积分器信号时序图；

图5为图2的定频湿度测量系统的基准电压电路原理图；

图6为图2的定频湿度测量系统的比较器电路原理图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

湿敏电容并不是理想电容器，在温度、湿度恒定的环境下，湿敏电容容量与测量频率具有明显相关性，这一特性使得基于RC振荡电路的变频湿度测量系统在电容测量过程中引入一定的测试误差。

为此，本实用新型提出一种恒定测量频率的湿度测量系统，以消除频率变化引起的湿敏电容数值波动，和抑制支架分布电容对湿度测量的干扰，由此显著提升探空过程中湿度测量的准确度。

实施例一

如图1所示，本实施例的定频湿度测量系统是一套围绕湿敏电容器设计的程控积分测量系统。该系统包括：

逻辑控制模块100，用于输出时序控制信号；

定频积分模块200，连接所述逻辑控制模块100，用于根据所述逻辑控制模块输出的时序控制信号以固定频率测量湿敏电容的容值，获得湿敏电容积分波形图；

容值转换模块300，连接所述定频积分模块200和所述逻辑控制模块100，用于将所述定频积分模块200输出的湿敏电容积分波形图转换为占空比与所述湿敏电容的容值相关的方波信号，并将所述方波信号提供给所述逻辑控制模块100；

温度补偿模块400，用于测定表征所述湿敏电容所处的环境温度的直流电信号；

模数转换模块500，连接所述温度补偿模块400和所述逻辑控制模块100，用于将所述温度补偿模块400输出的直流电信号转换为相应的数字信号，输出给所述逻辑控制模块；

其中，所述逻辑控制模块100根据所述容值转换模块300输出的所述方波信号计算所述湿敏电容的容值，且在根据所述容值转换模块300输出的所述方波信号计算所述湿敏电容的容值时进行温度补偿，最后根据补偿后的所述湿敏电容的容值测算湿度。

此外，系统还包括基准电压模块600，连接所述定频积分模块200和容值转换模块300，用于为所述定频积分模块200和容值转换模块300提供满足预设条件的基准电压。

上述系统通过改变电容测量电路的结构和控制时序，巧妙地将程控积分器应用于湿度测量领域，使用固定测量频率对湿敏电容器进行测量，从根本上解决了在传统的振荡电路测量过程中因频率改变而产生的测量误差，

实施例二

在本实施例中，实施例一的系统可以采用微控制器、模拟开关、运算放大器、模数转换器等通用器件组成，其结构框图可参见附图图2。

在图2中，微控制器负责积分器时序控制、读取外部模数转换器寄存器值、补偿运算、校准、通讯等功能。在微控制器控制下，由4:1模拟开关(也称为四通道模拟开关)和运算放大器组成的积分器将湿敏电容的容量转换成频率恒定、幅度变化的三角波波形图。位于积分器后级的比较器电路将三角波转换为频率恒定、占空比随湿敏电容的容值变化的方波信号，并将方波信号提供给微控制器，以供微控制器通过占空比来测量湿敏电容的容值。同时，模数转换器与铂电阻相连，用于将表征所述湿敏电容所处的环境温度的电信号转换为对应的数字信号提供给微控制器，以供微控制器在对湿敏电容的容值进行计算时进行相应的温度补偿。

上述测量系统的核心为程控定频积分器，其电路原理图如图3所示，信号时序图如图4所示。

由图3可知，程控定频积分器主要由双4：1模拟开关U1和运算放大器U2构成。运算放大器U2A作为电压跟随器，用于消除模拟开关内阻对电路造成的影响；运算放大器U2B与积分电阻R₁、积分电容C(即湿敏电容)相连，构成积分器电路，一方面可实现电容容量向交流电压转换功能，另一方面可抑制电容C两侧对地的分布电容对测量结果的干扰。程控积定频分器的控制时序被存储于微控制器的数据缓存中，通过定时器控制DMA驱动GPIO将数据缓存高速写入模拟开关U1A和U1B各自的控制引脚A和B。

