CN2826409Y - 近红外湿度测量仪 - Google Patents

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Abstract

一种近红外湿度测量仪，该湿度测量仪包括测量头、二次仪表以及连接测量头和二次仪表的外部总线。测量头依次包括两个电调制集成化的近红外光源、两片干涉滤光片、一个半反半透镜、待测气体充满其中的开放式气室、会聚透镜、光电探测器和后继处理电路。其中的二次仪表以32位嵌入式单片机为核心，集成了自动时钟、LCD显示、键盘输入、打印输出电路，以及非易失性数据存储器和通讯接口电路。本实用新型测量精度高、反应时间短；省去了存在于现有装置中的机械式斩波器，具有体积小、抗干扰能力强和稳定性好优点；既能单机工作，也能实现分布式测量；可广泛地应用于气象部门、仓贮系统、食品加工、烟草工业等行业或领域。

Description

近红外湿度测量仪
技术领域
本实用新型涉及一种测量气体湿度的装置，具体讲是一种用近红外分析技术对环境气体进行湿度测量的装置。
背景技术
对环境气体湿度的测量在工农业生产和国防建设中有十分重要意义，准确的气体湿度测量可带来较高的经济和社会效益。利用各种物理和化学原理来测量环境湿度的方法很多，如蒸发法、湿度计法、电学法、化学法和谱吸收法等，但在众多气体物理参数中，湿度还受其它物理量的影响，实现对湿度的高精度测量还比较困难。目前，人们研制出了基本上述不同测量原理和方法的湿度传感器，应用最为广泛的湿度传感器的原理是：利用敏感元件的吸湿性，当其吸收不同质量的水分后，其物理参数如电阻、电容量等随之变化，并将这种变化转变成电信号输出。利用这种原理制造出的传感器存在响应时间长、精度还不够高、湿滞效应大等不足；尤其在动态测量诸如管道内的高温、高速流动的气体湿度时，这些传感器还无法用途，其应用受到了一些限制。
近红外分析技术也是测量物质水分含量(包括环境气体湿度)的有效方法和手段之一。相关文献如：林晓鹰在《中国仪器仪表》(2002.1)上撰写的《近红外水分仪的研制》中所披露的一种红外水分仪；康秋锋在《云南冶金》(2002.8)上撰写的《双波段四光束红外智能水分仪及应用》中所披露的一种红外水分仪。然而，他们均采用了传统红外光源和光电探测器以及机械斩波器，使仪器复杂性和体积增大，抗干扰能力弱，降低了仪器的稳定性；处理电路以8位单片机为核心，整机性能不高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，针对上述背景技术中的不足，提出一种体积小、抗干扰能力强、稳定性好和整机性能强的能测量气体中的水分含量的近红外湿度测量仪。
实现所述目的的是这样一种近红外湿度测量仪，该湿度测量仪包括测量头、二次仪表(也称为上位机)以及连接测量头和二次仪表的外部总线，其改进之处是，测量头依次包括两个电调制的近红外光源、两片干涉滤光片、一个半反半透镜、待测气体充满其中的开放式气室、会聚透镜、光电探测器和后继处理电路；其中的两个电调制近红外光源的光路相互垂直，半反半透镜在两垂直相交光路的角平分线上，透过半反半透镜的光线和经半反半透镜反射的光线均透过开放式气室、会聚透镜，而照射到光电探测器上；后续处理电路对该光电探测器的输出信号进行放大、A/D转换后经过外部总线上传给二次仪表处理。也就是说，通过电调制的两个近红外光源的出射光，分别经过干涉滤光片(中心波长分别为：一个是水蒸气吸收带的峰值波长λ＝1.94μm，另一个处于靠近λ且没有水蒸气吸收的地方λ0＝2.2μm)后，产生两束单波长的光，通过半反半透镜将二者合为一束测量光，形成双波长单光束的红外光；该测量光穿过开放式气室构成的测量区域内的待测气体，经透镜的会聚最终照射到光电探测器上。然后，该光电探测器的输出信号经过后续电路的处理并通过外部总线上传给二次仪表处理。
测量时，两个光源是在脉冲电信号的驱动下，交替发光的。这样，在光电探测器上就分时得到两个波长的光信号，从而分别获得被测气体对两个波长的透过率。根据相关理论(Fowle于1912年首次提出)，这两个波长对气体透过率的比值是被测气体水蒸气含量的函数，从而通过计算得到绝对湿度值。如果知道被测气体的温度，则可进一步得到相对湿度值。
进一步的改进是，该电调制的近红外光源为集成化的红外光源，该光源中集成有反射镜、热敏电阻和电制冷器；所述光电探测器为集成化的探测器，该探测器中集成有反射镜、光敏元件、热敏电阻和电制冷器。
更进一步的改进是，后继处理电路依次集成有放大器、A/D转换器、8位单片机和存储器，以及通讯接口电路和电源电路。
再进一步的改进是，其中的二次仪表以32位嵌入式单片机为核心，集成了自动时钟、LCD显示、键盘输入、打印输出电路，以及非易失性数据存储器和通讯接口电路。
与现有的装置相比较，本实用新型有如下的优越性：
首先，由于本实用新型采用近红外分析技术对湿度进行测量，精度高，相对湿度测量精度可达±1％；反应时间短，小于1秒。
其次，由于本实用新型中的近红外光源采用了集成的电调制红外光源，省去了存在于现有装置中的机械式斩波器，这样就消除了由机械式斩波器所带来的缺陷，就能达到体积小、抗干扰能力强和稳定性好这样的设计目的；
再者，由于本实用新型采用了模块设计，即把测量头和二次仪表分别设计、制造，再通过总线将二者连接起来，这样，既能单机工作，也能实现分布式测量。
