近紅外溼度測量儀的製作方法
2023-04-26 19:31:41
專利名稱：近紅外溼度測量儀的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種測量氣體溼度的裝置，具體講是一種用近紅外分析技術對環境氣體進行溼度測量的裝置。
背景技術：
對環境氣體溼度的測量在工農業生產和國防建設中有十分重要意義，準確的氣體溼度測量可帶來較高的經濟和社會效益。利用各種物理和化學原理來測量環境溼度的方法很多，如蒸發法、溼度計法、電學法、化學法和譜吸收法等，但在眾多氣體物理參數中，溼度還受其它物理量的影響，實現對溼度的高精度測量還比較困難。目前，人們研製出了基本上述不同測量原理和方法的溼度傳感器，應用最為廣泛的溼度傳感器的原理是利用敏感元件的吸溼性，當其吸收不同質量的水分後，其物理參數如電阻、電容量等隨之變化，並將這種變化轉變成電信號輸出。利用這種原理製造出的傳感器存在響應時間長、精度還不夠高、溼滯效應大等不足；尤其在動態測量諸如管道內的高溫、高速流動的氣體溼度時，這些傳感器還無法用途，其應用受到了一些限制。
近紅外分析技術也是測量物質水分含量(包括環境氣體溼度)的有效方法和手段之一。相關文獻如林曉鷹在《中國儀器儀表》(2002.1)上撰寫的《近紅外水分儀的研製》中所披露的一種紅外水分儀；康秋鋒在《雲南冶金》(2002.8)上撰寫的《雙波段四光束紅外智能水分儀及應用》中所披露的一種紅外水分儀。然而，他們均採用了傳統紅外光源和光電探測器以及機械斬波器，使儀器複雜性和體積增大，抗幹擾能力弱，降低了儀器的穩定性；處理電路以8位單片機為核心，整機性能不高。
實用新型內容本實用新型的目的在於，針對上述背景技術中的不足，提出一種體積小、抗幹擾能力強、穩定性好和整機性能強的能測量氣體中的水分含量的近紅外溼度測量儀。
實現所述目的的是這樣一種近紅外溼度測量儀，該溼度測量儀包括測量頭、二次儀表(也稱為上位機)以及連接測量頭和二次儀表的外部總線，其改進之處是，測量頭依次包括兩個電調製的近紅外光源、兩片幹涉濾光片、一個半反半透鏡、待測氣體充滿其中的開放式氣室、會聚透鏡、光電探測器和後繼處理電路；其中的兩個電調製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，透過半反半透鏡的光線和經半反半透鏡反射的光線均透過開放式氣室、會聚透鏡，而照射到光電探測器上；後續處理電路對該光電探測器的輸出信號進行放大、A/D轉換後經過外部總線上傳給二次儀表處理。也就是說，通過電調製的兩個近紅外光源的出射光，分別經過幹涉濾光片(中心波長分別為一個是水蒸氣吸收帶的峰值波長λ＝1.94μm，另一個處於靠近λ且沒有水蒸氣吸收的地方λ0＝2.2μm)後，產生兩束單波長的光，通過半反半透鏡將二者合為一束測量光，形成雙波長單光束的紅外光；該測量光穿過開放式氣室構成的測量區域內的待測氣體，經透鏡的會聚最終照射到光電探測器上。然後，該光電探測器的輸出信號經過後續電路的處理並通過外部總線上傳給二次儀表處理。
測量時，兩個光源是在脈衝電信號的驅動下，交替發光的。這樣，在光電探測器上就分時得到兩個波長的光信號，從而分別獲得被測氣體對兩個波長的透過率。根據相關理論(Fowle於1912年首次提出)，這兩個波長對氣體透過率的比值是被測氣體水蒸氣含量的函數，從而通過計算得到絕對溼度值。如果知道被測氣體的溫度，則可進一步得到相對溼度值。
進一步的改進是，該電調製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、熱敏電阻和電製冷器；所述光電探測器為集成化的探測器，該探測器中集成有反射鏡、光敏元件、熱敏電阻和電製冷器。
更進一步的改進是，後繼處理電路依次集成有放大器、A/D轉換器、8位單片機和存儲器，以及通訊接口電路和電源電路。
再進一步的改進是，其中的二次儀表以32位嵌入式單片機為核心，集成了自動時鐘、LCD顯示、鍵盤輸入、列印輸出電路，以及非易失性數據存儲器和通訊接口電路。
與現有的裝置相比較，本實用新型有如下的優越性首先，由於本實用新型採用近紅外分析技術對溼度進行測量，精度高，相對溼度測量精度可達±1％；反應時間短，小於1秒。