由图4可知，程控定频积分器的每个工作周期共200uS，被等分为4个50uS的时间片段，依次通过微控制器输出的时序控制信号选通模拟开关的通道1至通道4。模拟开关U1A的四路输入分别为正基准电压Ref+和负基准电压Ref-以及两路电源地，模拟开关U1A的输出作为积分器U2A的输入。在0-50uS时，正基准电压Ref+通过积分电阻R₁对湿敏电容C进行充电，进行正相积分，由于运算放大器U2B反向输入端的电压等同于同相输入端的电压，因此湿敏电容充电电流可由式(2)表达：

式中，I_charge为流过电阻R₁的电流。

湿敏电容另一端电压U_cap，即运算放大器U2B的输出电压，可由式(3)表示：

式中为C为湿敏电容，t为积分时间。

当正相积分结束时，湿敏电容C的电压达到峰值，随后模拟开关断开Ref+，选通Ref-。在50-100uS时，模拟开关将负基准电压Ref-接入积分器，对湿敏电容进行反向积分。正基准电压Ref+与负基准电压Ref-是一组绝对值相同，极性相反的基准电压，故在反向积分结束时，湿敏电容的理论电压应归零。由于运算放大器并非理想放大器，因此在反向积分结束后电容上仍然存在微量剩余电荷，这一残留电荷会使湿敏电容两端逐渐形成一定的直流电势，进而给测量带来严重影响。

因此，在100-200uS时，模拟开关U1B将积分电阻与积分电容短路，构成电容器放电回路，对积分器进行清零，以消除剩余电荷，避免出现电荷积累的情况。

在完成积分器清零后，模拟开关将再次选通1通道，进入一个新积分周期，周而复始实现湿敏电容的连续测量。

如图5所示是该测量系统的基准电压电路。在本实施例中，该基准电压电路的核心为微功耗分流电压基准。由于湿度测量系统的工作环境恶劣，工作温度可能出现高达100℃的变化，因此基准器件的温漂势必会对系统测量准确度造成显著影响。通常，解决这一问题的方法是换用温漂更加低的基准器件，但是会对系统成本造成不利影响。对此，本实用新型提出，可优选地将基准电压Ref+经PWM分压器连接至比较器一端，可大幅降低基准器件的性能需求。

比较器输出方波的占空比Duty可由式(4)表示：

式中t_comp为比较器的有效时间，U_comp为比较器的参考电压。

对前文式(3)进行整形，可得：

比较器的两路输入电压由正基准电压Ref+经分压得到，可表示为：

U_comp＝k·Ref+ (5)

式中k为恒定的分压系数。将式(5)、(6)代入式(4)可得：

在本实施例中，程控定频积分器额单个测量周期为200uS，可认为这一时间内基准电压的温度未发生明显变化，由温漂引发的误差可忽略不计。在此假设下，电容容量可用式(7)表示，根据本实用新型的构思设计的湿度测量能够有效降低基准电压漂移对测量结果造成的误差。

在本实施例中，程控定频积分器的输出是三角波信号，不利于低速模数转换器直接采集，需要增加部分电路将程控定频积分器输出信号转换为频率恒定、但占空比随所述湿敏电容的容值线性变化的方波信号。

本实施例选用比较器电路作为程控定频积分器与模数转换器之间的中间级，其电路图如图6所示。

在本实施例中，比较器电路如图6所示，主要由Mos管Q1、运算放大器U3A组成的PWM分压器及比较器U5组成。与电阻分压不同的是，PWM分压方法稳定性主要受PWM信号稳定性影响，即主要受微控制器的外部晶体振荡器影响。晶体振荡器稳定性远远优于普通金属膜电阻，故可忽略温度对分压器准确度的影响。由图6可知，Mos管的漏级与基准电压Ref+相连，栅极接收微控制器的PWM输出信号，实现对基准电压Ref+的PWM分压。PWM分压器输出为一方波信号，经过由运算放大器U3A及外围阻容元件构成的三阶巴特沃斯低通滤波器后，该方波信号变为稳定的直流信号，用作比较器U5的参考电压。比较器U5的反相端与程控定频积分器的输出端直接相连，同相端与三阶巴特沃斯低通滤波器的输出端相连，当程控定频积分器输出的电压与比较器U5的参考电压相等时，比较器U5的输出电平发生翻转，实现三角波向方波的转换，完成湿敏电容的容量向方波信号的占空比的转换过程。

