一種用于露點(diǎn)識(shí)別的石英諧振敏感電路的制作方法
【專利摘要】一種用于露點(diǎn)識(shí)別的石英諧振敏感電路，它包括：Colpitts振蕩電路、快速電壓比較電路和可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路；Colpitts振蕩電路的信號(hào)輸出端與快速電壓比較電路的信號(hào)輸入端相連，快速電壓比較電路的信號(hào)輸出端與可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的信號(hào)輸入端相連。本發(fā)明中的石英晶體作為電路中的選頻元件同時(shí)也作為感濕元件，其表面相態(tài)的變化直接影響整個(gè)電路的電特性從而導(dǎo)致此電路輸出結(jié)果的不同，利用此敏感機(jī)理可以將電路輸出結(jié)果的突變作為一種露點(diǎn)識(shí)別的手段。本電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度極高、可靠性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種用于露點(diǎn)識(shí)別的石英諧振敏感電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
:
[0001]本發(fā)明涉及一種用于露點(diǎn)識(shí)別的石英諧振敏感電路，它是一種由三個(gè)分支電路組合構(gòu)成的對(duì)于石英晶體諧振器電極表面結(jié)露現(xiàn)象極為敏感的測(cè)量電路。屬于濕度傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
:
[0002]空氣中水汽的含量，即所謂的濕度。濕度的精密、快速測(cè)量是氣敏傳感器中的難點(diǎn)之一。濕度通常有三種基本形式，即絕對(duì)濕度、相對(duì)濕度、露點(diǎn)溫度，三者存在緊密的聯(lián)系，并且可以互為換算。其中露點(diǎn)溫度的測(cè)量已被國際公認(rèn)為最精密的濕度測(cè)量方法。
[0003]露點(diǎn)溫度是表示空氣中水汽含量和氣壓不變的條件下冷卻達(dá)到飽和時(shí)的溫度，單位用攝氏度(°C)表示。露點(diǎn)測(cè)量其關(guān)鍵技術(shù)在于露點(diǎn)的探測(cè)與識(shí)別。目前主要的露點(diǎn)識(shí)別技術(shù)有冷凝光電法、聲波法以及晶體振蕩法。
[0004]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(cè)氣體中的水蒸氣開始出現(xiàn)露或霜，測(cè)量此時(shí)的溫度，即為該氣體的露(霜)點(diǎn)。它的識(shí)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)儀就是利用此原理制作的露點(diǎn)測(cè)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(cè)量，價(jià)格高昂。
[0005]聲波法的工作原理是當(dāng)傳感器表面沒有露(霜)層時(shí)，聲表面波沒有變化；隨著溫度的降低，當(dāng)傳感器表面有露(霜)形成后，就會(huì)引起聲表面波的變化。通過分析接收到的聲表面波信號(hào)的頻率和振幅，控制帕爾帖致冷器調(diào)節(jié)傳感器表面的溫度，使得水汽的冷凝速度和露(霜)層的蒸發(fā)速度達(dá)到平衡狀態(tài)，在傳感器表面形成一層均勻的露(霜)，由鉬熱電阻溫度計(jì)測(cè)得氣體的露點(diǎn)溫度。聲表面波露點(diǎn)儀對(duì)溫度的控制精度有很高的要求。
[0006]石英晶振(QCM)技術(shù)是通過監(jiān)控帶吸濕涂層的石英晶體的頻率變化來實(shí)現(xiàn)的，該晶體對(duì)水分有特別靈敏的響應(yīng)。晶體表面涂層吸收一定量的水分導(dǎo)致有效質(zhì)量增加，從而降低晶體的共振頻率，使該頻率直接對(duì)應(yīng)到水氣分壓。上述過程完全可逆，并不受長(zhǎng)期漂移影響，可靠性高、重復(fù)性好。這是一項(xiàng)較新的技術(shù)，目前尚處于不十分成熟階段，國外有相關(guān)的廣品，但是精度不聞并且成本很聞。


