一種充電樁性能測試裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種充電樁性能測試裝置，包括模擬電路系統(tǒng)、特征參量檢測電路、工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和溫濕度控制箱，所述模擬電路系統(tǒng)包括仿真電源和負(fù)載電路，仿真電源連接充電樁的輸入端，負(fù)載電路連接充電樁的輸出端，特征參量檢測電路檢測充電樁放電過程中的特征參量并發(fā)送給工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，所述溫濕度控制箱控制放電過程中充電樁周圍環(huán)境的溫濕度，所述溫濕度控制箱包括箱體、溫濕度傳感器、制熱設(shè)備、制冷設(shè)備、加濕設(shè)備和除濕設(shè)備。對充電樁放電過程中的基本特征參量進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)充電樁入網(wǎng)前的性能檢測，保證其安全性能。
【專利說明】
一種充電樁性能測試裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于汽車充電設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種充電粧性能測試裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，電動汽車發(fā)展態(tài)勢迅猛，電動汽車充電設(shè)施建設(shè)作為電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展 的基礎(chǔ)和保障，同樣發(fā)展迅速。充電機(jī)作為電動汽車充電設(shè)施的核心設(shè)備，其性能優(yōu)劣關(guān)系 到電動汽車充放電安全，同時(shí)作為終端配用電設(shè)備，其性能好壞也會對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn) 行產(chǎn)生影響，因此隨著電動汽車充電設(shè)施建設(shè)的日益擴(kuò)大，充電機(jī)的入網(wǎng)檢測工作日趨重 要。
[0003] 另外，充電粧設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行需要保證其變壓器工作在一定溫度范圍內(nèi)，充電粧柜 體內(nèi)的濕度和溫度能控制在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，變壓器是充電粧的主要設(shè)備，其運(yùn)行期間會產(chǎn)生 熱量，一部分可以散發(fā)到環(huán)境中，另一部分則用于為變壓器本身加熱，若不能及時(shí)散熱導(dǎo)致 變壓器溫度過高則可能降低變壓器使用壽命甚至能損壞變壓器。充電粧的二次設(shè)備也就是 充電粧柜內(nèi)的設(shè)備大都是弱電控制強(qiáng)電的設(shè)備，這些電子設(shè)備若長期暴露在野外的高濕環(huán) 境條件下時(shí)，極易產(chǎn)生腐蝕或老化、電氣設(shè)備及線路的爬電現(xiàn)象。因此，監(jiān)控變壓器溫度和 配電柜內(nèi)濕度成為保證風(fēng)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的重點(diǎn)之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)以上現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提出一種充電粧性能測 試裝置，通過模擬充電粧的充放電網(wǎng)絡(luò)并檢測各輸入輸出側(cè)的電壓、電流功率值，測試充電 粧的工作性能。
[0005] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種充電粧性能測試裝置，包 括模擬電路系統(tǒng)、特征參量檢測電路、工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和溫濕度控制箱，所述模擬電路系統(tǒng) 包括仿真電源和負(fù)載電路，仿真電源連接充電粧的輸入端，負(fù)載電路連接充電粧的輸出端， 特征參量檢測電路檢測充電粧放電過程中的特征參量并發(fā)送給工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，所述溫濕 度控制箱控制放電過程中充電粧周圍環(huán)境的溫濕度，所述溫濕度控制箱包括箱體、溫濕度 傳感器、制熱設(shè)備、制冷設(shè)備、加濕設(shè)備和除濕設(shè)備。