第四，由于本实用新型采用了32位单片机为核心的电路，使测量仪性能更高，智能化功能强，包括：省电模式、实时时钟、数据掉电保护、超大容量数据存储深度等。可广泛地应用于气象部门、仓贮系统、食品加工、烟草工业等行业或领域。
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
附图说明
图1——本实用新型的系统连接框图
图2——本实用新型的分布式测量工作方式的系统连接示意图
图3——本实用新型的测量头的光路图
图4——本实用新型的光源驱动电信号的波形图
图5——本实用新型的测量头电路框图
图6——实用新型的二次仪表电路框图
图7——本实用新型的一个具体实施方案的测量头电路图
图8——本实用新型的一个具体实施方案的二次仪表电路图
图8-1——图8中I的局部放大图
图8-2——图8中II的局部放大图
图8-3——图8中III的局部放大图
图8-4——图8中IV的局部放大图
具体实施方式
一种近红外湿度测量仪(参考图1)，该湿度测量仪包括测量头、二次仪表以及连接测量头和二次仪表的外部总线。本实用新型的二次仪表具有自动时钟、存储、显示和打印、通讯功能(也可以与现有的二次仪表相同)。其中的测量头依次包括两个电调制的近红外光源1、两片干涉滤光片2、一个半反半透镜3、待测气体充满其中的开放式气室4、会聚透镜6、光电探测器7和后继处理电路；其中的两个电调制近红外光源1的光路相互垂直，半反半透镜3在两垂直相交光路的角平分线上，透过半反半透镜3的光线和经半反半透镜3反射的光线均透过开放式气室4、会聚透镜6，而照射到光电探测器7上；后续处理电路对该光电探测器的输出信号进行放大、A/D转换后经过外部总线上传给二次仪表处理。
从上述各器件的设置顺序不难看出，本实用新型的测量头有产生双波长单光束的光路结构(参考图3)。即：电调制的两个近红外光源1的出射光，经过干涉滤光片2(中心波长分别为：一个是水蒸气吸收带的峰值波长λ＝1.94μm，另一个处于靠近λ且没有水蒸气吸收的地方λ0＝2.2μm)后，产生两束单波长的光，通过半反半透镜3将二者合为一束测量光，形成双波长单光束的红外光；该测量光穿过开放式气室4构成的测量区域内的待测气体5，经透镜6的会聚最终照射到光电探测器上7。在本具体实施方式中，待测气体5在开放式气室4内的测量长度L＝40mm。
测量时，两个光源在脉冲电信号(参考图4)的驱动下，交替发光，这样在探测器上分时得到两个波长的光信号，从而分别获得被测气体5对两个波长的透过率。根据相关理论(Fowle于1912年首次提出)，这两个波长对气体透过率的比值是被测气体5水蒸气含量的函数，从而通过计算得到绝对湿度值。如果知道被测气体的温度，则可进一步得到相对湿度值。
以上披露的具体实施方式是以下各例的总述，在以下各例中，仅披露在本总述部分未详细涉及的内容，与本总述相同的内容不赘述。
实施例1：
本例是在具体实施方式之总述部分基础上，涉及其中的近红外光源1和光电探测器7的实例。本例的电调制近红外光源1为集成化的红外光源，该光源中集成有反射镜、热敏电阻和电制冷器，具有带宽窄、输出功率大、反射镜能使输出光更集中和光输出稳定的特点，能够对其实现2KHz频率的电调制。本例的光电探测器7为集成化的探测器，该探测器中集成有反射镜、光敏元件、热敏电阻和电制冷器。
实施例2：
本例是在具体实施方式之总述或者实施例1的基础上，涉及其中的后继处理电路的实例。本例的后继处理电路(参考图5)依次集成有放大模块、A/D转换器U2、8位单片机U1和存储器U3，以及通讯接口电路U4和电源电路U0；其中放大模块把从光电探测器7输出的信号进行放大，通讯接口电路U4与外部总线连接。在本例中(参考图7)，光电探测器输出的电信号经过放大电路(采用和探测器相配套的模块)、A/D转换器U2-1后，其数据由单片机U1采集，并存放到存储器U3中。在需要的时候，单片机U1将存储器U3中的数据经过通讯接口电路U4通过外部总线传送给二次仪表。测量头还带有单线式温度传感器U-T，其测量的数据用以计算相对湿度。在图7中，U2-2为A/D转换器U2-1的基准电压产生电路，U0-1和U0-2是测量头的电源电路，U0-3是光源的驱动模块电路。
在本例的基础上，可以组成多测量头的分布式测量系统(参考图2)。此时，二次仪表作为主机使用，对整个测量系统进行上位控制管理。
实施例3：
本例是在具体实施方式之总述、实施例1或者实施例2的基础上，涉及其中的二次仪表电路实例(参考图6)。本例的二次仪表以32位嵌入式单片机为核心，集成了自动时钟、LCD显示、键盘输入、打印输出电路，以及非易失性数据存储器和通讯接口电路。在本例中，32位嵌入式单片机片上集成有丰富的外围电路，本例可利用的有实时时钟、LCD控制和USB控制器等。二次仪表采集全部在线测量头的测量值，存储、显示并打印，必要时也可将存储的数据导出到PC机的数据库中。如图8所示，U5A、U5B和U5C为32位单片机，和SRAM存储器U6-1、U6-2、NAND FLASH存储器U6-3及程序存储器U7构成一个嵌入式最小系统。大容量的FLASH存储器U8为数据存储器。二次仪表的通讯接口电路有二：U9为二次仪表和外部总线的接口电路，和PC机的通讯通过USB口来实现。另外，二次仪表的键盘输入和打印输出也使用USB接口。U0-4、U0-5是二次仪表的电源电路。

