新研海洋氣象要素溫濕度傳感器的實(shí)現(xiàn)

湯傳貴， 王東明

（1.海軍駐青島造船廠軍事代表室，山東 青島 266001；2.山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，山東 青島 266001）

引言

目前，國(guó)內(nèi)外已有的溫濕度傳感器在性能上雖然可以基本滿足要求，但是存在如下缺陷：機(jī)械部件易損壞、讀數(shù)準(zhǔn)確度低、接口電路復(fù)雜、環(huán)境適應(yīng)性差［1］、維護(hù)保養(yǎng)過程繁瑣；除此之外，國(guó)內(nèi)外已有的溫濕度傳感器的輸出信號(hào)單一，無法滿足用戶對(duì)不同接口的需求。為解決現(xiàn)有溫濕度傳感器存在的問題及缺陷，本文提出一種海洋氣象要素溫濕度傳感器（以下簡(jiǎn)稱傳感器），并其實(shí)現(xiàn)過程及方法進(jìn)行了描述。

1 技術(shù)方案

首先，該傳感器盒體采用注塑模具制造一次成型。盒體的上端裝有敏感器件，敏感器件的外殼是由特殊PVC材料制成的防鹽霧保護(hù)罩，保護(hù)罩表面覆蓋特氟隆保護(hù)膜，此保護(hù)罩可有效阻止粉塵、鹽霧及其他腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入保護(hù)罩內(nèi)，起到抗鹽霧、抗腐蝕等作用，能有效保護(hù)敏感器件，并且該保護(hù)罩不含機(jī)械部件、抗高溫、免維護(hù)。

其次，硬件電路均經(jīng)過溫度補(bǔ)償處理［2］，包括敏感器件、信號(hào)放大電路、電壓轉(zhuǎn)換電流電路、串行通信電路、輸出信號(hào)選擇電路，從而保證該傳感器在高溫、低溫等復(fù)雜的海洋環(huán)境中輸出信號(hào)及測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1信號(hào)放大電路包括TLC2652運(yùn)算放大器及相關(guān)的配置電容和電阻。敏感器件的輸出信號(hào)進(jìn)入運(yùn)算放大器的第三管腳同相輸入端；通過反饋電阻R14、R18以及微調(diào)電位器WR1連接運(yùn)算放大器的輸出端；為了保證放大倍數(shù)的準(zhǔn)確性，在電路中加入了微調(diào)電位器 WR1；敏感器件的輸出信號(hào)經(jīng)過運(yùn)算放大電路實(shí)現(xiàn)放大，再分別進(jìn)入溫度和相對(duì)濕度回路的電壓轉(zhuǎn)換電流電路，保證了其溫度漂移性、線性度、高溫環(huán)境的可靠性。

圖1 信號(hào)放大電路原理圖

通過圖2所示電壓轉(zhuǎn)換電流電路的搭建，實(shí)現(xiàn)了敏感器件的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成4～20 mA電流信號(hào)的功能，解決了用戶對(duì)傳感器輸出電流信號(hào)的需求。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電流電路原理圖

圖3 ，RS485串行通信電路包括 MAX485轉(zhuǎn)換芯片，將敏感器件的輸出電平轉(zhuǎn)換為RS485電平。敏感器件信號(hào)分別進(jìn)入轉(zhuǎn)換芯片的第一管腳和第二管腳，并通過電阻R5和電阻R7進(jìn)行電平上拉；轉(zhuǎn)換后的信號(hào)分別由轉(zhuǎn)換芯片的第六管腳和第七管腳輸出；在轉(zhuǎn)換芯片的輸出端加入保險(xiǎn)電阻F1、F2和穩(wěn)壓二極管D5，可以在戶外工作中防止雷擊，提高可靠性。

圖3 RS485串行通信電路原理圖

通過圖4所示串行通信電路的搭建，將敏感器件的輸出電平轉(zhuǎn)換為RS232電平，實(shí)現(xiàn)了敏感器件的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的功能，解決了用戶對(duì)傳感器輸出數(shù)字信號(hào)的需求。

圖4 RS232串行通信電路原理圖

圖5 輸出信號(hào)選擇電路原理圖

圖5 所示，電壓轉(zhuǎn)換電流電路的輸出信號(hào)分別進(jìn)入跳線選擇開關(guān)J5-T H的第三管腳和J6-RH的第三管腳；RS485串行通信電路的輸出信號(hào)分別進(jìn)入跳線選擇開關(guān)J5-T H的第二管腳和J6-RH的第二管腳；RS485串行通信電路的輸出信號(hào)分別進(jìn)入跳線選擇開關(guān)J5-T H的第一管腳和J6-RH的第一管腳；通過輸出信號(hào)選擇電路的跳線選擇開關(guān)可以按需選擇輸出信號(hào)形式，包括4～20 mA電流信號(hào)、RS485信號(hào)和MAX232信號(hào)。通過輸出信號(hào)選擇電路的搭建，實(shí)現(xiàn)了傳感器輸出信號(hào)的快速靈活切換，解決了用戶對(duì)傳感器不同輸出信號(hào)選擇的需求。

2 結(jié)語(yǔ)

通過以上過程，得到了一種具有供電電壓范圍寬、測(cè)量精度高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、接口靈活等特點(diǎn)的適用于海洋環(huán)境的溫濕度傳感器，滿足了海洋對(duì)溫濕度傳感器環(huán)境適應(yīng)性的要求，及用戶對(duì)溫濕度傳感器接口形式多樣性的需求，彌補(bǔ)了國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的空白，具有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

［1］ 陳如冰，吳向東.溫濕度計(jì)校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度分析［J］.江蘇省計(jì)量測(cè)試學(xué)術(shù)，2008（3）：134-137.

［2］ 黃慶安，秦明，張中平.CMOS工藝兼容的溫濕度傳感器［J］.半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2005，26（7）：15-18.