專利名稱：近紅外濕度測(cè)量?jī)x的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種測(cè)量氣體濕度的裝置，具體講是一種用近紅外分析技術(shù)對(duì)環(huán)境氣體進(jìn)行濕度測(cè)量的裝置。
背景技術(shù)：
對(duì)環(huán)境氣體濕度的測(cè)量在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國(guó)防建設(shè)中有十分重要意義，準(zhǔn)確的氣體濕度測(cè)量可帶來(lái)較高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。利用各種物理和化學(xué)原理來(lái)測(cè)量環(huán)境濕度的方法很多，如蒸發(fā)法、濕度計(jì)法、電學(xué)法、化學(xué)法和譜吸收法等，但在眾多氣體物理參數(shù)中，濕度還受其它物理量的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的高精度測(cè)量還比較困難。目前，人們研制出了基本上述不同測(cè)量原理和方法的濕度傳感器，應(yīng)用最為廣泛的濕度傳感器的原理是利用敏感元件的吸濕性，當(dāng)其吸收不同質(zhì)量的水分后，其物理參數(shù)如電阻、電容量等隨之變化，并將這種變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。利用這種原理制造出的傳感器存在響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、精度還不夠高、濕滯效應(yīng)大等不足；尤其在動(dòng)態(tài)測(cè)量諸如管道內(nèi)的高溫、高速流動(dòng)的氣體濕度時(shí)，這些傳感器還無(wú)法用途，其應(yīng)用受到了一些限制。
近紅外分析技術(shù)也是測(cè)量物質(zhì)水分含量(包括環(huán)境氣體濕度)的有效方法和手段之一。相關(guān)文獻(xiàn)如林曉鷹在《中國(guó)儀器儀表》(2002.1)上撰寫(xiě)的《近紅外水分儀的研制》中所披露的一種紅外水分儀；康秋鋒在《云南冶金》(2002.8)上撰寫(xiě)的《雙波段四光束紅外智能水分儀及應(yīng)用》中所披露的一種紅外水分儀。然而，他們均采用了傳統(tǒng)紅外光源和光電探測(cè)器以及機(jī)械斬波器，使儀器復(fù)雜性和體積增大，抗干擾能力弱，降低了儀器的穩(wěn)定性；處理電路以8位單片機(jī)為核心，整機(jī)性能不高。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，針對(duì)上述背景技術(shù)中的不足，提出一種體積小、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好和整機(jī)性能強(qiáng)的能測(cè)量氣體中的水分含量的近紅外濕度測(cè)量?jī)x。
實(shí)現(xiàn)所述目的的是這樣一種近紅外濕度測(cè)量?jī)x，該濕度測(cè)量?jī)x包括測(cè)量頭、二次儀表(也稱為上位機(jī))以及連接測(cè)量頭和二次儀表的外部總線，其改進(jìn)之處是，測(cè)量頭依次包括兩個(gè)電調(diào)制的近紅外光源、兩片干涉濾光片、一個(gè)半反半透鏡、待測(cè)氣體充滿其中的開(kāi)放式氣室、會(huì)聚透鏡、光電探測(cè)器和后繼處理電路；其中的兩個(gè)電調(diào)制近紅外光源的光路相互垂直，半反半透鏡在兩垂直相交光路的角平分線上，透過(guò)半反半透鏡的光線和經(jīng)半反半透鏡反射的光線均透過(guò)開(kāi)放式氣室、會(huì)聚透鏡，而照射到光電探測(cè)器上；后續(xù)處理電路對(duì)該光電探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)外部總線上傳給二次儀表處理。也就是說(shuō)，通過(guò)電調(diào)制的兩個(gè)近紅外光源的出射光，分別經(jīng)過(guò)干涉濾光片(中心波長(zhǎng)分別為一個(gè)是水蒸氣吸收帶的峰值波長(zhǎng)λ＝1.94μm，另一個(gè)處于靠近λ且沒(méi)有水蒸氣吸收的地方λ0＝2.2μm)后，產(chǎn)生兩束單波長(zhǎng)的光，通過(guò)半反半透鏡將二者合為一束測(cè)量光，形成雙波長(zhǎng)單光束的紅外光；該測(cè)量光穿過(guò)開(kāi)放式氣室構(gòu)成的測(cè)量區(qū)域內(nèi)的待測(cè)氣體，經(jīng)透鏡的會(huì)聚最終照射到光電探測(cè)器上。然后，該光電探測(cè)器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)后續(xù)電路的處理并通過(guò)外部總線上傳給二次儀表處理。
測(cè)量時(shí)，兩個(gè)光源是在脈沖電信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下，交替發(fā)光的。這樣，在光電探測(cè)器上就分時(shí)得到兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)，從而分別獲得被測(cè)氣體對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)的透過(guò)率。根據(jù)相關(guān)理論(Fowle于1912年首次提出)，這兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)氣體透過(guò)率的比值是被測(cè)氣體水蒸氣含量的函數(shù)，從而通過(guò)計(jì)算得到絕對(duì)濕度值。如果知道被測(cè)氣體的溫度，則可進(jìn)一步得到相對(duì)濕度值。