【發(fā)明內(nèi)容】

:
[0007]本發(fā)明的目的是為了提供一種用于露點(diǎn)識(shí)別的石英諧振敏感電路，石英晶體作為電路中的選頻元件同時(shí)也作為感濕元件，其表面相態(tài)的變化直接影響整個(gè)電路的電特性從而導(dǎo)致此電路輸出結(jié)果的不同，利用此敏感機(jī)理可以將電路輸出結(jié)果的突變作為一種露點(diǎn)識(shí)別的手段。本電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度極高、可靠性好、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述的目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0009]本發(fā)明一種用于露點(diǎn)識(shí)別的石英諧振敏感電路，包括:Colpitts振蕩電路、快速電壓比較電路和可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路；它們相互之間的關(guān)系是:Colpitts振蕩電路的信號(hào)輸出端與快速電壓比較電路的信號(hào)輸入端相連，快速電壓比較電路的信號(hào)輸出端與可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的信號(hào)輸入端相連。
[0010]所述Colpitts振蕩電路，由石英晶體諧振器、電容、電阻、三級(jí)管以及電源組成，它們相互之間的連接關(guān)系是:石英晶體諧振器與電容Cl串聯(lián)之后與電容C2和C3并聯(lián)，電容C3與石英晶體諧振器相連處接地，電容C2的兩端分別與三極管的集電極和發(fā)射極相連，電容C5、電阻Rl和電源組成串聯(lián)回路之后并聯(lián)在電容Cl和石英晶體諧振器兩端，三極管的基極與電阻Rl —端相連，電阻R2與電容C3并聯(lián)，電容C4的一端與三極管的發(fā)射極相連，另一端作為Colpitts振蕩電路的信號(hào)輸出端與后續(xù)電路的信號(hào)輸入端相連。如圖1所示。電路中各個(gè)電容和電阻的具體參數(shù)根據(jù)晶振的不同進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到靜態(tài)工作點(diǎn)的要求。滿足靜態(tài)工作點(diǎn)且供電后，該電路具有兩種工作狀態(tài):振蕩狀態(tài)和停振狀態(tài)。石英晶體諧振器作為Colpitts振蕩電路中的選頻元件，當(dāng)其表面電極區(qū)域有凝露產(chǎn)生，就會(huì)使其本身阻抗特性發(fā)生突變從而導(dǎo)致Colpitts振蕩電路停止振蕩，電路輸出一個(gè)直流偏置；反之，當(dāng)晶體表面電極區(qū)域一直處于干燥狀態(tài)時(shí)，Colpitts振蕩電路會(huì)一直處于穩(wěn)定的諧振狀態(tài)，并輸出振幅穩(wěn)定的正弦信號(hào)。因此，隨著石英晶體諧振器電極表面的相態(tài)變化，Colpitts振蕩電路會(huì)輸出間歇的正弦信號(hào)。
[0011]該石英晶體諧振器選用頻率為4MHz的無源晶振；該電容選取無極性固定電容，Cl、C2、C3 分別為 10pF, C4 為 0.05uF, C5 為 0.0luF ;該電阻 RU R2 分別選取 220ΚΩ 和IK Ω的精密電阻；該三級(jí)管選取NPN型低功率三極管；該電源選取+12V穩(wěn)壓直流電源；
[0012]所述快速電壓比較電路，由MAX912CPE型芯片、滑動(dòng)變阻器和電源組成。它們相互之間的關(guān)系是:MAX912CPE型芯片的+5V電源端與接地端之間插入滑動(dòng)變阻器形成完整回路，芯片的管腳8與前端的Colpitts振蕩電路信號(hào)輸出端相連，管腳I是快速電壓比較電路的信號(hào)輸出端，與后面電路的信號(hào)輸入端相連，具體連接關(guān)系如圖1所示。
[0013]該MAX912CPE型芯片為快速電壓比較器；該滑動(dòng)變阻器可調(diào)電阻范圍為O?1K Ω ;該電源分別選取+5V和-5V的穩(wěn)壓直流電源；