系统校准

应当说明的是，当对湿度测量准确度要求较高时，通常认为湿敏电容的容量-温度-湿度特性曲线是非线性的，且这一曲线难以使用简单函数描述。为提高测量系统的准确度，本实施例的测量系统的微控制器中预先存储有通过多次实验确定的典型容量-温度-湿度标准表，用来解决这一非线性问题。由于湿敏电容具有一定离散性，其静态容量与典型容量电容存在一定偏差，因此典型电容-温度-湿度标准表无法直接用于数据转换。在本实施例中，校准过程是连接测量系统实际装配的湿敏电容与典型电容-温度-湿度标准表的重要桥梁。通过校准，可将实际装配湿敏电容与典型电容的比例及偏移量计算出来，并写入测量系统的存储器中，然后在实际测量时，只需查表并进行线性插值计算，即可实现准确的温度补偿与湿度测量。

实施例三

本实施例提供了一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上文所述的定频湿度测量系统的步骤。

这些程序代码也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。

存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。存储介质的例子可以包括但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

应当理解的是，本说明书中的示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，而不应当理解为对本实用新型的限制。

Claims

1.一种定频湿度测量系统，其特征在于，所述系统包括：

逻辑控制模块，用于输出时序控制信号；

容值转换模块，连接所述定频积分模块和所述逻辑控制模块，用于将所述定频积分模块输出的湿敏电容积分波形图转换为占空比与所述湿敏电容的容值相关的方波信号，并将所述方波信号输出给所述逻辑控制模块，以供所述逻辑控制模块测算湿度。

2.根据权利要求1所述的定频湿度测量系统，其特征在于，所述系统还包括：

模数转换模块，连接所述温度补偿模块和所述逻辑控制模块，用于将所述温度补偿模块输出的电信号转换为相应的数字信号，并提供给所述逻辑控制模块，以供所述逻辑控制模块进行温度补偿，然后根据补偿后的所述湿敏电容的容值测算湿度。

3.根据权利要求1或2所述的定频湿度测量系统，其特征在于，

所述定频积分模块包括：第一四通道模拟开关和第二四通道模拟开关、第一运算放大器和第二运算放大器、积分电阻和湿敏电容；

4.根据权利要求1或2所述的定频湿度测量系统，其特征在于，所述系统还包括：

基准电压模块，连接所述定频积分模块和所述容值转换模块，用于为所述定频积分模块和所述容值转换模块提供满足预设条件的基准电压。

5.根据权利要求4所述的定频湿度测量系统，其特征在于，所述容值转换模块包括比较器电路，所述比较器电路包括PWM分压器和比较器；

其中，所述比较器的第一输入端作为所述容值转换模块的输入端，连接所述定频积分模块的输出端，所述比较器的第二输入端连接所述PWM分压器的输出端，所述PWM分压器的第一输入端连接所述基准电压模块的输出端，所述PWM分压器的第二输入端连接所述逻辑控制模块的PWM信号输出端，所述比较器的输出端作为所述容值转换模块的输出端，连接所述逻辑控制模块的输入端。

6.根据权利要求5所述的定频湿度测量系统，其特征在于，所述PWM分压器包括Mos晶体管和第三运算放大器，所述Mos晶体管的漏级与所述基准电压模块的输出端连接，栅极与所述逻辑控制模块的PWM信号输出端连接，源极通过三个串联的电阻连接所述第三运算放大器的同相端，其中靠近所述Mos晶体管的两个所述电阻之间的节点通过第一中间电容接地，所述第三运算放大器的同相端通过第二中间电容接地，所述第三运算放大器的反相端通过第三中间电容连接靠近所述第三运算放大器的两个所述电阻之间的节点；所述第三运算放大器的输出端与反相端相连，并作为所述PWM分压器的输出端连接至作为所述比较器的运算放大器的同相端，该运算放大器的反相端连接所述定频积分模块的输出端，该运算放大器的输出端作为所述容值转换模块的输出端，连接所述逻辑控制模块的输入端。

7.根据权利要求2所述的定频湿度测量系统，其特征在于，

所述温度补偿模块包括铂电阻电路。