[0006] 所述負(fù)載電路包括直流阻性負(fù)載、逆變器和短路連接，充電粧輸出端通過多路接 觸器分別連接至各路負(fù)載，逆變器連接至電網(wǎng)。所述特征參量檢測系統(tǒng)包括功率分析儀、電 能質(zhì)量分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀和示波器。所述溫濕度控制箱包括半導(dǎo)體檢測單元、二次轉(zhuǎn)換單 元和信號處理單元，半導(dǎo)體檢測單元包括兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片R el和Re2，半導(dǎo)體應(yīng)變片Rel和Re2 設(shè)在半徑為rQ的圓形膜片上，圓形膜片設(shè)在U型支座上，膜片與U型支座間形成一個(gè)干燥的 空氣密封腔，兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片受到膜片內(nèi)外兩側(cè)的壓力差和溫度激勵作用下輸出電阻響 應(yīng)，二次轉(zhuǎn)換單元將電阻響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為脈寬信號，信號處理單元通過數(shù)據(jù)解耦分離出溫 度、濕度和相對濕度數(shù)據(jù)。所述的半導(dǎo)體應(yīng)變片R el設(shè)置在圓心位置，Re2設(shè)置在膜片〇.89r〇的 圓上，兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片在氣壓激勵下各自產(chǎn)生的電阻增量數(shù)值相同，正負(fù)相反。所述二次 轉(zhuǎn)換單元包括兩個(gè)相同的脈沖信號轉(zhuǎn)換電路，一個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片對應(yīng)連接一個(gè)脈沖信號轉(zhuǎn) 換電路，脈沖信號轉(zhuǎn)換電路包括555定時(shí)器、電阻R和電容C，電阻R連接在555定時(shí)器的2號引 腳和3號引腳之間，電容C連接在555定時(shí)器的2號引腳上，2號引腳和6號引腳短接，3號引腳 和7號引腳短接，555定時(shí)器的7號引腳輸出脈寬信號到信號處理單元。所述脈沖信號轉(zhuǎn)換電 路的脈寬轉(zhuǎn)換公式為τ = 1η2 · C · R，式中τ為輸出脈寬，R是電路接收的半導(dǎo)體應(yīng)變片的電 阻響應(yīng)值，C為云母標(biāo)準(zhǔn)電容，脈寬輸出τ與各自所接電阻R成正比。所述圓形膜片根據(jù)半導(dǎo) 體檢測單元中的兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變變化分為正應(yīng)變片區(qū)和負(fù)應(yīng)變片區(qū)，以半徑 0.63r〇的同心圓為界。所述信號處理單元中設(shè)有GPS單元和大氣壓數(shù)值表，GPS單元連接在 信號處理單元上用來定位傳感器安裝點(diǎn)的經(jīng)煒度，查詢安裝點(diǎn)的大氣壓數(shù)值。所述信號處 理單元中設(shè)有溫度飽和水汽分壓表，信號處理單元通過當(dāng)前溫度值調(diào)用相應(yīng)的飽和水汽分 壓值。
[0007] 本發(fā)明有益效果是:對充電粧放電過程中的基本特征參量進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)充電粧 入網(wǎng)前的性能檢測，保證其安全性能。本發(fā)明提供的溫濕度壓力傳感器，彈性元件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 簡單、易于實(shí)施。通過溫度和壓差的激勵，分離出溫度和壓力的響應(yīng)結(jié)果。通過數(shù)據(jù)運(yùn)算，分 解出溫度和壓力數(shù)據(jù)，進(jìn)一步求取濕度，利用一種傳感器求解了多種環(huán)境因子，相較于傳統(tǒng) 的傳感器只能采集一種單一的數(shù)據(jù)，有較大的改進(jìn)。
【附圖說明】
[0008] 下面對本說明書附圖所表達(dá)的內(nèi)容及圖中的標(biāo)記作簡要說明：
[0009] 圖1是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
[0010] 圖2是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的傳感器中應(yīng)變片的安裝示意圖。
[0011] 圖3是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012] 圖4是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的應(yīng)變片的應(yīng)變分布圖。
[0013]圖5是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的傳感器工作原理結(jié)構(gòu)框圖。
[0014] 圖6是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的傳感器的信號流程框圖。
[0015] 圖7是本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】的脈寬信號轉(zhuǎn)換電路圖。
