CN207366101U - 一种温湿度测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种温湿度测量装置，所述装置包括发射腔室、反射镜座，发射腔室内设置一硬件电路，所述硬件电路与测温组件、测湿组件连接；所述测温组件包括超声发射器、超声接收器、球形凹面反射镜；所述测湿组件包括光电传感器、激光器、球形凹面反射镜；所述测温组件和测湿组件共用同一单片机和同一球形凹面反射镜。该装置基于超声测温技术和可调谐半导体激光吸收光谱技术，将测温组件、测湿组件固设于一个腔室内，共用一个球形凹面反射镜，整个装置结构简单，装配方便，具有灵敏度高、精度高、响应速度快等优点，可实现温度和湿度同步、高动态测量。

Description

一种温湿度测量装置

技术领域

本实用新型涉及温度、湿度测量技术领域，具体地说，涉及一种温湿度测量装置。

背景技术

湿度是指大气中水汽的含量，是影响空气环境品质的重要因素，通常采用相对湿度来表示。空气中相对湿度的大小会对环境中的人员以及物质产生相当大的影响。湿度与人们的生活息息相关，湿度过高或过低都会对人体产生影响，同时，湿度在生产中也起到了至关重要的作用，看似很小的湿度变化，也会对工业材料、工艺流程产生影响，带来许多质量问题。

因此，湿度检测在人类生产生活各方面都发挥着越来越重要的作用。目前，湿度测量和控制已经广泛应用于航空航天、微电子、原子能、石油化工、电力、气象等各相关行业，人们对湿度也越来越重视，世界各国都在不断更新改造其湿度标准，湿度测量也已成为国际标准化组织和国际有关技术委员会关注的焦点。

利用可调谐半导体激光吸收光谱技术测量水汽浓度具有灵敏度高、选择性好、响应速度快等优点，水汽浓度测量的响应频率可达几十赫兹，可以达到水汽浓度高动态测量的要求。

相对湿度是空气中的绝对湿度与同温度和气压下的饱和绝对湿度的比值，不同温度下空气中的饱和湿度值不同，相对湿度与温度密切相关，高动态的湿度测量需要高动态测量的温度数据做为支持。

目前主要的温度传感器，如热电偶、热电阻及热敏电阻温度计等的技术已经成熟，但只能在传统的场合应用，现有温湿度传感器中所用的温度探头响应速度慢，无法对环境温度进行高动态测量。

现有温湿度传感器的测湿部分采用聚合物高分子薄膜电容传感器，在使用中会出现低温分辨率低、高湿褪湿慢，测量误差大、响应时间长等问题，无法满足温湿度高精度、高动态测量的要求。

由此可见，将超声测温技术与可调谐半导体激光吸收光谱测量水汽浓度技术相结合，是高动态温湿度传感器目前亟需解决的关键问题。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型将超声波测温技术与可调谐半导体激光吸收光谱技术测量水汽浓度结合，提出一种温湿度测量装置。

超声波测温技术是根据超声波通过介质传播时的波速与介质温度有关这一原理来实现温度测量的。超声波测温技术响应速度快，结合可调谐半导体激光吸收光谱技术，可以实现环境温度和湿度的同步高动态测量。

本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种温湿度测量装置，包括发射腔室、反射镜座，所述发射腔室与反射镜座之间通过气室连通，其中：