[0014]其中，滑動(dòng)變阻器和電源可以為MAX912CPE型芯片提供參考電壓，當(dāng)Colpitts振蕩電路輸出的電信號(hào)作為快速電壓比較電路的輸出信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)的電壓與參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸入信號(hào)的電壓低于參考電壓，則快速電壓比較電路會(huì)輸出與Colpitts振蕩電路振蕩周期相同的間歇方波信號(hào)。
[0015]所述可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，由SN74123D芯片、滑動(dòng)變阻器、電容和電源組成。它們相互之間的關(guān)系是:SN74123D芯片的電源端與15管腳之間由電容相連，管腳15與管腳16之間由滑動(dòng)變阻器相連，管腳2作為信號(hào)輸入端與快速電壓比較電路的輸出信號(hào)端相連，管腳11為電路的信號(hào)輸出端，具體連接關(guān)系如圖1所示；
[0016]該SN74123D芯片為可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；該滑動(dòng)變阻器的電阻可調(diào)范圍為O?20ΚΩ ;該電容C6選取無極性固定電容，參數(shù)為10pF;該電源選取+12V穩(wěn)壓直流電源；
[0017]這一信號(hào)調(diào)理電路將快速電壓比較電路輸出的間歇式方波信號(hào)調(diào)理為與Colpitts電路振蕩狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的高低電平，間歇式方波信號(hào)有方波時(shí)調(diào)理電路輸出高電平，無信號(hào)時(shí)調(diào)理電路輸出低電平。
[0018]本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)及功效:
[0019]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種用于對(duì)凝露現(xiàn)象進(jìn)行識(shí)別的石英諧振敏感電路，此電路將原始的正弦諧振信號(hào)轉(zhuǎn)化為變送器或測(cè)量?jī)x器便于檢測(cè)和識(shí)別的高低電平信號(hào)。當(dāng)感濕元件即石英晶體諧振器電極表面處于干燥狀態(tài)時(shí)，電路輸出為高電平直流偏置；當(dāng)感濕元件表面處于結(jié)露狀態(tài)時(shí)，電路輸出為低電平直流偏置。利用高低電平的突變對(duì)結(jié)露時(shí)刻進(jìn)行識(shí)別，具有極高的靈敏度和很強(qiáng)的重復(fù)性，更具有硬件成本低、抗外界干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說明】
:
[0020]圖1用于識(shí)別露點(diǎn)的石英諧振敏感電路圖；
[0021]圖2信號(hào)調(diào)理電路的信號(hào)轉(zhuǎn)換原理圖；
[0022]圖3敏感電路在露點(diǎn)識(shí)別試驗(yàn)中的輸出曲線
[0023]圖中符號(hào)、代號(hào)說明如下:
[0024]R1、R2為精密電阻，R3、R4為滑動(dòng)變阻器，Cl?C6為無極性固定電容，Z為石英晶體諧振器，Q1為NPN型低功率三極管，GND為電路的接地端，MAX912CPE與SN74123D為芯片型號(hào)。

【具體實(shí)施方式】
[0025]見圖1，本發(fā)明一種用于識(shí)別露點(diǎn)的石英諧振敏感電路，該電路由Colpitts振蕩電路、快速電壓比較電路和可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路三部分組成。它們相互之間的關(guān)系是:Colpitts振蕩電路的信號(hào)輸出端與快速電壓比較電路的信號(hào)輸入端相連，快速電壓比較電路的信號(hào)輸出端與可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的信號(hào)輸入端相連。
[0026]每一部分的作用與其彼此間變換原理如圖2所示。
[0027]參照?qǐng)D1，該電路分別由三部分功能電路組成:
