林 楠，魏 斌

(鄭州大學(xué) 軟件技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州450002)

0 引 言

在工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化控制、智慧農(nóng)業(yè)、生物制藥和醫(yī)療護(hù)理等諸多領(lǐng)域［1］，露點(diǎn)傳感器因其在潮濕、多噪聲和高溫環(huán)境依然可以準(zhǔn)確測(cè)量露點(diǎn)，為大氣和氣候監(jiān)測(cè)、設(shè)備濕度及水分濃度評(píng)估［2］等提供可靠依據(jù)。傳統(tǒng)的冷鏡式露點(diǎn)儀設(shè)計(jì)的傳感器在實(shí)際應(yīng)用中存在高濕度和高溫度下測(cè)量精度下降、聚合物光纖膨脹破壞傳感包層、傳感器能量供給和信號(hào)傳輸可靠性保障等［3］難題，因此，尋找一種具有可靠能量獲取且抗干擾、耐高溫和高濕的惡劣環(huán)境的露點(diǎn)傳感器成為各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

Chase A O 等人［4］提出了包含有關(guān)溫度、相對(duì)濕度和露點(diǎn)的環(huán)境變量的標(biāo)準(zhǔn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集亞馬遜森林環(huán)境變量的系統(tǒng)原型。Mathew J 等人［5］基于光子晶體光纖(PCF)干涉儀研究了制作只涉及切割和熔接的工作在反射模式下的露珠檢測(cè)傳感器。文獻(xiàn)［6］根據(jù)大氣濕度測(cè)量的問(wèn)題，在露點(diǎn)測(cè)量方法的基礎(chǔ)上，提出了諧振和分離的露點(diǎn)感測(cè)裝置的設(shè)計(jì)方案。文獻(xiàn)［7］將MEMS 傳感器和信號(hào)處理相結(jié)合研究了一種電容式露點(diǎn)傳感器用于對(duì)大氣環(huán)境進(jìn)行露點(diǎn)溫度檢測(cè)。文獻(xiàn)［8］將石英晶體用作濕敏元件然后制冷通過(guò)半導(dǎo)體制冷器實(shí)現(xiàn)，從而研發(fā)一種基于敏感電路的露點(diǎn)測(cè)量方法。為了提高大氣環(huán)境下濕度測(cè)量精度，文獻(xiàn)［9］將ARM Cortex—M3 處理器與MEMS 技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)了電容式傳感器。Islam T 等人［10］結(jié)合微控制器研發(fā)了數(shù)字溫濕度計(jì)系統(tǒng)。

本文研制了一種新型露點(diǎn)傳感器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該傳感器具有精度高與壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 多樣性能量獲取算法

本文在露點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)架構(gòu)上，研發(fā)基于機(jī)械能和光能轉(zhuǎn)換為電能的多樣性能量獲取和存儲(chǔ)機(jī)制。

基于機(jī)械能轉(zhuǎn)換的能量獲取裝備以機(jī)械感應(yīng)和能量轉(zhuǎn)換為主，外接整流濾波電路連接能量存儲(chǔ)芯片。其中，機(jī)械感應(yīng)元器件需要選擇機(jī)械能吸收區(qū)域、傳導(dǎo)及吸能材料，能量轉(zhuǎn)換可通過(guò)線圈與電容器串聯(lián)電路實(shí)現(xiàn)，然后外接二極管和電容器實(shí)現(xiàn)整流濾波，以便為露點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)提供穩(wěn)壓直流工作電壓，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 機(jī)械能獲取裝備設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig 1 Design structure of mechanical energy harvesting equipment

通過(guò)光能感知和轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)能量收集的裝備與機(jī)械能感知設(shè)備有所不同，其中，光感知設(shè)備如圖2 所示，包括氬離子濾光器、分色鏡、濾光片等，其中，二極管一方面利用它的導(dǎo)通特性，判斷當(dāng)前接收到的電壓是否足夠激勵(lì)傳感器節(jié)點(diǎn)工作，另一方面與電容器串聯(lián)實(shí)現(xiàn)濾波整流的功能，然后外接如圖3 所示的整流—濾波電路芯片。

綜上，將圖1～圖3 所示的設(shè)備電路添加到露點(diǎn)傳感器頭結(jié)構(gòu)中，機(jī)械能、光能獲取方式設(shè)計(jì)的適用于露點(diǎn)傳感器的多樣性能量獲取算法和實(shí)現(xiàn)流程，描述如下:

1)在露點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)頭結(jié)構(gòu)中激活機(jī)械感應(yīng)裝置和光能裝置，假設(shè)機(jī)械能收集的能量為η1，光能裝置獲取的能量為η2;

2)能量經(jīng)傳導(dǎo)器件送至吸能區(qū)域，其損耗因子為δ1，是常量，由具體材料物理屬性決定;

3)機(jī)械能由吸能區(qū)域處理后當(dāng)?shù)竭_(dá)極值時(shí)，若能夠使得二極管導(dǎo)通并快速增大至最大值，則經(jīng)能量轉(zhuǎn)換后進(jìn)入如圖3 所示的整流濾波電路;

4)光波經(jīng)反射、折射和聚集處理后經(jīng)濾光片連接圖3所示整流—轉(zhuǎn)換電路，此時(shí)電路損耗為δ2;

5)由步驟(3)和步驟(4)收集到的能量到達(dá)能量存儲(chǔ)芯片，其實(shí)時(shí)能量為ηs。

因此，多樣性能量獲取算法收集到的總能量ηs結(jié)合機(jī)械能和光能電氣屬性和伏安特性，可由式(1)計(jì)算得到

其中，is為露點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)頭結(jié)構(gòu)中能量收集裝備瞬態(tài)電流值。