发射腔室内设置一硬件电路，所述硬件电路与测温组件、测湿组件连接；

所述测温组件包括超声发射器5、超声接收器6、球形凹面反射镜10；

所述测湿组件包括光电传感器2、激光器9、球形凹面反射镜10；

所述测温组件和测湿组件共用同一单片机和同一球形凹面反射镜；

所述激光器9发射方向上设置一楔角窗口片4，所述楔角窗口片相对于激光器 9发射光方向倾斜设置，使发射光与所述楔角窗口片的入射角为锐角；

反射镜座内设置球形凹面反射镜10，所述激光器9的发射光经气室气体吸收后经球形凹面反射镜10反射至光电传感器2；

所述超声发射器5发出的超声波经球形凹面反射镜10反射后由超声接收器6 接收。

进一步，所述发射腔室内设置发射接收座8，用于固定测温组件、测湿组件。

进一步，所述激光器9位于所述球形凹面反射镜10的中心二倍焦距之外的位置，所述光电传感器2位于所述激光器9发射光经所述球形凹面反射镜10反射后的反射光路上。

进一步，所述楔角窗口片表面镀有允许指定频段光线通过的带通膜。

进一步，所述发射腔室内设置楔角窗口片支架3，用于将楔角窗口片4固定。

进一步，所述发射腔室内设置光电传感器座1、传感器外壳7，所述光电传感器2设置于光电传感器座1，所述光电传感器座1与传感器外壳7固定连接。

进一步，所述发射腔室内设置发射接收座8，所述超声发射器5、超声接收器6分布于光电传感器2、激光器9连线位置的两侧。

本实用新型所提供的一种温湿度测量装置，具有以下优点：

本装置将测温组件、测湿组件固设于一个腔室内，共用同一单片机和同一球形凹面反射镜，采用超声测温技术和可调谐半导体激光吸收光谱技术测量温度和水汽浓度，可以避免传统的温湿度传感器存在低温分辨率低、高湿褪湿慢，测量误差大、响应时间长等问题，具有灵敏度高、精度高、响应速度快等优点，可实现温度和湿度的同步高动态测量。且装置结构简单，装配方便，适于推广使用。

附图说明

图1是本实用新型所提出的一种温湿度测量装置的主视图；

图2是本实用新型所提出的一种温湿度测量装置的后视图；

图3是本实用新型所提出的一种温湿度测量装置的俯视图；

图4是本实用新型所提出的超声测温过程的流程图；

图5是本实用新型超声波飞渡时间、阈值比较、过零检测的波形图。

图中标号：

1、光电传感器座；2、光电传感器；3、楔角窗口片支架；4、楔角窗口片； 5、超声发射器；6、超声接收器；7、传感器外壳；8、发射接收座；9、激光器； 10、球形凹面反射镜。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施方式及附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-3所示，本实用新型的一种温湿度测量装置，包括发射腔室、反射镜座，所述发射腔室与反射镜座之间通过气室连通，其中：发射腔室内设置一硬件电路，所述硬件电路与测温组件、测湿度组件连接；所述测温组件包括超声发射器5、超声接收器6、球形凹面反射镜10；所述测湿度组件包括光电传感器2、激光器9、球形凹面反射镜10；所述测温组件和测湿组件共用同一单片机和同一球形凹面反射镜；所述激光器9发射方向上设置一楔角窗口片4，所述楔角窗口片相对于激光器9发射光方向倾斜设置，使发射光与所述楔角窗口片的入射角为锐角；反射镜座内设置球形凹面反射镜10，所述激光器9的发射光经气室气体吸收后经球形凹面反射镜10反射至光电传感器2；所述超声发射器5发出的超声波经球形凹面反射镜10反射后由超声接收器6接收。所述激光器9位于所述球形凹面反射镜10的中心二倍焦距之外的位置，所述光电传感器2位于所述激光器9发射光经所述球形凹面反射镜10反射后的反射光路上。所述楔角窗口片表面镀有允许指定频段光线通过的带通膜。所述发射腔室内设置楔角窗口片支架 3，用于将楔角窗口片4固定。所述发射腔室内设置光电传感器座1、传感器外壳7，所述光电传感器2设置于光电传感器座1，所述光电传感器座1与传感器外壳7固定连接。所述发射腔室内优选设置一发射接收座8，用于固定测温组件、测湿组件。

当一束激光通过被测气体时，如果激光发射光谱与气体吸收谱相重叠，输出光强会因被气体吸收而减弱，输出光强与输入光强之间满足比尔-朗伯定律。比尔-朗伯定律的物理意义是：当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。

