用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法

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1.本发明涉及露点跟踪的控制方法，尤其涉及一种用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法。


背景技术：

2.湿度是大气的一个重要参数，湿度测量在气象领域具有重要地位。由于湿度不是一个相对独立的被测量，它受温度、大气压强等参数的影响，并且它们之间存在复杂的耦合关系，因此湿度是在常规环境测量参数中最难精确测量的参数之一，故对用于测量湿度的露点传感器来说要求具有高灵敏度与快速响应的特性。
3.在基于停振法的露点识别方法中，控制系统根据石英晶片的停振与否来简单的匀速升降温从而控制石英晶片的温度维持在露点附近。在这种控制方式下，当初次测量露点或者露点发生较大变化时，均需要较长时间才能定位到新的露点，控制系统不具有自适应性，不能满足对露点快速稳定地连续跟踪测量。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法，用来实现对露点的快速定位与连续跟踪测量。
5.本发明的上述目的通过以下技术方案予以实现：
6.具体技术方案如图1所示。本发明提供了一种用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法，利用半导体制冷器对石英晶片进行主动控温，随着温度降低到露点温度的时候，石英晶片表面会产生水分凝结，谐振电路的输出信号从最初的正弦信号变为直流偏置信号，为了准确地捕捉到信号的突变，设计了信号调理电路将间歇式正弦信号转变为方波信号送入温度控制器，既正弦振荡状态对应高电平信号，直流偏置状态对应低电平信号；设计整流滤波电路将间歇式正弦信号转换为直流信号，直流信号通过模数转换器获得振幅数字量送入温度控制器；利用逻辑电平的转换与振幅作为温度控制器的反馈信号，温度控制器根据反馈信号来输出脉冲宽度调制信号去控制开关驱动电路驱动半导体制冷器对石英晶片制冷，从而实现对石英晶片的主动控温。将谐振电路系统作为内环，露点温度跟踪系统作为外环，最终建立电路输出信号与温度的双闭环跟踪控制模型。
7.所述的控制方法基于石英谐振式露点传感器自动测试控制系统实现，具体的控制策略如图2所示，系统初次运行时，若对应谐振电路振荡状态的逻辑电平为高，则记录此时的石英晶片振幅为初始振幅；在首次降温时测量系统以石英晶片振幅为依据来保证接近露点时的降温速率为固定值。同时测量系统在降温过程中每隔一秒记录一次石英晶片振幅数据，直到石英晶片停振时停止记录，取石英晶片停振前10秒内振幅数据的中位数作为停振临界振幅；获得初始振幅与停振临界振幅后，系统开始正式测量，首先若逻辑电平为高，则石英晶片未结露，需判断石英晶片振幅是否接近初始振幅，若石英晶片振幅与初始振幅相差0.1v，则说明当前温度与露点温度相差较大，则快速降温；否则判断石英晶片振幅是否接
近停振临界振幅，若石英晶片振幅与停振临界振幅相差0.1v，则需要以极慢速度降温；如果石英晶片振幅处于初始振幅与停振临界振幅之间，则以慢速降温；若逻辑电平为低，则谐振电路已停振，以慢速升温；当低电平持续时间超过10秒，则认为当前温度与露点温度相差较大，则以较快速度升温；当逻辑电平在单位时间内快速翻转，则认为此时已经到达露点温度，则取翻转时间内的温度均值作为露点温度值输出。
8.所述的初始振幅为石英晶片自然状态下通过敏感驱动电路输出的正弦信号振幅。
9.所述的停振临界振幅为石英晶片在将要因结露而停振时的振幅。
10.所述的石英谐振式露点传感器自动测试控制系统是一种由传感器探测模块、敏感电路模块、处理器模块、温度测量模块以及温度控制模块构成的自动测试控制系统，具体的硬件系统组成已经申请了发明专利(申请号：zl201710205307.9)；其作用是为实现本发明的控制方法提供硬件功能载体。
11.本发明优点及功效：
12.本发明通过在不同的石英晶片振荡状态下，比较石英晶片的振幅与初始振幅和停振临界振幅之间的差值，选择不同的制冷速率或升温速率对石英晶片进行制冷或升温，使得传感器能够快速定位露点，从而实现对露点的双闭环跟踪测量。本发明具有灵敏度高，测量速度快，抗干扰能力强的特点。
附图说明：
13.图1用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法的技术方案。
14.图2双闭环露点跟踪控制方法流程图。
15.图3露点跟踪控制试验效果。
具体实施方式：
16.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
17.实施例：
18.图1是本发明实施例中的石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法的技术方案。参考图1，本实例提供的石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法所基于的自动测试控制系统具体可以包括：石英晶片在干燥状态时通过敏感驱动电路产生频率为4mhz的正弦信号，在结露状态时产生直流偏置信号；间歇式正弦信号通过信号调理电路转换为方波信号，即晶片干燥时逻辑电平为高，在结露状态时逻辑电平为低；间歇式正弦信号通过整流滤波电路转换为直流信号，直流信号通过模数转换器获得振幅数字量；振幅数字量和方波信号作为反馈信号给温度控制器，温度控制器输出脉冲宽度调制信号来驱动半导体制冷器对石英晶片制冷；温度传感器测量石英晶片的温度，温度数据通过计算机输出显示。
19.图2是本发明实施例中的一种用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法的流程图；图3是本发明实施例中的一种用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法的试验效果图，图3中的振幅数据为了便于观察放大了10倍绘制；图3中数据的采样周期为0.2秒。参考图2与图3，本实例提供的石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法具体可以包括：系统启动后，若对应谐振电路振荡状态的逻辑电平为高，则记录此
时的石英晶片振幅为初始振幅，试验值为1.82v；在首次降温时测量系统以石英晶片振幅为依据来保证接近露点时的降温速率为固定值0.02℃/s。同时测量系统在降温过程中每1秒记录一次石英晶片振幅数据，直到石英晶片停振时停止记录，取石英晶片停振前10秒内振幅数据的中位数作为停振临界振幅，试验值为1.49v；在获得了初始振幅与停振临界振幅后，系统开始正式测量，首先若逻辑电平为高，则石英晶片未结露，若晶振振幅与初始振幅1.82v之差小于0.1v，则说明当前温度与露点温度相差较大，则以0.2℃/s快速降温；否则判断石英晶片振幅与停振临界振幅之差是否小于0.2v，若小于0.2v，说明此时振幅已经接近停振临界振幅，则需要以极慢速度0.02℃/s降温；如果石英晶片振幅处于初始振幅与停振临界振幅之间，则以慢速0.1℃/s降温；若逻辑电平为低，则谐振电路已停振，以慢速0.1℃/s升温；当低电平持续时间超过10秒则认为当前温度与露点温度相差较大，则以较快速度0.2℃/s升温；当逻辑电平在1秒内连续翻转5次及以上，则认为此时已经到达露点温度，则取翻转时间内的温度均值作为露点温度值输出；图3是基于本发明所实现得露点跟踪控制试验效果，可以看出从系统启动到第一次定位露点用了4分钟，当露点改变时，再次定位露点所需最短时间为114s，并且实现了对露点很好的跟踪。