[0028]l)Colpitts振蕩電路中Z是石英晶體諧振器，C1?C5分別為無極性固定電容，Rl，R2為精密電阻，Q1為NPN型低功率三級(jí)管，電源為+12V穩(wěn)壓直流電源。電路中各個(gè)電容和電阻的具體參數(shù)根據(jù)晶振Z的不同進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到靜態(tài)工作點(diǎn)的要求。在本發(fā)明中，選取的元件參數(shù)分別為:C1、C2、C3分別為100pF，C4為0.05uF, C5為0.0luF，石英晶體諧振器選取4MHz頻率的無源晶振，滿足靜態(tài)工作點(diǎn)且供電后，該電路具有兩種工作狀態(tài):振蕩狀態(tài)和停振狀態(tài)。當(dāng)感濕元件即石英晶體諧振器電極表面處于干燥狀態(tài)時(shí)，電路維持振蕩且輸出為正弦信號(hào)；當(dāng)感濕元件表面處于結(jié)露狀態(tài)時(shí)，電路停止振蕩且輸出為一直流偏置信號(hào)。
[0029]2)快速電壓比較電路是通過MAX912CPE快速電壓比較器實(shí)現(xiàn)的。圖1中芯片MAX912CPE的7管腳通過一個(gè)滑動(dòng)變阻器(可調(diào)電阻范圍為0?10K Ω )與+5V直流電源相接，可以為電壓比較器提供0?+5V的參考電壓。Colpitts振蕩電路輸出的間歇式正弦信號(hào)輸入芯片MAX912CPE的8管腳，與7管腳的參考電壓進(jìn)行比較，若輸入電壓高于給定參考電壓則輸出高電平信號(hào)，若輸入電壓低于給定參考電壓則輸出低電平信號(hào)。
[0030]3)可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路通過可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器芯片SN74123D和外圍電路實(shí)現(xiàn)。這一信號(hào)調(diào)理部分將圖2中的間歇方波信號(hào)調(diào)理為與電路振蕩狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的高低電平信號(hào)。圖1中芯片SN74123D清零端(3管腳)接高電平(+5V直流電)，1管腳接地，2管腳接輸入信號(hào)，每輸入一個(gè)上升沿，13管腳輸出一個(gè)正脈沖。正脈沖的寬度Tw由外圍電路的R4和C6決定。經(jīng)驗(yàn)公式為:
[0031]Tw = 0.7*R4*C6 (I)
[0032]將電阻R4設(shè)計(jì)為滑動(dòng)變阻器(可調(diào)電阻范圍為O?20K Ω )，通過調(diào)節(jié)R4使Tw略大于晶振的振蕩周期T，這樣既可以保證當(dāng)芯片SN74123D的2管腳有連續(xù)上升沿輸入時(shí)電路輸出連續(xù)的高電平，并且能夠達(dá)到最大的轉(zhuǎn)換速度。最終可實(shí)現(xiàn):當(dāng)Colpitts振蕩電路維持振蕩時(shí)，信號(hào)調(diào)理電路的輸出為高電平信號(hào)；當(dāng)Colpitts振蕩電路停止振蕩時(shí)，信號(hào)調(diào)理電路的輸出為低電平信號(hào)。
[0033]見圖3，為本發(fā)明的石英諧振敏感電路在實(shí)際露點(diǎn)識(shí)別試驗(yàn)中所得到的測(cè)量曲線，在感濕元件表面處于干燥的時(shí)候電路輸出為高電平信號(hào)，當(dāng)濕度發(fā)生變化之后，感濕元件表面形成凝露的時(shí)候電路輸出就變?yōu)榈碗娖叫盘?hào)，反復(fù)改變濕度環(huán)境，就會(huì)發(fā)現(xiàn)電路輸出信號(hào)會(huì)跟隨變化，結(jié)果驗(yàn)證了此電路作為露點(diǎn)識(shí)別具有極高的靈敏度和可靠性，并且具有較強(qiáng)的抗干擾特性以及較寬的溫度范圍。由于本電路的設(shè)計(jì)成本較低，加之測(cè)量精度和靈敏度極高，因此可以用來作為露點(diǎn)傳感器的敏感電路得到廣泛使用。
【權(quán)利要求】
