本發(fā)明涉及一種用于石英諧振式露點(diǎn)傳感器的自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)，它是一種由溫度測(cè)量模塊、溫度控制模塊、敏感電路模塊以及處理器構(gòu)成的自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)。屬于露點(diǎn)傳感器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中很多場(chǎng)合需要對(duì)氣體濕度進(jìn)行控制，濕度檢測(cè)是氣體或壓縮空氣質(zhì)量等級(jí)控制和完善氣源系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，因此要求精密測(cè)量氣體的濕度，而且，最好采用一次檢測(cè)方式測(cè)量，即既不是采用傳感器的二次檢測(cè)法，也不是采用氧濃度計(jì)等的間接法。大氣濕度在物理學(xué)和氣象學(xué)中的表示方法有很多種，每種表示都有各自的物理量和與其相對(duì)應(yīng)的單位。在眾多大氣濕度的表示方法中，習(xí)慣使用的是相對(duì)濕度、絕對(duì)濕度、露(霜)點(diǎn)溫度等。其中，露點(diǎn)溫度的測(cè)量已被國(guó)際公認(rèn)為最精密的濕度測(cè)量方法，世界各國(guó)實(shí)際的濕度量值傳遞都是通過(guò)露點(diǎn)溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)的。露點(diǎn)溫度是指空氣在水汽含量和氣壓都不改變的條件下，冷卻到飽和時(shí)的溫度，形象地說(shuō)，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r(shí)候的溫度。透過(guò)露點(diǎn)就可以知道空氣中水汽含量，因而露點(diǎn)是一項(xiàng)絕對(duì)濕度的指標(biāo)。露點(diǎn)測(cè)量其關(guān)鍵技術(shù)在于露點(diǎn)的探測(cè)與識(shí)別。目前主要的高精度的露點(diǎn)識(shí)別技術(shù)有冷凝光電法、以及晶體振蕩法。

冷凝光電法是利用等壓冷卻或者半導(dǎo)體制冷方法使被測(cè)氣體中的水蒸氣開(kāi)始出現(xiàn)露或霜，測(cè)量此時(shí)的溫度，即為該氣體的露(霜)點(diǎn)。它的識(shí)別原理是以觀察拋光鏡面的亮度確定露點(diǎn)溫度。光學(xué)冷鏡式露點(diǎn)儀就是利用鏡面的反射光信號(hào)進(jìn)行反饋控制半導(dǎo)體制冷器的溫度，從而實(shí)現(xiàn)露點(diǎn)溫度的跟蹤測(cè)量。此原理制作的露點(diǎn)測(cè)量裝置，主要缺點(diǎn)是抗污染能力差，響應(yīng)速度慢，不能進(jìn)行露點(diǎn)的連續(xù)測(cè)量，價(jià)格高昂。

石英諧振式露點(diǎn)測(cè)量方法主要是將石英晶體與半導(dǎo)體制冷器相結(jié)合，利用主動(dòng)控溫在石英晶體電極表面產(chǎn)生凝露，通過(guò)石英晶體的質(zhì)量-頻率敏感特性進(jìn)行露點(diǎn)的識(shí)別和測(cè)量。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度可以達(dá)到并超過(guò)光電露點(diǎn)法。目前尚處于不十分成熟階段，國(guó)外有相關(guān)的產(chǎn)品，但是精度不高并且成本很高。基于此方法的露點(diǎn)測(cè)試儀器中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是在連續(xù)跟蹤測(cè)量過(guò)程中，頻率與溫度的雙閉環(huán)測(cè)控系統(tǒng)，因此，需要一套測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)露點(diǎn)的連續(xù)跟蹤測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的是提供一套針對(duì)石英諧振式露點(diǎn)傳感器的自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器對(duì)露點(diǎn)的識(shí)別與自動(dòng)跟蹤控制。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度極高、可靠性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：

本發(fā)明一種用于石英諧振式露點(diǎn)傳感器的自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)，它是一種由傳感器探測(cè)模塊、敏感電路模塊、處理器模塊、溫度測(cè)量模塊以及溫度控制模塊構(gòu)成的自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)；它們之間的關(guān)系是：傳感器探測(cè)模塊中的石英晶片與敏感電路模塊相連實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物理量的感知，并轉(zhuǎn)換為可被處理器模塊采集的電信號(hào)；溫度測(cè)量模塊首先跟傳感器探測(cè)模塊里的鉑熱電阻相連，然后溫度測(cè)量模塊的信號(hào)輸出端與處理器模塊的溫度測(cè)量模塊輸入端相連；敏感電路模塊的信號(hào)輸出端與處理器模塊的信號(hào)采集端口相連；處理器模塊的電壓信號(hào)輸出端與溫度控制模塊的電壓信號(hào)輸入端相連以實(shí)現(xiàn)比例為1：1的電壓與電流轉(zhuǎn)換；溫度控制模塊的電流輸出端與傳感器探測(cè)模塊中的半導(dǎo)體制冷器相連對(duì)其進(jìn)行溫度控制；系統(tǒng)的功能組成框圖如圖1所示。

