氣密包裝箱氣體狀態監測裝置設計

張自強，呂秀梅，張學偉，侯沖，吳云龍，王建穎，張慶宏

氣密包裝箱氣體狀態監測裝置設計

張自強，呂秀梅，張學偉，侯沖，吳云龍，王建穎，張慶宏

（北京新風航天裝備有限公司，北京 100854）

為了實現氣密包裝箱內氣體溫度、濕度、壓力、氮氣濃度的實時監測。研究傳感器芯片板級集成技術及電信號氣密傳輸技術，推導基于氧氣傳感器的氮氣濃度采集算法，設計一套氣體狀態監測裝置。基于嵌入式處理器和.NET框架界面完成了監測裝置的設計，在國家標準實驗室進行了不同參數的校準測試，在置信概率氮氣體積分數、溫度、相對濕度、壓力的測量不確定度分別為0.34%，0.2 ℃，1.3%，0.05 kPa。該裝置可實時采集氣密包裝箱內氣體狀態參數并在上位機界面實時、穩定顯示，測量不確定度滿足參數精度要求，與密封艙體匹配后12 d氣密測試無壓力泄漏。

氣密；包裝箱；實時監測；多傳感器；數據通信；泄漏率

武器裝備、精密儀器、衛星等長壽命周期產品，需要相對穩定的貯存和運輸環境，在有效減少產品物理損傷的同時，可以防止產品內部敏感器件因氧化、潮濕等原因發生電化學反應，避免影響產品的作戰效能和可靠性指標[1—3]。隨著武器裝備全系統壽命理念和快速反應作戰要求的提出和推廣，產品貯存和運輸保障設備要求實現復雜運輸條件及惡劣多變環境下可靠、穩定貯存和存儲環境狀態監測，產品包裝箱面向智能化、綜合化的方向發展[4—5]。

氣密包裝箱因采取了密封措施，避免了內部氣體與外界空氣的交換，通過充入一定壓力的高純度氮氣惰性氣體，使包裝箱成為一個穩定、封閉的微正壓貯存和運輸環境，可以有效對包裝箱內產品進行保護[6]。為了實時獲取包裝箱內部氣體狀態，防止在貯存、運輸環節超出產品對存儲環境的要求，需要通過測量裝置對箱體內部氣體狀態進行采集。隨著微電子技術、半導體技術和現代傳感技術的快速發展，多功能、集成化、智能化的監測產品成為貯運監測技術的發展趨勢[7]，對氣密包裝箱的檢測也從傳統的色卡、機械壓力表[8—9]的手段轉變為電子化、集成化的監測方式，未來貯運監測技術將集中體現智能化、低功耗、小型化、安全化等4個特點[10—12]。中南大學施榮華等[13]使用物聯網、無線傳感網絡、GPRS無線通信等手段，對倉庫內多個傳感器數據進行提取，建立農產品儲運環境遠程實時監控系統。海軍工程大學李洪偉等[14]設計了航空發動機儲運箱監測系統，采用RFID射頻技術實現儲運過程的溫度、濕度、壓力等參數的實時提取和動態顯示，對航空發動機在惡劣環境下貯存、運輸環節進行有效保護。中北大學王雪嬌等[15]設計了智能電子標簽環境參數采集傳感器，基于紅外通信技術實現顯示器與傳感器的數據傳輸并在上位機中實時顯示。以上方法都是基于傳感器在包裝箱內部，顯示器在包裝箱外部，顯示器通過傳感網絡、RFID射頻、紅外等無線通信方式與顯示器連接，最終將提取的數據在上位機中顯示。對于武器裝備、精密儀器、衛星等涉及國家秘密的重要產品，采用無線通信的方式一旦被植入木馬程序，容易在數據傳輸過程中將產品信息輸出，存在失泄密的風險和隱患[16]，因此，有必要設計一種基于多傳感器的氣密包裝箱環境參數監測裝置，通過多種傳感器對包裝箱內環境參數進行采集并氣密輸出，在處理器中運算、暫存后輸入上位機進行顯示和人機交互。

文中基于多種傳感器板級集成技術和信號氣密電氣連接技術，提出一種氣密包裝箱氣體狀態監測裝置。該裝置通過密封圈與箱體匹配氣密連接，利用有線氣密傳輸的方式實現參數采集、處理及顯示，可有效解決氣密包裝箱對內部環境參數監測的問題，避免國家秘密的重要產品貯運過程中數據失泄密的風險和隱患。

