本發(fā)明涉及一種用于石英諧振式露點(diǎn)傳感器的自動測試與控制系統(tǒng)，它是一種由溫度測量模塊、溫度控制模塊、敏感電路模塊以及處理器構(gòu)成的自動測試與控制系統(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)過程中很多場合需要對氣體濕度進(jìn)行控制，濕度檢測是氣體或壓縮空氣質(zhì)量等級控制和完善氣源系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，因此要求精密測量氣體的濕度，而且，最好采用一次檢測方式測量，即既不是采用傳感器的二次檢測法，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)慣使用的是相對濕度、絕對濕度、露(霜)點(diǎn)溫度等。其中，露點(diǎn)溫度的測量已被國際公認(rèn)為最精密的濕度測量方法，世界各國實(shí)際的濕度量值傳遞都是通過露點(diǎn)溫度來實(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，冷卻到飽和時的溫度，形象地說，就是空氣中的水蒸氣變?yōu)槁吨闀r候的溫度。透過露點(diǎn)就可以知道空氣中水汽含量，因而露點(diǎn)是一項(xiàng)絕對濕度的指標(biāo)。露點(diǎn)測量其關(guān)鍵技術(shù)在于露點(diǎn)的探測與識別。目前主要的高精度的露點(diǎn)識別技術(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)體制冷方法使被測氣體中的水蒸氣開始出現(xiàn)露或霜，測量此時的溫度，即為該氣體的露(霜)點(diǎn)。它的識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)溫度的跟蹤測量。此原理制作的露點(diǎn)測量裝置，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)測量，價(jià)格高昂。

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

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石英諧振式露點(diǎn)傳感器的自動測試與控制系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)傳感器對露點(diǎn)的識別與自動跟蹤控制。本系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、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)傳感器的自動測試與控制系統(tǒng)，它是一種由傳感器探測模塊、敏感電路模塊、處理器模塊、溫度測量模塊以及溫度控制模塊構(gòu)成的自動測試與控制系統(tǒng)；它們之間的關(guān)系是：傳感器探測模塊中的石英晶片與敏感電路模塊相連實(shí)現(xiàn)對被測物理量的感知，并轉(zhuǎn)換為可被處理器模塊采集的電信號；溫度測量模塊首先跟傳感器探測模塊里的鉑熱電阻相連，然后溫度測量模塊的信號輸出端與處理器模塊的溫度測量模塊輸入端相連；敏感電路模塊的信號輸出端與處理器模塊的信號采集端口相連；處理器模塊的電壓信號輸出端與溫度控制模塊的電壓信號輸入端相連以實(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模塊中的半導(dǎo)體制冷器相連對其進(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)申請了發(fā)明專利(申請?zhí)枺?01611183488.1)；它的作用是主動制造和識別露點(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)申請發(fā)明專利并獲得專利權(quán)(專利號：ZL201410727790.3)；其作用是給傳感器探測模塊結(jié)構(gòu)中的石英晶片提供驅(qū)動，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特征是當(dāng)石英晶片電極表面處于干燥狀態(tài)，電路會輸出一個高電平信號，當(dāng)石英晶片電極表面有結(jié)露產(chǎn)生，電路就會輸出一個低電平信號；

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，在整個測控系統(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)一個電阻R4，管腳9＇與接地端之間串聯(lián)一個電容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)一個電阻R2，管腳23＇與電源正極之間串聯(lián)一個電阻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)傳感器的自動測試與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過半導(dǎo)體制冷器對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，同時由于石英晶片表面相態(tài)的不同會導(dǎo)致敏感電路輸出的信號成為間歇式的高低電平信號，高電平對應(yīng)干燥狀態(tài)，低電平對應(yīng)結(jié)露狀態(tài)，高低電平信號又作為控制半導(dǎo)體制冷器制冷功率的反饋信號，以此循環(huán)形成一個雙閉環(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)。

附圖說明：

圖1本發(fā)明的自動測試與控制系統(tǒng)功能組成框圖。

圖2本發(fā)明的自動測試與控制系統(tǒng)電路。

圖中符號、代號說明如下:

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

STM32F103RET6單片機(jī)芯片管腳序號：1～64。

ADS1248IPWR芯片管腳序號：1＇～28＇。

功率放大芯片PA02的管腳序號：1＂～8＂。

具體實(shí)施方式：

見圖1,本發(fā)明一種用于石英諧振式露點(diǎn)傳感器的自動測試與控制系統(tǒng)，它是由傳感器探測模塊、敏感電路模塊、處理器模塊、溫度測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：傳感器探測模塊中的石英晶片與敏感電路模塊相連實(shí)現(xiàn)對被測物理量的感知，并轉(zhuǎn)換為可被處理器采集的電信號；溫度測量模塊首先跟傳感器探測模塊里的鉑熱電阻相連，然后溫度測量模塊的信號輸出端與處理器的溫度輸入端相連；敏感電路的信號輸出端與處理器的信號采集端口相連；處理器的電壓信號輸出端與溫度控制模塊的電壓信號輸入端相連以實(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模塊中的半導(dǎo)體制冷器相連對其進(jìn)行溫度控制。

參照圖2，該自動測試與控制系統(tǒng)電路主要由四部分功能電路組成：

1)敏感電路已經(jīng)申請發(fā)明專利(專利號：ZL201410727790.3)。該電路是給傳感器探測模塊中的石英晶片提供驅(qū)動，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特征是當(dāng)石英晶片電極表面處于干燥狀態(tài)，電路會輸出一個高電平信號，當(dāng)石英晶片電極表面有結(jié)露產(chǎn)生，電路就會輸出一個低電平信號。

2)處理器電路是通過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與敏感電路的信號輸出端相連接；管腳55、56和57和溫度測量電路的輸出相連；管腳20與溫度控制電路的輸入端相連。

3)溫度測量電路，主要是通過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)一個阻值為10KΩ的精密電阻R4，管腳9＇與接地端之間串聯(lián)一個電容C1，C1為無極性固定電容，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)一個阻值為10KΩ的精密電阻R2，管腳23＇與電源之間串聯(lián)一個阻值為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。