[0016] 其中，1為U型支座，2為空腔，3為膜片，4為半導(dǎo)體應(yīng)變片R61，5為半導(dǎo)體應(yīng)變片R62。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 下面對照附圖，通過對實(shí)施例的描述，本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】如所涉及的各構(gòu)件 的形狀、構(gòu)造、各部分之間的相互位置及連接關(guān)系、各部分的作用及工作原理、制造工藝及 操作使用方法等，作進(jìn)一步詳細(xì)的說明，以幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思、技 術(shù)方案有更完整、準(zhǔn)確和深入的理解。
[0018] 本發(fā)明的充電粧性能測試裝置包括模擬電路系統(tǒng)、特征參量檢測電路和工控機(jī)監(jiān) 控系統(tǒng)，模擬電路系統(tǒng)是模擬充電粧的工作環(huán)境及其運(yùn)行情況，通過調(diào)節(jié)仿真電源和負(fù)載 來模擬各種運(yùn)行工況，達(dá)到對充電粧進(jìn)行一個(gè)全面檢測的目的，這個(gè)過程中，由于環(huán)境的溫 濕度對充電粧的性能和施使用壽命有較大的影響，因此，本發(fā)明的測試裝置還包括溫濕度 控制箱，將工作環(huán)境的溫濕度控制在一定的范圍內(nèi)，消除溫濕度對其他參量測量的影響。
[0019] 模擬電路系統(tǒng)包括仿真電源和負(fù)載電路，仿真電源作為充電粧的輸入端，在充電 粧的標(biāo)準(zhǔn)充電電壓的±15%范圍內(nèi)可調(diào)，模擬電網(wǎng)變化。充電粧的輸出側(cè)連接負(fù)載電路，負(fù) 載電路可以包括多種負(fù)載，通過多路接觸器來實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載的切換，包括直流阻性負(fù)載，或 者是將充電粧的正負(fù)輸出端短路，檢測短路后，充電粧的保護(hù)功能，或者將逆變器作為充電 粧的負(fù)載，通過逆變器并網(wǎng)，將電能反饋給電網(wǎng)，使用阻性負(fù)載模擬電動汽車的蓄電池，將 消耗大量的電能，使用逆變器并網(wǎng)，可節(jié)約能源。
[0020]特征參量檢測系統(tǒng)是在充電粧工作的過程中，利用傳感器等設(shè)備測量充放電過程 中的特征參量，通過特征參量來評價(jià)充電粧的性能，特征參量包括充電粧輸入輸出側(cè)的電 壓電流值、輸入端的諧波電流、輸出的軟啟動時(shí)間以及紋波電壓。本發(fā)明采用功率分析儀測 量輸入輸出側(cè)的電壓電流值，用電能質(zhì)量分析儀測量充電粧輸入端的諧波電流，用數(shù)據(jù)記 錄儀測量充電粧輸出的軟啟動時(shí)間，用示波器檢測充電粧的紋波電壓。
[0021 ]工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)線連接接口板卡通信，接口板卡連接至特征參量檢測系 統(tǒng)中的各檢測儀器，包括電壓電流傳感器、電能質(zhì)量分析儀等。工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是遠(yuǎn) 程監(jiān)控各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行情況。
[0022] 上述的溫濕度控制箱包括箱體、溫濕度傳感器、制熱設(shè)備、制冷設(shè)備、加濕設(shè)備和 除濕設(shè)備，制熱設(shè)備、制冷設(shè)備、加濕設(shè)備和除濕設(shè)備配合傳感器的檢測實(shí)現(xiàn)對充電粧工作 環(huán)境因子的控制。制熱設(shè)備是電阻絲導(dǎo)電后在封閉的試驗(yàn)箱內(nèi)產(chǎn)生熱量，實(shí)現(xiàn)溫度的升高。 制冷設(shè)備采用蒸汽壓縮制冷，其原理是利用氟利昂等液體的蒸發(fā)吸熱從被冷卻物體中吸熱 而實(shí)現(xiàn)制冷。加濕設(shè)備是利用水盤力的電熱管進(jìn)行加熱產(chǎn)生蒸汽，然后蒸汽進(jìn)入試驗(yàn)箱中， 使得箱內(nèi)的空氣加濕。除濕設(shè)備是將空氣抽入除濕設(shè)備內(nèi)，通過熱交換器，此時(shí)空氣中的水 分子冷凝成水珠，處理過后的干燥空氣排到充電粧內(nèi)，如此循環(huán)使充電粧內(nèi)的濕度保持在 適宜的相對濕度。
[0023] 本發(fā)明提供的空氣溫濕度傳感器使用解析法從多種激勵因素中分離出相應(yīng)的轉(zhuǎn) 換響應(yīng)，設(shè)計(jì)了一種由彈性膜片和U型支座組成的溫濕度傳感器，彈性膜片和U型支座間形 成一個(gè)干燥空氣密封腔，在膜片外表的圓心和靠周邊的合適位置各配置了一個(gè)半導(dǎo)體應(yīng) 變片。以此裝置來接收空氣中的多種激勵信息，再經(jīng)過二次變換和信號處理后，就可得到溫 度，相對濕度和大氣壓等數(shù)據(jù)信息。該裝置沒有傳統(tǒng)濕敏元件的時(shí)滯長、不穩(wěn)定性和難以維 護(hù)保養(yǎng)的問題，在惡劣環(huán)境中能保持轉(zhuǎn)換精度和長期穩(wěn)定性，且便于維護(hù)。本發(fā)明的溫濕度 傳感器只用應(yīng)變電阻傳感器以轉(zhuǎn)換多種大氣狀態(tài)參數(shù)，相比于傳統(tǒng)的溫濕度傳感器，實(shí)現(xiàn) 了單一的敏感結(jié)構(gòu)具有多種轉(zhuǎn)換功能的設(shè)計(jì)方法。