本实施方式的可调谐半导体激光湿度测量装置即是采用上述原理，激光器9 发射激光通过气室照射到球形凹面反射镜10，球形凹面反射镜10将激光反射至光电传感器2，通过检测气室反射光强的变化来检测湿度。利用激光器的温度调谐和电流调谐特性，使激光频率在待测气体某一吸收峰附近扫描，同时对激光频率进行高频调制，根据频率调制的谐波信号与气体浓度的相关性进行检测。本实施方式的可调谐半导体激光湿度测量装置，采用可调谐半导体激光吸收光谱技术测量环境湿度，可以避免传统的化学式湿度传感器存在的问题，而且通过将激光器9和光电传感器2固设于所述气室的同一侧，可有效减少连线数量，且不需使用发射透镜、接收透镜和光阑，装置结构装配简单。

本实用新型的测温组件包括超声发射器5、超声接收器6、球形凹面反射镜10，一个优选方案中，所述发射腔室内所述超声发射器5、超声接收器6分布于光电传感器2、激光器9连线位置的两侧。且发射腔室内的超声发射器5、超声接收器6连线与球形凹面反射镜10平行。其测温过程利用的是超声波测温原理；

所述超声波测温原理为：声波在气体介质中的传播速度是该气体组成成分和绝对温度的函数，其关系可以表示为：

式中：c为声波在介质中的传播速度，m/s；R为理想气体普适常数，J/mol·K；γ为气体的绝对指数定压比热容与定容比热容之比值；T为气体温度，K；m为气体分子量，kg/mol；仅与空气特性有关，当介质不变时，Z为常数；

采用超声波测温的原因是：目前主要的温度传感器，如热电偶、热电阻及热敏电阻温度计等的技术已经成熟，但只能在传统的场合应用，现有温湿度传感器中所用的温度探头响应速度慢，无法实现对环境温度和湿度进行同步高动态测量。超声测温响应速度快，温度测量响应频率可达几十赫兹，与可调谐半导体激光吸收光谱技术结合可以实现温度和湿度的同步、高动态测量。

采用本实用新型的温湿度测量装置进行温湿度测量的步骤如下：

一、超声波测温：

参照图4，单片机主控芯片产生可以激发超声波信号的方波，同时单片机向专用计时芯片发送测量开始命令，超声发射器5发出超声波信号，穿过气室经球形凹面反射镜10反射后由超声接收器6接收，接收到的信号经过信号放大、带通滤波、自动增益、阈值比较和过零检测，由专用计时芯片测量出超声波的飞渡时间。再利用声速与温度的关系，经过数据处理计算出温度值。阈值比较采用动态阈值检测技术，根据检测波形的变化动态地调整设定的阈值，根据测得的波形信号的强弱采用自动增益控制技术动态地调整放大电路的放大倍数以使波形保持稳定。

其中阈值比较和过零检测过程为(参照图5)：

测试时间起点(T_start,0)：由单片机向专用计时芯片发送测量开始命令。

过零检测技术和阈值检测技术结合使用，当信号的幅值超过预先设定的阈值时，启动过零检测电路对信号的过零点进行检测。图5中虚线对应的幅值即为设定的阈值，在一个检测周期内，当信号幅值第一次达到设定阈值(a点)时，过零检测电路启动，检测到a点后的第一个过零点(b点)。(T_start,0)到过零点b的时间即为超声波飞渡时间。

超声波信号在传播的过程中容易受到气体扰动的影响，会导致测量得到的超声波信号的波形不稳定，采用动态阈值检测技术可以根据波形的变化动态地调整设定的阈值，并根据测量得到的波形信号的强弱采用自动增益控制技术动态地调整放大电路的放大倍数来保持波形稳定。