進(jìn)一步的改進(jìn)是，該電調(diào)制的近紅外光源為集成化的紅外光源，該光源中集成有反射鏡、熱敏電阻和電制冷器；所述光電探測(cè)器為集成化的探測(cè)器，該探測(cè)器中集成有反射鏡、光敏元件、熱敏電阻和電制冷器。
更進(jìn)一步的改進(jìn)是，后繼處理電路依次集成有放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、8位單片機(jī)和存儲(chǔ)器，以及通訊接口電路和電源電路。
再進(jìn)一步的改進(jìn)是，其中的二次儀表以32位嵌入式單片機(jī)為核心，集成了自動(dòng)時(shí)鐘、LCD顯示、鍵盤輸入、打印輸出電路，以及非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和通訊接口電路。
與現(xiàn)有的裝置相比較，本實(shí)用新型有如下的優(yōu)越性首先，由于本實(shí)用新型采用近紅外分析技術(shù)對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)量，精度高，相對(duì)濕度測(cè)量精度可達(dá)±1％；反應(yīng)時(shí)間短，小于1秒。
其次，由于本實(shí)用新型中的近紅外光源采用了集成的電調(diào)制紅外光源，省去了存在于現(xiàn)有裝置中的機(jī)械式斬波器，這樣就消除了由機(jī)械式斬波器所帶來(lái)的缺陷，就能達(dá)到體積小、抗干擾能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好這樣的設(shè)計(jì)目的；再者，由于本實(shí)用新型采用了模塊設(shè)計(jì)，即把測(cè)量頭和二次儀表分別設(shè)計(jì)、制造，再通過(guò)總線將二者連接起來(lái)，這樣，既能單機(jī)工作，也能實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。
第四，由于本實(shí)用新型采用了32位單片機(jī)為核心的電路，使測(cè)量?jī)x性能更高，智能化功能強(qiáng)，包括省電模式、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、數(shù)據(jù)掉電保護(hù)、超大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)深度等?？蓮V泛地應(yīng)用于氣象部門、倉(cāng)貯系統(tǒng)、食品加工、煙草工業(yè)等行業(yè)或領(lǐng)域。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。


圖1——本實(shí)用新型的系統(tǒng)連接框圖圖2——本實(shí)用新型的分布式測(cè)量工作方式的系統(tǒng)連接示意圖圖3——本實(shí)用新型的測(cè)量頭的光路圖圖4——本實(shí)用新型的光源驅(qū)動(dòng)電信號(hào)的波形圖圖5——本實(shí)用新型的測(cè)量頭電路框圖圖6——實(shí)用新型的二次儀表電路框圖圖7——本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施方案的測(cè)量頭電路圖圖8——本實(shí)用新型的一個(gè)具體實(shí)施方案的二次儀表電路圖圖8-1——圖8中I的局部放大圖圖8-2——圖8中II的局部放大圖圖8-3——圖8中III的局部放大圖圖8-4——圖8中IV的局部放大圖具體實(shí)施方式
一種近紅外濕度測(cè)量?jī)x(參考圖1)，該濕度測(cè)量?jī)x包括測(cè)量頭、二次儀表以及連接測(cè)量頭和二次儀表的外部總線。本實(shí)用新型的二次儀表具有自動(dòng)時(shí)鐘、存儲(chǔ)、顯示和打印、通訊功能(也可以與現(xiàn)有的二次儀表相同)。其中的測(cè)量頭依次包括兩個(gè)電調(diào)制的近紅外光源1、兩片干涉濾光片2、一個(gè)半反半透鏡3、待測(cè)氣體充滿其中的開(kāi)放式氣室4、會(huì)聚透鏡6、光電探測(cè)器7和后繼處理電路；其中的兩個(gè)電調(diào)制近紅外光源1的光路相互垂直，半反半透鏡3在兩垂直相交光路的角平分線上，透過(guò)半反半透鏡3的光線和經(jīng)半反半透鏡3反射的光線均透過(guò)開(kāi)放式氣室4、會(huì)聚透鏡6，而照射到光電探測(cè)器7上；后續(xù)處理電路對(duì)該光電探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)外部總線上傳給二次儀表處理。