[0024]所述溫濕度傳感器包括半導(dǎo)體檢測單元、二次轉(zhuǎn)換單元和信號處理單元，半導(dǎo)體 檢測單元中設(shè)有兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片Rel和Re2安裝在半徑為r〇的圓形膜片上，半導(dǎo)體應(yīng)變片受 壓電阻發(fā)生變化輸出電阻響應(yīng)，二次轉(zhuǎn)換單元接收半導(dǎo)體檢測單元的輸出信號，將電阻響 應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為脈寬信號，信號處理單元解耦分析二次轉(zhuǎn)換單元的輸出信號，分離出溫度、相 對濕度和大氣壓數(shù)據(jù)。
[0025]所述半導(dǎo)體檢測單元中，兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片在氣壓激勵下各自產(chǎn)生的電阻增量數(shù) 值相同，正負(fù)相反，其中一個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片安裝在圓心位置，另一個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片安裝在半 徑0.89Π )的同心圓的位置上。所述二次轉(zhuǎn)換單元包括兩個(gè)相同的脈沖信號轉(zhuǎn)換電路，一個(gè) 半導(dǎo)體應(yīng)變片對應(yīng)連接一個(gè)脈沖信號轉(zhuǎn)換電路，脈沖信號轉(zhuǎn)換電路包括555定時(shí)器、電阻R 和電容C，電阻R連接在555定時(shí)器的2號引腳和3號引腳之間，電容C連接在555定時(shí)器的2號 弓丨腳上，2號引腳和6號引腳短接，3號引腳和7號引腳短接，555定時(shí)器的7號引腳輸出脈寬信 號連接到信號處理單元。所述脈沖信號轉(zhuǎn)換電路的脈寬轉(zhuǎn)換公式為τ = 1η2 · C · R，式中τ為 輸出脈寬，R是電路中的電阻，C為云母標(biāo)準(zhǔn)電容，脈寬輸出τ與各自所接電阻R成正比。所述 圓形膜片根據(jù)半導(dǎo)體檢測單元中的兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變變化分為正應(yīng)變片區(qū)和負(fù)應(yīng) 變片區(qū)，以半徑0.63Π )的同心圓為界。所述信號處理單元中設(shè)有GPS單元和大氣壓數(shù)值表， GPS單元連接在信號處理單元上用來定位傳感器安裝點(diǎn)的經(jīng)煒度，查詢安裝點(diǎn)的大氣壓數(shù) 值。所述信號處理單元中設(shè)有溫度飽和水汽分壓表，信號處理單元利用溫度調(diào)用相應(yīng)的飽 和水汽分壓值。所述集成溫度相對濕度傳感器設(shè)置在圓柱形的U型支座1上，圓形膜片3設(shè)置 在U型支座1的上表面，圓形膜片3選用黃銅膜片，U型支座1和黃銅膜片之間設(shè)有空氣密封腔 2，兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片(包括4和5)安裝在黃銅膜片的表面。
[0026]所述信號處理單元利用大氣中水蒸氣分壓力與敏感電阻之差，經(jīng)二次變換后的脈 寬及其對始終頻率的計(jì)數(shù)之差成正比，大氣環(huán)境溫度與敏感元件的計(jì)數(shù)之和呈單值對應(yīng)函 數(shù)關(guān)系，計(jì)算出應(yīng)變片所受差壓值、水蒸氣分壓值和溫度值。所述信號處理單元利用溫度飽 和水汽分壓表，利用溫度值調(diào)用相應(yīng)的飽和水汽分壓值，根據(jù)相對濕度的公式計(jì)算出相對 濕度。
[0027] 本發(fā)明的溫濕度傳感器檢測模塊的具體檢測方法如下：步驟一、連接安裝傳感器 電路；步驟二、調(diào)整兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片的安裝位置，使兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片受氣壓激烈作用 產(chǎn)生的電阻增量相等，正負(fù)相反;步驟三、半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化量輸入到二次轉(zhuǎn)換單元 進(jìn)行脈寬轉(zhuǎn)換，輸出脈寬信號；步驟四、信號處理單元接收二次轉(zhuǎn)換單元輸出的脈寬信號， 利用道爾頓定律、應(yīng)變片原理和解析法分析半導(dǎo)體應(yīng)變片的變化量、溫度和水蒸氣分壓數(shù) 據(jù)，計(jì)算出待測點(diǎn)的相對濕度和大氣壓值。