技术特征：
1.一种用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法，其特征在于：利用半导体制冷器对石英晶片进行主动控温，随着温度降低到露点温度的时候，石英晶片表面会产生水分凝结，谐振电路的输出信号从最初的正弦信号变为直流偏置信号，为了准确地捕捉到信号的突变，设计了信号调理电路将间歇式正弦信号转变为方波信号送入温度控制器，既正弦振荡状态对应高电平信号，直流偏置状态对应低电平信号；设计整流滤波电路将间歇式正弦信号转换为直流信号，直流信号通过模数转换器获得振幅数字量送入温度控制器；利用逻辑电平的转换与振幅作为温度控制器的反馈信号，温度控制器根据反馈信号来输出脉冲宽度调制信号去控制开关驱动电路驱动半导体制冷器对石英晶片制冷，从而实现对石英晶片的主动控温；将谐振电路系统作为内环，露点温度跟踪系统作为外环，最终建立电路输出信号与温度的双闭环跟踪控制模型。2.根据权利要求1所述的用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法，其特征在于：所述的控制方法基于石英谐振式露点传感器自动测试控制系统实现，系统初次运行时，若对应谐振电路振荡状态的逻辑电平为高，则记录此时的石英晶片振幅为初始振幅；在首次降温时测量系统以石英晶片振幅为依据来保证接近露点时的降温速率为固定值；同时测量系统在降温过程中每隔一秒记录一次石英晶片振幅数据，直到石英晶片停振时停止记录，取石英晶片停振前10秒内振幅数据的中位数作为停振临界振幅；获得初始振幅与停振临界振幅后，系统开始正式测量；首先若逻辑电平为高，则石英晶片未结露，需判断石英晶片振幅是否接近初始振幅，若石英晶片振幅与初始振幅相差0.1v，则说明当前温度与露点温度相差较大，则快速降温；否则判断石英晶片振幅是否接近停振临界振幅，若石英晶片振幅与停振临界振幅相差0.1v，则需要以极慢速度降温；如果石英晶片振幅处于初始振幅与停振临界振幅之间，则以慢速降温；若逻辑电平为低，则谐振电路已停振，以慢速升温；当低电平持续时间超过10秒，则认为当前温度与露点温度相差较大，则以较快速度升温；当逻辑电平在单位时间内快速翻转，则认为此时已经到达露点温度，则取翻转时间内的温度均值作为露点温度值输出。3.根据权利要求2所述的用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法，其特征在于：所述的初始振幅为石英晶片自然状态下通过敏感驱动电路输出的正弦信号振幅。4.根据权利要求2所述的用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法，其特征在于：所述的停振临界振幅为石英晶片在将要因结露而停振时的振幅。5.根据权利要求2或3或4所述的用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法，其特征在于：石英谐振式露点传感器自动测试控制系统是一种由传感器探测模块、敏感电路模块、处理器模块、温度测量模块以及温度控制模块构成的自动测试控制系统，其作用是为实现本发明的控制方法提供硬件功能载体。

技术总结
本发明一种用于石英谐振式露点传感器的双闭环露点跟踪控制方法，利用半导体制冷器对石英晶片进行主动控温，随着温度降低到露点温度的时候，石英晶片表面会产生水分凝结，谐振电路的输出信号从最初的正弦信号变为直流偏置信号，为了准确地捕捉到信号的突变，设计了信号调理电路将间歇式正弦信号转变为方波信号送入温度控制器，设计整流滤波电路将间歇式正弦信号转换为直流信号，直流信号通过模数转换器获得振幅数字量送入温度控制器；利用逻辑电平与振幅作为温度控制器的反馈信号，温度控制器根据反馈信号来输出脉冲宽度调制信号去控制开关驱动电路驱动半导体制冷器对石英晶片制冷，从而实现电路输出信号与温度的双闭环露点跟踪控制。露点跟踪控制。露点跟踪控制。


技术研发人员：聂晶 白雪松 王国华 李宁 任明虎
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：2021.06.10
技术公布日：2021/9/13