從上述各器件的設(shè)置順序不難看出，本實(shí)用新型的測(cè)量頭有產(chǎn)生雙波長(zhǎng)單光束的光路結(jié)構(gòu)(參考圖3)。即電調(diào)制的兩個(gè)近紅外光源1的出射光，經(jīng)過(guò)干涉濾光片2(中心波長(zhǎng)分別為一個(gè)是水蒸氣吸收帶的峰值波長(zhǎng)λ＝1.94μm，另一個(gè)處于靠近λ且沒(méi)有水蒸氣吸收的地方λ0＝2.2μm)后，產(chǎn)生兩束單波長(zhǎng)的光，通過(guò)半反半透鏡3將二者合為一束測(cè)量光，形成雙波長(zhǎng)單光束的紅外光；該測(cè)量光穿過(guò)開(kāi)放式氣室4構(gòu)成的測(cè)量區(qū)域內(nèi)的待測(cè)氣體5，經(jīng)透鏡6的會(huì)聚最終照射到光電探測(cè)器上7。在本具體實(shí)施方式
中，待測(cè)氣體5在開(kāi)放式氣室4內(nèi)的測(cè)量長(zhǎng)度L＝40mm。
測(cè)量時(shí)，兩個(gè)光源在脈沖電信號(hào)(參考圖4)的驅(qū)動(dòng)下，交替發(fā)光，這樣在探測(cè)器上分時(shí)得到兩個(gè)波長(zhǎng)的光信號(hào)，從而分別獲得被測(cè)氣體5對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)的透過(guò)率。根據(jù)相關(guān)理論(Fowle于1912年首次提出)，這兩個(gè)波長(zhǎng)對(duì)氣體透過(guò)率的比值是被測(cè)氣體5水蒸氣含量的函數(shù)，從而通過(guò)計(jì)算得到絕對(duì)濕度值。如果知道被測(cè)氣體的溫度，則可進(jìn)一步得到相對(duì)濕度值。
以上披露的具體實(shí)施方式
是以下各例的總述，在以下各例中，僅披露在本總述部分未詳細(xì)涉及的內(nèi)容，與本總述相同的內(nèi)容不贅述。
實(shí)施例1本例是在具體實(shí)施方式
之總述部分基礎(chǔ)上，涉及其中的近紅外光源1和光電探測(cè)器7的實(shí)例。本例的電調(diào)制近紅外光源1為集成化的紅外光源，該光源中集成有反射鏡、熱敏電阻和電制冷器，具有帶寬窄、輸出功率大、反射鏡能使輸出光更集中和光輸出穩(wěn)定的特點(diǎn)，能夠?qū)ζ鋵?shí)現(xiàn)2KHz頻率的電調(diào)制。本例的光電探測(cè)器7為集成化的探測(cè)器，該探測(cè)器中集成有反射鏡、光敏元件、熱敏電阻和電制冷器。
實(shí)施例2本例是在具體實(shí)施方式
之總述或者實(shí)施例1的基礎(chǔ)上，涉及其中的后繼處理電路的實(shí)例。本例的后繼處理電路(參考圖5)依次集成有放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換器U2、8位單片機(jī)U1和存儲(chǔ)器U3，以及通訊接口電路U4和電源電路U0；其中放大模塊把從光電探測(cè)器7輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，通訊接口電路U4與外部總線連接。在本例中(參考圖7)，光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路(采用和探測(cè)器相配套的模塊)、A/D轉(zhuǎn)換器U2-1后，其數(shù)據(jù)由單片機(jī)U1采集，并存放到存儲(chǔ)器U3中。在需要的時(shí)候，單片機(jī)U1將存儲(chǔ)器U3中的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)通訊接口電路U4通過(guò)外部總線傳送給二次儀表。測(cè)量頭還帶有單線式溫度傳感器U-T，其測(cè)量的數(shù)據(jù)用以計(jì)算相對(duì)濕度。在圖7中，U2-2為A/D轉(zhuǎn)換器U2-1的基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路，U0-1和U0-2是測(cè)量頭的電源電路，U0-3是光源的驅(qū)動(dòng)模塊電路。
在本例的基礎(chǔ)上，可以組成多測(cè)量頭的分布式測(cè)量系統(tǒng)(參考圖2)。此時(shí)，二次儀表作為主機(jī)使用，對(duì)整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行上位控制管理。
實(shí)施例3本例是在具體實(shí)施方式
之總述、實(shí)施例1或者實(shí)施例2的基礎(chǔ)上，涉及其中的二次儀表電路實(shí)例(參考圖6)。本例的二次儀表以32位嵌入式單片機(jī)為核心，集成了自動(dòng)時(shí)鐘、LCD顯示、鍵盤輸入、打印輸出電路，以及非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和通訊接口電路。在本例中，32位嵌入式單片機(jī)片上集成有豐富的外圍電路，本例可利用的有實(shí)時(shí)時(shí)鐘、LCD控制和USB控制器等。二次儀表采集全部在線測(cè)量頭的測(cè)量值，存儲(chǔ)、顯示并打印，必要時(shí)也可將存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)導(dǎo)出到PC機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。如圖8所示，U5A、U5B和U5C為32位單片機(jī)，和SRAM存儲(chǔ)器U6-1、U6-2、NAND FLASH存儲(chǔ)器U6-3及程序存儲(chǔ)器U7構(gòu)成一個(gè)嵌入式最小系統(tǒng)。大容量的FLASH存儲(chǔ)器U8為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。二次儀表的通訊接口電路有二U9為二次儀表和外部總線的接口電路，和PC機(jī)的通訊通過(guò)USB口來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，二次儀表的鍵盤輸入和打印輸出也使用USB接口。U0-4、U0-5是二次儀表的電源電路。