[0028] 所述信號處理單元利用大氣中水蒸氣分壓力與敏感電阻半導(dǎo)體應(yīng)變片之差，經(jīng)二 次變換后的脈寬及其對始終頻率的計(jì)數(shù)之差成正比，大氣環(huán)境溫度與敏感電阻的計(jì)數(shù)之和 的對數(shù)成反比關(guān)系，計(jì)算出應(yīng)變片所受差壓值A(chǔ) Ρ、水蒸氣分壓Pw和溫度值t。所述信號處理 單元利用溫度飽和水汽分壓表，根據(jù)溫度值調(diào)用相應(yīng)的飽和水汽分壓值，根據(jù)相對濕度的 公式
十算出相對濕度，式中Φ為相對濕度，Pws為大氣壓中在某一溫度下的飽和 水汽分壓力。下文通過公式推導(dǎo)詳述本發(fā)明的溫濕度傳感器檢測溫度、濕度以及氣壓值的 過程。一、大氣狀態(tài)參數(shù)
[0029]道爾頓定律指出，混合大氣的總壓力等于各組成氣體的分壓力之和，如公式（1)所 示：
[0030] PM=Pd+Pw(Pa) (1)
[0031] 式中PM(Pa)為混合氣體的總壓力，Pd(Pa)為干燥大氣的分壓力，Pw(Pa)為空氣中所 含水蒸氣分壓力，其中Pw在Pm占最大份額，為5%左右，故Pm和Pd壓力均比較接近標(biāo)準(zhǔn)大氣 壓。
[0032] 相對濕度Cp(RH%)的公式為
（2)
[0033] 式中Ψ表示相對濕度，Pws為大氣壓在某一溫度下，飽和水汽分壓力(Pa)，它隨溫度 而變，可通過已知溫度查表或由回歸擬合曲線方程求得。由公式（1)可得，若通過儀表能測 出差壓P M-Pd，即可計(jì)算出Pw，再以所測溫度，在濕空氣密度、水蒸氣壓力、含濕量對照表中找 至丨JPws，便可由公式(2)算出相對濕度φ(RH% )。
[0034] 二、應(yīng)變片及其轉(zhuǎn)換特性
[0035] 傳感器中應(yīng)變片的安裝示意圖如圖4所示，傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示，應(yīng)變 片的轉(zhuǎn)換特性及應(yīng)變分布如圖4所示。溫濕度傳感器為圓柱狀結(jié)構(gòu)，外殼包括U型支座1和圓 形膜片3,圓形膜片3覆蓋在U型支座1上，二者之間形成一個(gè)空氣密封腔3,兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變 片安裝在圓形膜片3上，通過測量半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化計(jì)算出溫濕度傳感器安裝環(huán)境 中的溫度、相對濕度和大氣壓數(shù)據(jù)。
[0036] 混合大氣壓Pm均勻作用于彈性膜片的外表面，于是膜片兩側(cè)的差壓為：
[0037] Δ p = pM-pre = pw+pd-pre(pa) (3)
[0038] 式中Pre = 4 · IO4(Pa)為密封腔中設(shè)定的參照壓力，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值為Pd=101325 (Pa)，從而可算出大氣中水汽分壓力Pw(Pa)。
[0039] 在差壓ΔΡ作用下，膜片表面上應(yīng)力和應(yīng)變的分布如下式所示：
[0040] 徑向應(yīng)戈 (4)
[0041 ]徑向應(yīng)5 (5)
[0042] 式（4)和（5)中，本友明選用弾性較奸的萸锏膜片，E(Pa)為膜片弾性模量，約為7* 101QPa，μ為泊松比，約為0.33，r〇為圓形膜片3的外半徑40(mm)，h為圓形膜片3的膜片厚度 0· l(mm)，b為U型支座1的厚度5(mm)，U型支座1的高度為10(mm)，Δ P為作用在膜片兩側(cè)的差 壓(Pa)，r(mm)為應(yīng)變片位置的半徑。
[0043] 若將已知常數(shù)代入(4)式，可得圓心應(yīng)力〇1=〇 = 8*104*么？(？￡1) (6)。
[0044] 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)Κε和轉(zhuǎn)換特性如公式(7)所示：
[0045]
(7)
[0046] 式中Ro為t = 0°C^Per = 0時(shí)應(yīng)變片電阻（Ω )，Κε約為125, ARe則為應(yīng)變片在er激勵
下電阻的亦#獸^〇〉、訟（6)式代入（7)可得：
[0047] (8；
[0048] 右將L· = /WlTTa代入式可知，應(yīng)變片所能輸出的相對電阻變化，在最大量程下也 只有HT2量級，故需在裝置中加入二次變換和信號處理電路，以獲取所需的靈敏度和分辨 力。
[0049]三、二次變換和信號傳送流程
[0050] 工作原理結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，溫濕度傳感器包括半導(dǎo)體檢測單元、二次轉(zhuǎn)換單 元、信號處理單元，半導(dǎo)體檢測單元中設(shè)有兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片，半導(dǎo)體應(yīng)變片受壓電阻發(fā)生 變化輸出電阻響應(yīng)，半導(dǎo)體檢測單元的輸出端連接二次轉(zhuǎn)換單元，二次轉(zhuǎn)換單元接收半導(dǎo) 體檢測單元的輸出信號，二次轉(zhuǎn)換單元將電阻響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為脈寬信號，二次轉(zhuǎn)換單元的 輸出端連接信號處理單元，信號處理單元解耦分析二次轉(zhuǎn)換單元的輸出信號。