其次，由於本實用新型中的近紅外光源採用了集成的電調製紅外光源，省去了存在於現有裝置中的機械式斬波器，這樣就消除了由機械式斬波器所帶來的缺陷，就能達到體積小、抗幹擾能力強和穩定性好這樣的設計目的；再者，由於本實用新型採用了模塊設計，即把測量頭和二次儀表分別設計、製造，再通過總線將二者連接起來，這樣，既能單機工作，也能實現分布式測量。
第四，由於本實用新型採用了32位單片機為核心的電路，使測量儀性能更高，智能化功能強，包括省電模式、實時時鐘、數據掉電保護、超大容量數據存儲深度等。可廣泛地應用於氣象部門、倉貯系統、食品加工、菸草工業等行業或領域。
以下結合附圖對本實用新型作進一步的說明。
圖1——本實用新型的系統連接框圖圖2——本實用新型的分布式測量工作方式的系統連接示意圖圖3——本實用新型的測量頭的光路圖圖4——本實用新型的光源驅動電信號的波形圖圖5——本實用新型的測量頭電路框圖圖6——實用新型的二次儀表電路框圖圖7——本實用新型的一個具體實施方案的測量頭電路圖圖8——本實用新型的一個具體實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施方式
一種近紅外溼度測量儀(參考圖1)，該溼度測量儀包括測量頭、二次儀表以及連接測量頭和二次儀表的外部總線。本實用新型的二次儀表具有自動時鐘、存儲、顯示和列印、通訊功能(也可以與現有的二次儀表相同)。其中的測量頭依次包括兩個電調製的近紅外光源1、兩片幹涉濾光片2、一個半反半透鏡3、待測氣體充滿其中的開放式氣室4、會聚透鏡6、光電探測器7和後繼處理電路；其中的兩個電調製近紅外光源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，透過半反半透鏡3的光線和經半反半透鏡3反射的光線均透過開放式氣室4、會聚透鏡6，而照射到光電探測器7上；後續處理電路對該光電探測器的輸出信號進行放大、A/D轉換後經過外部總線上傳給二次儀表處理。
從上述各器件的設置順序不難看出，本實用新型的測量頭有產生雙波長單光束的光路結構(參考圖3)。即電調製的兩個近紅外光源1的出射光，經過幹涉濾光片2(中心波長分別為一個是水蒸氣吸收帶的峰值波長λ＝1.94μm，另一個處於靠近λ且沒有水蒸氣吸收的地方λ0＝2.2μm)後，產生兩束單波長的光，通過半反半透鏡3將二者合為一束測量光，形成雙波長單光束的紅外光；該測量光穿過開放式氣室4構成的測量區域內的待測氣體5，經透鏡6的會聚最終照射到光電探測器上7。在本具體實施方式
中，待測氣體5在開放式氣室4內的測量長度L＝40mm。
測量時，兩個光源在脈衝電信號(參考圖4)的驅動下，交替發光，這樣在探測器上分時得到兩個波長的光信號，從而分別獲得被測氣體5對兩個波長的透過率。根據相關理論(Fowle於1912年首次提出)，這兩個波長對氣體透過率的比值是被測氣體5水蒸氣含量的函數，從而通過計算得到絕對溼度值。如果知道被測氣體的溫度，則可進一步得到相對溼度值。
以上披露的具體實施方式
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涉及的內容，與本總述相同的內容不贅述。
實施例1本例是在具體實施方式
之總述部分基礎上，涉及其中的近紅外光源1和光電探測器7的實例。本例的電調製近紅外光源1為集成化的紅外光源，該光源中集成有反射鏡、熱敏電阻和電製冷器，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定的特點，能夠對其實現2KHz頻率的電調製。本例的光電探測器7為集成化的探測器，該探測器中集成有反射鏡、光敏元件、熱敏電阻和電製冷器。
實施例2本例是在具體實施方式
之總述或者實施例1的基礎上，涉及其中的後繼處理電路的實例。本例的後繼處理電路(參考圖5)依次集成有放大模塊、A/D轉換器U2、8位單片機U1和存儲器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器7輸出的信號進行放大，通訊接口電路U4與外部總線連接。在本例中(參考圖7)，光電探測器輸出的電信號經過放大電路(採用和探測器相配套的模塊)、A/D轉換器U2-1後，其數據由單片機U1採集，並存放到存儲器U3中。在需要的時候，單片機U1將存儲器U3中的數據經過通訊接口電路U4通過外部總線傳送給二次儀表。測量頭還帶有單線式溫度傳感器U-T，其測量的數據用以計算相對溼度。在圖7中，U2-2為A/D轉換器U2-1的基準電壓產生電路，U0-1和U0-2是測量頭的電源電路，U0-3是光源的驅動模塊電路。