為了分析上述能量獲取算法性能，在布設(shè)的傳感器拓?fù)渲?，監(jiān)測(cè)某露點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)流通時(shí)間對(duì)瞬態(tài)電流 和電容電壓的工作狀態(tài)變化情況，如圖4 所示。從圖4 可以看出，多樣性能量獲取算法會(huì)根據(jù)機(jī)械能感知和光感知的能量收集瞬態(tài)狀態(tài)，通過(guò)二極管的導(dǎo)通特性加以判斷，自適應(yīng)激勵(lì)二種能量收集設(shè)備，不僅提高能量收集效率而且可以提高傳感器節(jié)點(diǎn)的能量使用效率。

圖2 光能獲取結(jié)構(gòu)Fig 2 Structure of luminous energy acquisition

圖3 轉(zhuǎn)換—濾波等效電路Fig 3 Conversion—filtering equivalent circuit

圖4 多樣性能量獲取性能分析Fig 4 Performance analysis of diversity of energy harvesting

2 自適應(yīng)耦合變頻露點(diǎn)傳感器

為了進(jìn)一步提高能量使用效率、充分利用光纖切割工業(yè)特性、工作環(huán)境噪聲干擾和新型號(hào)衰弱特點(diǎn)，將露點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)的耦合與變頻相結(jié)合，設(shè)計(jì)傳感器頭結(jié)構(gòu)，改進(jìn)傳感器制作工藝。

露點(diǎn)傳感器中的液度計(jì)一般采用小佩爾捷效應(yīng)元件制冷的折射鏡設(shè)計(jì)，其裝備結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其中在傳感器頭中添加了具有形狀記憶的合金，加入了A/D 轉(zhuǎn)換器件，光探測(cè)器中的光纖切割角度為α，透鏡厚度為a，高度為r，真空導(dǎo)率為μ0，信噪比為SL，則輸出相對(duì)光強(qiáng)LLight如式(2)

其中，ω 為角頻率，ν(Sk)為信噪比在傳導(dǎo)過(guò)程中帶來(lái)的增益函數(shù)。

圖5 輸出相對(duì)光強(qiáng)測(cè)量裝備Fig 5 Measurement equipment of output relative light intensity

基于式(2)對(duì)圖5 所示裝備分析光纖切割角度和信噪比對(duì)輸出相對(duì)光強(qiáng)的影響，結(jié)果如圖6 所示。發(fā)現(xiàn)輸出相對(duì)光強(qiáng)與光纖切割角度和信噪比動(dòng)態(tài)變化呈正比，但隨著光纖切割角度會(huì)持續(xù)增大，而信噪比增大到某一值后則輸出相對(duì)光強(qiáng)趨于平穩(wěn)，因此，在設(shè)計(jì)露點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)頭結(jié)構(gòu)時(shí)，在光探測(cè)器中的光纖切割工藝過(guò)程和監(jiān)測(cè)環(huán)境動(dòng)態(tài)噪聲干擾過(guò)程需要考慮該閾值，從而在低功耗和低功率下使得露點(diǎn)監(jiān)測(cè)精度達(dá)到最優(yōu)，并減少能量無(wú)益損耗。

圖6 輸出相對(duì)光強(qiáng)動(dòng)態(tài)分析Fig 6 Dynamic analysis on output relative light intensity

根據(jù)角頻率和輸出相對(duì)光強(qiáng)可得到耦合頻率f0，如式(3)所示

從中發(fā)現(xiàn)f0與光纖切割角度和信噪比存在線性正比例關(guān)系，因此，可以通過(guò)實(shí)際裝備工藝實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)耦合變頻控制。

綜上，基于光纖切割角度和信噪比設(shè)計(jì)的適用于露點(diǎn)傳感器的自適應(yīng)耦合變頻算法，露點(diǎn)傳感器頭結(jié)構(gòu)制作工藝如圖7 所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與性能

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的露點(diǎn)傳感器在檢測(cè)精度、工作功率和生命周期等方面性能，分析其工作效率、工作電壓蓄能強(qiáng)度和生存能力，并與電容式露點(diǎn)傳感器進(jìn)行對(duì)比。

圖7 露點(diǎn)傳感器頭結(jié)構(gòu)制作工藝Fig 7 Production process of dew point sensor head structure

圖8 給出了10 min 檢測(cè)時(shí)間內(nèi)分別采用電容式設(shè)計(jì)方案和所提方案的露點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)在潮濕環(huán)境下統(tǒng)計(jì)得到的檢測(cè)精度、工作功率和生命周期等結(jié)果。潮濕環(huán)境下所提方案的溫度檢測(cè)精度明顯高于電容式，因?yàn)樗岱桨钢锌紤]了自適應(yīng)耦合變頻，降低了環(huán)境因素導(dǎo)致的檢測(cè)誤差，具備了多樣性能量獲取能力，可以為露點(diǎn)傳感器節(jié)點(diǎn)持續(xù)提供穩(wěn)定的工作電壓，保持較強(qiáng)的工作功率，同時(shí)有效地延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)的生命周期。

圖8 露點(diǎn)傳感器性能分析Fig 8 Performance analysis on dew point sensor

4 結(jié) 論

1)分析機(jī)械能和光能感知設(shè)備設(shè)計(jì)了多樣性能量獲取算法及其設(shè)計(jì)方案。

2)研究了露點(diǎn)光纖傳感器的切割角度和工作環(huán)境信噪比對(duì)輸出相對(duì)光強(qiáng)和工作功率的影響，提出了自適應(yīng)耦合變頻算法。

3)在此基礎(chǔ)上研制了一種新型露點(diǎn)傳感器。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:與電容式露點(diǎn)傳感器相比，所提方案設(shè)計(jì)的傳感器在檢測(cè)精度、工作功率和生命周期等方面具有顯著提高和改善。

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