[0051] 信號流程框圖如圖6所示，二次轉(zhuǎn)換單元包括兩個(gè)相同的脈沖信號轉(zhuǎn)換電路，脈沖 信號轉(zhuǎn)換電路由555定時(shí)器Cl和C2組成，二次轉(zhuǎn)換單元和信號處理單元還設(shè)有選通開關(guān)，選 用C3開關(guān)，信號處理單元主要組成為C4單片機(jī)。圖6中R el和Re2在Pw和t激勵下，各自產(chǎn)生不同 的辦和辦響應(yīng)，它們經(jīng)兩個(gè)相同的脈沖信號轉(zhuǎn)換電路的Cl、C2芯片555變換后，各自產(chǎn)生^和 T2(S)脈寬輸出，該脈寬信號經(jīng)C3開關(guān)選通后再送至C4單片機(jī)進(jìn)行信號處理。脈沖信號轉(zhuǎn) 換電路如圖7所示，電阻R連接在C定時(shí)器555的2號引腳和3號引腳之間，電容C連接在555定 時(shí)器的2號引腳上，2號引腳和6號引腳短接，3號引腳和7號引腳短接，555定時(shí)器的7號引腳 輸出脈寬信號連接到信號處理單元。由于應(yīng)變片的不同，兩個(gè)脈沖電路中的電阻和輸出脈 寬可以用Rl和R2、Tl和T 2表示。
[0052] 脈寬轉(zhuǎn)換公式:τ = 1η2 · C · R(S)對應(yīng)到兩個(gè)脈沖信號轉(zhuǎn)換電路即為：
[0053] τι = 1η2 · Co · Ri(S) (9)
[0054] τ2 = 1η2 · Co · R2(S) (10)
[0055] 式中τ#Ρτ2為兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片對應(yīng)的兩路脈寬輸出信號，RjPR2為半導(dǎo)體應(yīng)變 片的電阻變化值計(jì)量單位為Ω，Co(F)為云母標(biāo)準(zhǔn)電容，約為0.72 X HT6F,上式表明脈寬輸 出與各自所接電阻Ri和R2成正比。
[0056] 四、在多因素輸入時(shí)，合成響應(yīng)的解耦處理
[0057]在^和^中隱含有水汽分壓Pw和溫度t兩種信息，如何能讓其在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中 分離，需通過數(shù)據(jù)解耦技術(shù)來實(shí)現(xiàn)信息分離和復(fù)原。
[0058] RjPR2電阻變化公式為：
[0059] .Ul
[0060] (12)
[0061 ] 式中辦=1000〇為基準(zhǔn)電阻;8 = 4850(1〇為半導(dǎo)體應(yīng)變片的阻溫系數(shù);1'() = 273(1〇 為參照溫度;T(K)為輸入溫度；△ Rei和△ Rd分別為Ri和R2在大氣壓力激勵下各自產(chǎn)生的電 阻增量。由以上兩式可知，如能讓A ―和ARe2數(shù)值相同，但正負(fù)相反，即（11)和（⑵式可變 成：
[0062] (13)
[0063] (14)
[0064]將以上兩式相減或相加，就可分離出Pw和t兩種輸入信息，即相加時(shí)Rl+R2 = ft(T)， 和相減時(shí)Rl-R2 = fE(P?〇,即和與差的結(jié)果只與單一輸入信息--對應(yīng)，ARe1 = -ARe2= Δ Re 〇
[0065] 參見圖1，整個(gè)膜片外表面在差壓Δ P作用下，以半徑r = 〇 . 63r〇為界，區(qū)分為正負(fù) 兩個(gè)應(yīng)變區(qū)?？繄A心部分內(nèi)圓為正ε區(qū)，而靠周邊外圓部分則為負(fù)ε區(qū)，在此兩個(gè)區(qū)域的合適 位置上，可以找到ε數(shù)值相等但極性相反的兩個(gè)點(diǎn)，其一在圓心處，η = 0,而另一點(diǎn)經(jīng)(5)式 計(jì)算為κ = 0.89Π )處。在此兩點(diǎn)上配置兩片性能相同的半導(dǎo)體應(yīng)變片，并讓其中心與膜片上 參照點(diǎn)重合，于是就實(shí)現(xiàn)了式（13)和（14)的定量關(guān)系。
[0066] 將式(13)加式(14)# (1:5)
[0067] 上式中已消除了ε信；g、/、」、K1+K2;m垔工tfJti兒，?^llUKiWJK2ar別聯(lián)接到555芯片的 充放電電路中，故已無法將RdPR2直接相加，此時(shí)就需經(jīng)過數(shù)據(jù)運(yùn)算處理來實(shí)現(xiàn)。若讓脈寬 在單片機(jī)中對時(shí)鐘頻率f ο計(jì)數(shù)，則有計(jì)數(shù)值NjPN2為：
[0068] Νι = τι . f〇 (16)
[0069] N2 = T2 · fo (17)
[0070] Ti+T2=(Ni+N2)/fo(S) (18)
[0071] 聯(lián)立以上公式，并經(jīng)過整理可得：
[0072]
(19)
[0073] 攝氏溫度：t = T_273(°C) (20)
[0074] 式中各常系數(shù)是在辦=1000 0,〇) = 7.2*10-乍和& = 101012條件下算出的。從1?1和 R2的二次轉(zhuǎn)換信息中分尚出應(yīng)變和水蒸氣分壓Pw等信息，將（13)式減去（14)式，可得
[0075] Rl-R2 = 2ARe = 2RoKe · ε( Ω ) (21)