在本例的基礎上，可以組成多測量頭的分布式測量系統(參考圖2)。此時，二次儀表作為主機使用，對整個測量系統進行上位控制管理。
實施例3本例是在具體實施方式
之總述、實施例1或者實施例2的基礎上，涉及其中的二次儀表電路實例(參考圖6)。本例的二次儀表以32位嵌入式單片機為核心，集成了自動時鐘、LCD顯示、鍵盤輸入、列印輸出電路，以及非易失性數據存儲器和通訊接口電路。在本例中，32位嵌入式單片機片上集成有豐富的外圍電路，本例可利用的有實時時鐘、LCD控制和USB控制器等。二次儀表採集全部在線測量頭的測量值，存儲、顯示並列印，必要時也可將存儲的數據導出到PC機的資料庫中。如圖8所示，U5A、U5B和U5C為32位單片機，和SRAM存儲器U6-1、U6-2、NAND FLASH存儲器U6-3及程序存儲器U7構成一個嵌入式最小系統。大容量的FLASH存儲器U8為數據存儲器。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機的通訊通過USB口來實現。另外，二次儀表的鍵盤輸入和列印輸出也使用USB接口。U0-4、U0-5是二次儀表的電源電路。
權利要求1.一種近紅外溼度測量儀，該溼度測量儀包括測量頭、二次儀表以及連接測量頭和二次儀表的外部總線，其特徵在於，所述測量頭依次包括兩個電調製的近紅外光源(1)、兩片幹涉濾光片(2)、一個半反半透鏡(3)、待測氣體充滿其中的開放式氣室(4)、會聚透鏡(6)、光電探測器(7)和後繼處理電路；其中的兩個電調製近紅外光源(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，透過半反半透鏡(3)的光線和經半反半透鏡(3)反射的光線均透過開放式氣室(4)、會聚透鏡(6)，而照射到光電探測器(7)上；後續處理電路對該光電探測器的輸出信號進行放大、A/D轉換後經過外部總線上傳給二次儀表處理。
2.根據權利要求1所述的近紅外溼度測量儀，其特徵在於，所述電調製的近紅外光源(1)為集成化的紅外光源，該光源中集成有反射鏡、熱敏電阻和電製冷器；所述光電探測器(7)為集成化的探測器，該探測器中集成有反射鏡、光敏元件、熱敏電阻和電製冷器。
3.根據權利要求1或2所述的近紅外溼度測量儀，其特徵在於，所述後繼處理電路依次集成有放大模塊、A/D轉換器(U2-1)、8位單片機(U1)和存儲器(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器(7)輸出的信號進行放大，通訊接口電路(U4)與外部總線相連接。
4.根據權利要求1或2所述的近紅外溼度測量儀，其特徵在於，所述二次儀表以32位嵌入式單片機為核心，集成了自動時鐘、LCD顯示、鍵盤輸入、列印輸出電路，以及非易失性數據存儲器和通訊接口電路。
5.根據權利要求3所述的近紅外溼度測量儀，其特徵在於，所述二次儀表以32位嵌入式單片機為核心，集成了自動時鐘、LCD顯示、鍵盤輸入、列印輸出電路，以及非易失性數據存儲器和通訊接口電路。
專利摘要一種近紅外溼度測量儀，該溼度測量儀包括測量頭、二次儀表以及連接測量頭和二次儀表的外部總線。測量頭依次包括兩個電調製集成化的近紅外光源、兩片幹涉濾光片、一個半反半透鏡、待測氣體充滿其中的開放式氣室、會聚透鏡、光電探測器和後繼處理電路。其中的二次儀表以32位嵌入式單片機為核心，集成了自動時鐘、LCD顯示、鍵盤輸入、列印輸出電路，以及非易失性數據存儲器和通訊接口電路。本實用新型測量精度高、反應時間短；省去了存在於現有裝置中的機械式斬波器，具有體積小、抗幹擾能力強和穩定性好優點；既能單機工作，也能實現分布式測量；可廣泛地應用於氣象部門、倉貯系統、食品加工、菸草工業等行業或領域。
文檔編號G01N21/31GK2826409SQ20052000989
公開日2006年10月11日 申請日期2005年9月2日 優先權日2005年9月2日
發明者郭永彩, 高潮, 陳釗 申請人:重慶大學