所述的傳感器探測(cè)模塊，如圖1所示，主要是由半導(dǎo)體制冷器、石英晶片、鉑熱電阻組成，具體的結(jié)構(gòu)組成已經(jīng)申請(qǐng)了發(fā)明專利(申請(qǐng)?zhí)枺?01611183488.1)；它的作用是主動(dòng)制造和識(shí)別露點(diǎn)，為后端的敏感電路模塊提供物理量反饋；

所述的敏感電路模塊已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利并獲得專利權(quán)(專利號(hào)：ZL201410727790.3)；其作用是給傳感器探測(cè)模塊結(jié)構(gòu)中的石英晶片提供驅(qū)動(dòng)，并且可以根據(jù)石英晶片電極表面的結(jié)露情況給后端的溫度測(cè)量模塊以及溫度控制模塊提供反饋量；該敏感電路模塊輸出的信號(hào)特征是當(dāng)石英晶片電極表面處于干燥狀態(tài)，電路會(huì)輸出一個(gè)高電平信號(hào)，當(dāng)石英晶片電極表面有結(jié)露產(chǎn)生，電路就會(huì)輸出一個(gè)低電平信號(hào)；

所述的處理器模塊，是由STM32F103RET6單片機(jī)芯片組成；該模塊具有采集和控制的功能，在整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)中充當(dāng)控制器的功能；該芯片中，管腳14和管腳16與敏感電路模塊相連接；管腳55、56和57和溫度測(cè)量模塊的輸出相連；管腳20與溫度控制模塊的輸入相連；管腳1、32、48、64、19和13與電源正極相連；管腳31、47、63、18、12和60與電路接地端相連，其中管腳60與電路接地端之間接入電阻R5；具體連接如圖2所示。

所述的溫度測(cè)量模塊，主要由ADS1248IPWR芯片和鉑熱電阻以及外圍電路組成；該鉑熱電阻與該芯片的管腳5＇、11＇和12＇相連；管腳5＇和管腳6＇之間串聯(lián)一個(gè)電阻R3然后和電路接地端相連；管腳24＇、3＇、9＇、10＇、21＇和2＇都與電路接地端相連，其中管腳24＇與接地端串聯(lián)一個(gè)電阻R4，管腳9＇與接地端之間串聯(lián)一個(gè)電容C1；管腳1＇、4＇、22＇和23＇與電源正極相連，其中管腳4＇與電源正極之間串聯(lián)一個(gè)電阻R2，管腳23＇與電源正極之間串聯(lián)一個(gè)電阻R1；管腳26＇、27＇和28＇分別與處理器模塊中的芯片的輸入端相連；具體連接如圖2所示；

所述的溫度控制模塊，主要由一個(gè)功率放大芯片PA02與半導(dǎo)體制冷器以及外圍電路組成；該芯片PA02的管腳1＂和管腳2＂與直流穩(wěn)壓電源相連，其中管腳1＂與直流穩(wěn)壓電源之間串聯(lián)一個(gè)電阻R7；管腳7＂和管腳8＂與直流穩(wěn)壓電源相連，其中管腳8＂與直流穩(wěn)壓電源之間串聯(lián)一個(gè)電阻R6；管腳6＂與處理器模塊中的芯片的電壓輸出端相連；管腳3＂和管腳4＂相連之后作為半導(dǎo)體制冷器的電源正極與半導(dǎo)體制冷器相連；管腳5＂與電路接地端相連并且中間串聯(lián)一個(gè)電阻R9；管腳5＂作為半導(dǎo)體制冷器電源的負(fù)極與半導(dǎo)體制冷器相連；具體連接如圖2所示。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)及功效：

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種用于石英諧振式露點(diǎn)傳感器的自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過(guò)半導(dǎo)體制冷器對(duì)石英晶片制冷或加熱使得石英晶片表面相態(tài)在結(jié)露與干燥之間相互交替，同時(shí)由于石英晶片表面相態(tài)的不同會(huì)導(dǎo)致敏感電路輸出的信號(hào)成為間歇式的高低電平信號(hào)，高電平對(duì)應(yīng)干燥狀態(tài)，低電平對(duì)應(yīng)結(jié)露狀態(tài)，高低電平信號(hào)又作為控制半導(dǎo)體制冷器制冷功率的反饋信號(hào)，以此循環(huán)形成一個(gè)雙閉環(huán)的控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、硬件成本低、抗外界干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明：

圖1本發(fā)明的自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)功能組成框圖。

圖2本發(fā)明的自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)電路。

圖中符號(hào)、代號(hào)說(shuō)明如下:

R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9為精密電阻，C1為無(wú)極性固定電容，VDD為電源端，GND為電路的接地端，STM32F103RET6、ADS1248IPWR與PA02為芯片型號(hào)。