權(quán)利要求1.一種近紅外濕度測(cè)量?jī)x，該濕度測(cè)量?jī)x包括測(cè)量頭、二次儀表以及連接測(cè)量頭和二次儀表的外部總線，其特征在于，所述測(cè)量頭依次包括兩個(gè)電調(diào)制的近紅外光源(1)、兩片干涉濾光片(2)、一個(gè)半反半透鏡(3)、待測(cè)氣體充滿其中的開(kāi)放式氣室(4)、會(huì)聚透鏡(6)、光電探測(cè)器(7)和后繼處理電路；其中的兩個(gè)電調(diào)制近紅外光源(1)的光路相互垂直，半反半透鏡(3)在兩垂直相交光路的角平分線上，透過(guò)半反半透鏡(3)的光線和經(jīng)半反半透鏡(3)反射的光線均透過(guò)開(kāi)放式氣室(4)、會(huì)聚透鏡(6)，而照射到光電探測(cè)器(7)上；后續(xù)處理電路對(duì)該光電探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大、A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過(guò)外部總線上傳給二次儀表處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近紅外濕度測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述電調(diào)制的近紅外光源(1)為集成化的紅外光源，該光源中集成有反射鏡、熱敏電阻和電制冷器；所述光電探測(cè)器(7)為集成化的探測(cè)器，該探測(cè)器中集成有反射鏡、光敏元件、熱敏電阻和電制冷器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的近紅外濕度測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述后繼處理電路依次集成有放大模塊、A/D轉(zhuǎn)換器(U2-1)、8位單片機(jī)(U1)和存儲(chǔ)器(U3)，以及通訊接口電路(U4)和電源電路(U0)；其中放大模塊把從光電探測(cè)器(7)輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，通訊接口電路(U4)與外部總線相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的近紅外濕度測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述二次儀表以32位嵌入式單片機(jī)為核心，集成了自動(dòng)時(shí)鐘、LCD顯示、鍵盤輸入、打印輸出電路，以及非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和通訊接口電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的近紅外濕度測(cè)量?jī)x，其特征在于，所述二次儀表以32位嵌入式單片機(jī)為核心，集成了自動(dòng)時(shí)鐘、LCD顯示、鍵盤輸入、打印輸出電路，以及非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和通訊接口電路。
專利摘要一種近紅外濕度測(cè)量?jī)x，該濕度測(cè)量?jī)x包括測(cè)量頭、二次儀表以及連接測(cè)量頭和二次儀表的外部總線。測(cè)量頭依次包括兩個(gè)電調(diào)制集成化的近紅外光源、兩片干涉濾光片、一個(gè)半反半透鏡、待測(cè)氣體充滿其中的開(kāi)放式氣室、會(huì)聚透鏡、光電探測(cè)器和后繼處理電路。其中的二次儀表以32位嵌入式單片機(jī)為核心，集成了自動(dòng)時(shí)鐘、LCD顯示、鍵盤輸入、打印輸出電路，以及非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和通訊接口電路。本實(shí)用新型測(cè)量精度高、反應(yīng)時(shí)間短；省去了存在于現(xiàn)有裝置中的機(jī)械式斬波器，具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好優(yōu)點(diǎn)；既能單機(jī)工作，也能實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量；可廣泛地應(yīng)用于氣象部門、倉(cāng)貯系統(tǒng)、食品加工、煙草工業(yè)等行業(yè)或領(lǐng)域。
文檔編號(hào)G01N21/31GK2826409SQ20052000989
公開(kāi)日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2005年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月2日
發(fā)明者郭永彩, 高潮, 陳釗 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)