Claims (5)

1、一种近红外湿度测量仪，该湿度测量仪包括测量头、二次仪表以及连接测量头和二次仪表的外部总线，其特征在于，所述测量头依次包括两个电调制的近红外光源(1)、两片干涉滤光片(2)、一个半反半透镜(3)、待测气体充满其中的开放式气室(4)、会聚透镜(6)、光电探测器(7)和后继处理电路；其中的两个电调制近红外光源(1)的光路相互垂直，半反半透镜(3)在两垂直相交光路的角平分线上，透过半反半透镜(3)的光线和经半反半透镜(3)反射的光线均透过开放式气室(4)、会聚透镜(6)，而照射到光电探测器(7)上；后续处理电路对该光电探测器的输出信号进行放大、A/D转换后经过外部总线上传给二次仪表处理。
2、根据权利要求1所述的近红外湿度测量仪，其特征在于，所述电调制的近红外光源(1)为集成化的红外光源，该光源中集成有反射镜、热敏电阻和电制冷器；所述光电探测器(7)为集成化的探测器，该探测器中集成有反射镜、光敏元件、热敏电阻和电制冷器。
3、根据权利要求1或2所述的近红外湿度测量仪，其特征在于，所述后继处理电路依次集成有放大模块、A/D转换器(U2-1)、8位单片机(U1)和存储器(U3)，以及通讯接口电路(U4)和电源电路(U0)；其中放大模块把从光电探测器(7)输出的信号进行放大，通讯接口电路(U4)与外部总线相连接。
4、根据权利要求1或2所述的近红外湿度测量仪，其特征在于，所述二次仪表以32位嵌入式单片机为核心，集成了自动时钟、LCD显示、键盘输入、打印输出电路，以及非易失性数据存储器和通讯接口电路。
5、根据权利要求3所述的近红外湿度测量仪，其特征在于，所述二次仪表以32位嵌入式单片机为核心，集成了自动时钟、LCD显示、键盘输入、打印输出电路，以及非易失性数据存储器和通讯接口电路。
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