二、可调谐半导体激光吸收光谱技术测湿度：

步骤一、根据水分子的吸收光谱，驱动激光器发射激光信号，使激光频率在选定水分子吸收峰附近扫描；

步骤二、入射激光入射楔角窗口片，小部分入射光被反射偏离原先入射激光方向，大部分入射激光透过楔角窗口片进入气室，经气室内的水分子吸收后得到透射激光；

步骤三、透射激光照射到球形凹面反射镜，球形凹面反射镜将激光反射会聚至光电传感器，透射激光经光电传感器进行光/电转换后，获得透射激光电压信号；

步骤四、通过带通滤波、前置放大、锁相放大、低通滤波电路提取透射激光的一次谐波和二次谐波的幅值信号；其中，一次谐波信号是利用高频调制信号进行相移后作为锁相放大器的参考信号，经锁相放大、低通滤波得到一次谐波信号；二次谐波信号是利用高频调制信号的二倍频信号进行相移后作为锁相放大器的参考信号，经锁相放大、低通滤波得到二次谐波信号；

步骤五、利用数据处理系统找到二次谐波的峰值及其数据存储位置，并在对应的谱线位置处找到一次谐波信号中心值，以二次谐波峰值和一次谐波中心值之比作为系统输出，利用标准湿度发生器对传感器进行定标，根据二次谐波峰值和一次谐波中心值的比值与水汽浓度的关系计算出待测水汽浓度；数据处理系统根据超声测温技术测量得到的温度值对水汽浓度进行修正并计算相对湿度。

二次谐波峰值与水汽浓度成正比，一次谐波中心值与气体浓度无关，但与激光器光功率等有关，以二者比值测量水汽浓度，可以消除激光器光功率变化、粉尘、视窗污染等因素引起的透光率变化对水汽浓度测量产生的影响。

超声测温和可调谐半导体激光吸收光谱法测水汽浓度共用同一单片机、同一球形凹面反射镜及数据处理系统，数据处理系统根据温度值对水汽浓度进行修正并计算相对湿度。超声测温响应速度快，温度测量响应频率可达几十赫兹，与可调谐半导体激光吸收光谱技术结合可以实现温度和湿度的同步、高动态测量。

当然，上述说明并非是对本实用新型的限制，本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种温湿度测量装置，其特征在于：包括发射腔室、反射镜座，所述发射腔室与反射镜座之间通过气室连通，其中：

发射腔室内设置一硬件电路，所述硬件电路与测温组件、测湿组件连接；

所述测温组件包括超声发射器(5)、超声接收器(6)、球形凹面反射镜(10)；

所述测湿组件包括光电传感器(2)、激光器(9)、球形凹面反射镜(10)；

所述测温组件和测湿组件共用同一单片机和同一球形凹面反射镜；

所述激光器(9)发射方向上设置一楔角窗口片(4)，所述楔角窗口片相对于激光器(9)发射光方向倾斜设置，使发射光与所述楔角窗口片的入射角为锐角；

反射镜座内设置球形凹面反射镜(10)，所述激光器(9)的发射光经气室气体吸收后经球形凹面反射镜(10)反射至光电传感器(2)；

所述超声发射器(5)发出的超声波经球形凹面反射镜(10)反射后由超声接收器(6)接收。

2.根据权利要求1所述的一种温湿度测量装置，其特征在于：所述发射腔室内设置发射接收座(8)，用于固定测温组件、测湿组件。

3.根据权利要求1所述的一种温湿度测量装置，其特征在于：所述激光器(9)位于所述球形凹面反射镜(10)的中心二倍焦距之外的位置，所述光电传感器(2)位于所述激光器(9)发射光经所述球形凹面反射镜(10)反射后的反射光路上。

4.根据权利要求1所述的一种温湿度测量装置，其特征在于：所述楔角窗口片表面镀有允许指定频段光线通过的带通膜。

5.根据权利要求1所述的一种温湿度测量装置，其特征在于：所述发射腔室内设置楔角窗口片支架(3)，用于将楔角窗口片(4)固定。

6.根据权利要求1所述的一种温湿度测量装置，其特征在于：所述发射腔室内设置光电传感器座(1)、传感器外壳(7)，所述光电传感器(2)设置于光电传感器座(1)，所述光电传感器座(1)与传感器外壳(7)固定连接。

7.根据权利要求1所述的一种温湿度测量装置，其特征在于：所述超声发射器(5)、超声接收器(6)分布于光电传感器(2)、激光器(9)连线位置的两侧。