1.一種用于露點(diǎn)識(shí)別的石英諧振敏感電路，其特征在于:它包括=ColpittS振蕩電路、快速電壓比較電路和可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路；Colpitts振蕩電路的信號(hào)輸出端與快速電壓比較電路的信號(hào)輸入端相連，快速電壓比較電路的信號(hào)輸出端與可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路的信號(hào)輸入端相連； 所述Colpitts振蕩電路，由石英晶體諧振器、電容、電阻、三級(jí)管以及電源組成，石英晶體諧振器與電容Cl串聯(lián)之后與電容C2和C3并聯(lián)，電容C3與石英晶體諧振器相連處接地，電容C2的兩端分別與三極管的集電極和發(fā)射極相連，電容C5、電阻Rl和電源組成串聯(lián)回路之后并聯(lián)在電容Cl和石英晶體諧振器兩端，三極管的基極與電阻Rl —端相連，電阻R2與電容C3并聯(lián)，電容C4的一端與三極管的發(fā)射極相連，另一端作為Colpitts振蕩電路的信號(hào)輸出端與后續(xù)電路的信號(hào)輸入端相連；電路中各個(gè)電容和電阻的具體參數(shù)根據(jù)晶振的不同進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到靜態(tài)工作點(diǎn)的要求；滿足靜態(tài)工作點(diǎn)且供電后，該電路具有兩種工作狀態(tài):振蕩狀態(tài)和停振狀態(tài)；石英晶體諧振器作為Colpitts振蕩電路中的選頻元件，當(dāng)其表面電極區(qū)域有凝露產(chǎn)生，就會(huì)使其本身阻抗特性發(fā)生突變從而導(dǎo)致Colpitts振蕩電路停止振蕩，電路輸出一個(gè)直流偏置；反之，當(dāng)晶體表面電極區(qū)域一直處于干燥狀態(tài)時(shí)，Colpitts振蕩電路會(huì)一直處于穩(wěn)定的諧振狀態(tài),并輸出振幅穩(wěn)定的正弦信號(hào)，因此，隨著石英晶體諧振器電極表面的相態(tài)變化，Colpitts振蕩電路會(huì)輸出間歇的正弦信號(hào)； 該石英晶體諧振器選用頻率為4MHz的無源晶振；該電容選取無極性固定電容，該電阻R1、R2選取精密電阻；該三級(jí)管選取NPN型低功率三極管；該電源選取+12V穩(wěn)壓直流電源；所述快速電壓比較電路，由MAX912CPE型芯片、滑動(dòng)變阻器和電源組成，MAX912CPE型芯片的+5V電源端與接地端之間插入滑動(dòng)變阻器形成完整回路，芯片的管腳8與前端的Colpitts振蕩電路信號(hào)輸出端相連，管腳I是快速電壓比較電路的信號(hào)輸出端，與后面電路的信號(hào)輸入端相連；該MAX912CPE型芯片為快速電壓比較器；該滑動(dòng)變阻器可調(diào)電阻范圍為O?1K Ω ;該電源分別選取+5V和-5V的穩(wěn)壓直流電源； 其中，滑動(dòng)變阻器和電源為MAX912CPE型芯片提供參考電壓，當(dāng)Colpitts振蕩電路輸出的電信號(hào)作為快速電壓比較電路的輸出信號(hào)時(shí)，輸入信號(hào)的電壓與參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)輸入信號(hào)的電壓低于參考電壓，則快速電壓比較電路會(huì)輸出與Colpitts振蕩電路振蕩周期相同的間歇方波信號(hào)； 所述可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，由SN74123D芯片、滑動(dòng)變阻器、電容和電源組成，SN74123D芯片的電源端與15管腳之間由電容相連，管腳15與管腳16之間由滑動(dòng)變阻器相連，管腳2作為信號(hào)輸入端與快速電壓比較電路的輸出信號(hào)端相連，管腳11為電路的信號(hào)輸出端； 該SN74123D芯片為可重觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器；該滑動(dòng)變阻器的電阻可調(diào)范圍為O?20ΚΩ ;該電容C6選取無極性固定電容；該電源選取+12V穩(wěn)壓直流電源。
【文檔編號(hào)】G01N25/66GK104458809SQ201410727790
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月1日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月1日
【發(fā)明者】聶晶 申請(qǐng)人:鄭州輕工業(yè)學(xué)院