[0076] 再利用T1-T2= (N1-N2VfQ和（5)、（9)、（10)式等聯(lián)立，經(jīng)整理可得，
[0077] ΔΡ = 1〇 · (Ni-N2)(Pa) (22)
[0078] 公式（19)和(22)即為傳感器的兩種輸入-輸出特性方程，均有足夠的靈敏度和分 辨力。已知cp (RH%) =Pw/p ，式中Pws可通過溫度t經(jīng)查表或下述回歸方程算出，
[0079] Pws = a · EXP(b · t)(Pa) (23)
[0080] 式中a為6.16(Pa)，b為0.064(1/°C)為擬合常數(shù)，于是得
[0081] PWS = 6.16 · EXP(0.064 · t)(Pa) (24)
[0082] 大氣壓力不是一個(gè)定值，隨著地區(qū)海拔高度的不同而存在差異，同時(shí)還隨季節(jié)溫 度變化而稍有改變，對Pw計(jì)算可近似地用下式描述：
[0083] Pw= AP+Pre-Bf(T)+h · 8.76(Pa) (25)
[0084] 式中h為當(dāng)?shù)睾０胃叨?m)，系數(shù)8.76(Pa/m)為大氣壓衰減斜率，f(T)為溫度修正 系數(shù)可經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)的擬合曲線而加以估算。由于在沿海地區(qū)冬夏氣壓變化比為 1.02,而在青海地區(qū)冬夏比僅為1.0026。均隨溫度下降而略有增加。故當(dāng)不考慮溫度微小影 響，且在沿海地區(qū)時(shí)，式(25)可簡化為：
[0085] Pw= Δ P+(Pre-B) = 10(Ni-N2) + (Pre-B) (Pa) (26)
[0086] 本發(fā)明解析過程的理論基礎(chǔ)之一是標(biāo)準(zhǔn)大氣壓為常數(shù)，實(shí)際的大氣壓隨當(dāng)?shù)睾０?高度而變，當(dāng)裝置使用地區(qū)海拔高度與參照高度差異較大時(shí)，公式(3)中Pd應(yīng)通過軟件予以 校正，以維持水汽分壓力的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度。所以本發(fā)明在信號處理單元中設(shè)有GPS單元和大 氣壓數(shù)值表，GPS單元連接在信號處理單元上用來定位傳感器安裝點(diǎn)的經(jīng)煒度，查詢安裝點(diǎn) 的大氣壓數(shù)值即傳感器中的干燥空氣腔內(nèi)的分壓力，結(jié)合信號處理單元計(jì)算出的大氣中水 蒸氣分壓力值，進(jìn)而利用公式（l):PM = Pd+Pw(Pa)計(jì)算出混合大氣的壓力值，即安裝點(diǎn)的壓 力值。
[0087] 至此，溫度、濕度、相對濕度的數(shù)值都能計(jì)算求解出來。本發(fā)明提供的溫濕度傳感 器具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)施。本發(fā)明中經(jīng)解析法得到：大氣中水蒸氣分壓力與敏感電阻之 差，即經(jīng)二次變換后的脈寬及其對始終頻率的計(jì)數(shù)之差，成正比，而大氣環(huán)境溫度則與敏感 元件的計(jì)數(shù)之和的對數(shù)成反比關(guān)系。本發(fā)明解析過程的理論基礎(chǔ)是物理大氣壓為常數(shù)，實(shí) 際的大氣壓隨當(dāng)?shù)睾０胃叨榷?，?dāng)裝置使用地區(qū)海拔高度與參照高度差異較大時(shí)，應(yīng)通 過軟件予以校正，以維持水汽分壓力的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換精度。
[0088]上面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行了示例性描述，顯然本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)并不受上述方式 的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種非實(shí)質(zhì)性的改進(jìn)，或未經(jīng)改 進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā) 明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書所限定的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種充電粧性能測試裝置，其特征在于，包括模擬電路系統(tǒng)、特征參量檢測電路、工 控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和溫濕度控制箱，所述模擬電路系統(tǒng)包括仿真電源和負(fù)載電路，仿真電源連 接充電粧的輸入端，負(fù)載電路連接充電粧的輸出端，特征參量檢測電路檢測充電粧放電過 程中的特征參量并發(fā)送給工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，所述溫濕度控制箱控制放電過程中充電粧周圍 環(huán)境的溫濕度，所述溫濕度控制箱包括箱體、溫濕度傳感器、制熱設(shè)備、制冷設(shè)備、加濕設(shè)備 和除濕設(shè)備。