STM32F103RET6單片機(jī)芯片管腳序號(hào)：1～64。

ADS1248IPWR芯片管腳序號(hào)：1＇～28＇。

功率放大芯片PA02的管腳序號(hào)：1＂～8＂。

具體實(shí)施方式：

見(jiàn)圖1,本發(fā)明一種用于石英諧振式露點(diǎn)傳感器的自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)，它是由傳感器探測(cè)模塊、敏感電路模塊、處理器模塊、溫度測(cè)量模塊以及溫度控制模塊5部分功能模塊組成。它們之間的關(guān)系是：傳感器探測(cè)模塊中的石英晶片與敏感電路模塊相連實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)物理量的感知，并轉(zhuǎn)換為可被處理器采集的電信號(hào)；溫度測(cè)量模塊首先跟傳感器探測(cè)模塊里的鉑熱電阻相連，然后溫度測(cè)量模塊的信號(hào)輸出端與處理器的溫度輸入端相連；敏感電路的信號(hào)輸出端與處理器的信號(hào)采集端口相連；處理器的電壓信號(hào)輸出端與溫度控制模塊的電壓信號(hào)輸入端相連以實(shí)現(xiàn)比例為1：1的電壓與電流轉(zhuǎn)換；溫度控制模塊的電流輸出端與傳感器探測(cè)模塊中的半導(dǎo)體制冷器相連對(duì)其進(jìn)行溫度控制。

參照?qǐng)D2，該自動(dòng)測(cè)試與控制系統(tǒng)電路主要由四部分功能電路組成：

1)敏感電路已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利(專利號(hào)：ZL201410727790.3)。該電路是給傳感器探測(cè)模塊中的石英晶片提供驅(qū)動(dòng)，并且可以根據(jù)石英晶片電極表面的結(jié)露情況給后端的處理器模塊提供反饋量。敏感電路輸出的信號(hào)特征是當(dāng)石英晶片電極表面處于干燥狀態(tài)，電路會(huì)輸出一個(gè)高電平信號(hào)，當(dāng)石英晶片電極表面有結(jié)露產(chǎn)生，電路就會(huì)輸出一個(gè)低電平信號(hào)。

2)處理器電路是通過(guò)STM32F103RET6單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)的。管腳1、32、48、64、19和13與+5V直流穩(wěn)壓電源相連；管腳31、47、63、18、12和60與電路接地端相連，其中管腳60與電路接地端之間接入阻值為10KΩ的精密電阻R5；管腳14和管腳16與敏感電路的信號(hào)輸出端相連接；管腳55、56和57和溫度測(cè)量電路的輸出相連；管腳20與溫度控制電路的輸入端相連。

3)溫度測(cè)量電路，主要是通過(guò)ADS1248IPWR芯片和鉑熱電阻以及外圍電路實(shí)現(xiàn)的。鉑熱電阻的選型為PT100，與芯片的管腳5＇、11＇和12＇相連；管腳5＇和管腳6＇之間串聯(lián)一個(gè)阻值為1KΩ的精密電阻R3然后和電路接地端相連；管腳24＇、3＇、9＇、10＇、21＇和2＇都與電路接地端相連，其中管腳24＇與接地端串聯(lián)一個(gè)阻值為10KΩ的精密電阻R4，管腳9＇與接地端之間串聯(lián)一個(gè)電容C1，C1為無(wú)極性固定電容，電容值為1uF；管腳1＇、4＇、22＇和23＇與+5V直流穩(wěn)壓電源相連，其中管腳4＇與電源之間串聯(lián)一個(gè)阻值為10KΩ的精密電阻R2，管腳23＇與電源之間串聯(lián)一個(gè)阻值為10KΩ的精密電阻R1；管教26＇、27＇和28＇分別與STM32F103RET6單片機(jī)芯片的溫度輸入端相連。

4)溫度控制電路，主要是通過(guò)功率放大芯片PA02與半導(dǎo)體制冷器以及外圍電路實(shí)現(xiàn)。芯片PA02的管腳1＂和管腳2＂與-12V直流穩(wěn)壓電源相連，其中管腳1＂與-12V直流穩(wěn)壓電源之間串聯(lián)一個(gè)阻值為0.12Ω的精密電阻R7；管腳7＂和管腳8＂與+12V直流穩(wěn)壓電源相連，其中管腳8＂與+12V直流穩(wěn)壓電源之間串聯(lián)一個(gè)阻值為0.12Ω的精密電阻R6；管腳6＂與STM32F103RET6單片機(jī)芯片的電壓輸出端相連；管腳3＂和管腳4＂相連之后作為半導(dǎo)體制冷器的電源正極與半導(dǎo)體制冷器正極輸入相連；管腳5＂與電路接地端相連并且中間串聯(lián)一個(gè)阻值為1Ω的精密電阻R9；管腳5＂作為半導(dǎo)體制冷器電源的負(fù)極與半導(dǎo)體制冷器的負(fù)極輸入相連。