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電粧性能測試裝置，其特征在于，所述負(fù)載電路包括直流阻 性負(fù)載、逆變器和短路連接，充電粧輸出端通過多路接觸器分別連接至各路負(fù)載，逆變器連 接至電網(wǎng)。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電粧性能測試裝置，其特征在于，所述特征參量檢測系統(tǒng)包 括功率分析儀、電能質(zhì)量分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀和示波器。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的充電粧性能測試裝置，其特征在于，所述溫濕度控制箱包括半 導(dǎo)體檢測單元、二次轉(zhuǎn)換單元和信號處理單元，半導(dǎo)體檢測單元包括兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片R el (4)和fc2(5)，半導(dǎo)體應(yīng)變片Rel(4)和fc2(5)設(shè)在半徑為ro的圓形膜片（3)上，圓形膜片(3)設(shè) 在U型支座（1)上，膜片(3)與U型支座（1)間形成一個(gè)干燥的空氣密封腔(2)，兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng) 變片受到膜片(3)內(nèi)外兩側(cè)的壓力差和溫度激勵作用下輸出電阻響應(yīng)，二次轉(zhuǎn)換單元將電 阻響應(yīng)信號轉(zhuǎn)換為脈寬信號，信號處理單元通過數(shù)據(jù)解耦分離出溫度、濕度和相對濕度數(shù) 據(jù)。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的充電粧性能測試裝置，其特征在于，所述的半導(dǎo)體應(yīng)變片Ru (4)設(shè)置在圓心位置，fc2(5)設(shè)置在膜片(3)0.89π)的圓上，兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片在氣壓激勵下 各自產(chǎn)生的電阻增量數(shù)值相同，正負(fù)相反。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的充電粧性能測試裝置，其特征在于，所述二次轉(zhuǎn)換單元包括兩 個(gè)相同的脈沖信號轉(zhuǎn)換電路，一個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片對應(yīng)連接一個(gè)脈沖信號轉(zhuǎn)換電路，脈沖信 號轉(zhuǎn)換電路包括555定時(shí)器、電阻R和電容C，電阻R連接在555定時(shí)器的2號引腳和3號引腳之 間，電容C連接在555定時(shí)器的2號引腳上，2號引腳和6號引腳短接，3號引腳和7號引腳短接， 555定時(shí)器的7號引腳輸出脈寬信號到信號處理單元。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的充電粧性能測試裝置，其特征在于，所述脈沖信號轉(zhuǎn)換電路的 脈寬轉(zhuǎn)換公式為τ = 1η2 · C · R，式中τ為輸出脈寬，R是電路接收的半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻響 應(yīng)值，C為云母標(biāo)準(zhǔn)電容，脈寬輸出τ與各自所接電阻R成正比。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的充電粧性能測試裝置，其特征在于，所述圓形膜片（3)根據(jù)半 導(dǎo)體檢測單元中的兩個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變變化分為正應(yīng)變片區(qū)和負(fù)應(yīng)變片區(qū)，以半徑 0.63r〇的同心圓為界。9. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的充電粧性能測試裝置，其特征在于，所述信號處理單元中設(shè)有 GPS單元和大氣壓數(shù)值表，GPS單元連接在信號處理單元上用來定位傳感器安裝點(diǎn)的經(jīng)煒 度，查詢安裝點(diǎn)的大氣壓數(shù)值。10. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的充電粧性能測試裝置，其特征在于，所述信號處理單元中設(shè) 有溫度飽和水汽分壓表，信號處理單元通過當(dāng)前溫度值調(diào)用相應(yīng)的飽和水汽分壓值。
【文檔編號】G01R31/00GK105842558SQ201610169655
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年3月21日
【發(fā)明人】王軍
【申請人】安徽工程大學(xué)