1 氣體狀態監測裝置

1.1 系統概述

氣體狀態監測裝置由檢測器、顯示器和通訊線纜組成，對外接口包括與包裝箱通過密封圈氣密連接的結構接口和顯示器供電接口。檢測器與包裝箱結構通過密封圈氣密匹配，基于板級集成多傳感器進行環境參數信號采集，通過饋通濾波器氣密傳輸后在處理器中數據暫存，并通過輸出接口與顯示器連接。顯示器將檢測器輸出數據解碼轉換、實時顯示和動態存儲，同時進行人機交互。通訊線纜將顯示器與檢測器有線連接，通過串口協議進行信號傳輸，同時可以實現顯示器對檢測器電池的充電。氣體狀態監測裝置原理見圖1。

1.2 氣密檢測器

氣體狀態監測裝置下位機以氣密檢測器為核心，包括結構設計和電氣設計2部分。整體結構為圓柱狀，檢測器接口與包裝箱螺紋連接緊固，采用O型密封圈實現檢測器與包裝箱的氣密連接。多傳感器位于包裝箱內部，處理器位于包裝箱外部，傳感器采集數據通過饋通濾波器與處理器連接，實現信號的氣密傳輸。檢測器三維結構見圖2。

檢測器的電氣部分，設計了以嵌入式處理器STM32F407VET6為主控芯片的氣體采集信號處理電路，包括處理器最小系統、RS-232電路、電源管理電路、存儲電路和信號采集電路。以溫濕度、絕對壓力、氮氣濃度獨立傳感器為采集單元進行參數采集并以信號量輸出，以饋通濾波器為信號傳輸器件實現傳感器與處理器的氣密通訊。檢測器電路原理見圖3。

1.2.1 氮氣濃度參數采集

包裝箱內氮氣屬于惰性氣體，很難與其他介質發生化學反應。由于氮氣的制備是通過物理方法將空氣中的氮氧進行分離[17]，同時箱外部環境為空氣，因此包裝箱內氣體成分主要由氮氣和氧氣組成。采用電化學式氧氣傳感器采集箱內氧氣濃度，通過算法轉換，即可得到箱內氮氣濃度。

圖1 氣體狀態監測裝置原理

圖2 氣密檢測器三維結構

氧氣傳感器上電后，在電極的催化下，工作電極和對電極分別發生氧化還原反應，從而產生相應大小的電流，輸出電流與氣體樣本中氧氣濃度呈正比關系。由于包裝箱內充滿高濃度氮氣，包裝箱整體相對氣密，氧氣濃度較低，因此在負載電阻上的輸出電壓值在毫伏級，通過運算放大器對微弱電壓信號進行前級放大后送入處理器的AD采樣引腳，在處理器中進行運算和分析，最終得到氧氣濃度，通過轉換即可輸出氮氣濃度百分比信息。氧氣濃度采集電路原理見圖4。

結合電路原理[18]基本知識，氧氣傳感器輸出電流sensor與運算放大器輸出電壓out的關系滿足：

(1)

氧氣傳感器在負載電阻上的輸出電壓snesor與樣本氣體中氧氣濃度為線性關系，且存在輸出零點偏移電壓B，因此，snesor與樣本氣體中氧氣體積分數O2（%）的關系滿足：

(2)

式中：0為電壓系數。

根據以上關系，將氧氣傳感器放置于空氣中，上電后去掉氧氣傳感器探頭，測量輸出電壓可以得到零點偏移電壓B=bias。連接氧氣傳感器探頭，穩定后上電，由于空氣中氧氣體積分數為20.9%，測量可以得到空氣中氧氣傳感器輸出電壓sensor=20.9%，由此可知傳感器輸出電壓與樣本氣體中氧氣體積分數的關系滿足：

圖3 氣密檢測器電路原理

圖4 氧氣濃度采集電路原理

(3)

對于包裝箱而言，內部充入高濃度氮氣，箱體外部為空氣環境，一定時間內，由箱外進入箱體內部的氣體成分絕大多數為氧氣，惰性氣體濃度可以忽略不計，因此，包裝箱內氣體成分為氮氣和氧氣，即氮氣體積分數N2=1?O2。綜合式（1—3），可以得到氮氣體積分數N2與運算放大器輸出電壓out的關系滿足：

(4)

式中：bias為氧氣傳感器輸出零點偏移電壓；20.9%為空氣中氧氣傳感器輸出電壓；1，F分別為運算放大器輸入電阻和反饋電阻，以上參數已知。

STM32F407處理器[19]包含12位ADC逐次逼近型模數轉換接口，在處理器內部對out電壓信號進行AD轉換，計算出氮氣體積分數N2，最終將數據經通信接口輸出。

1.2.2 溫濕壓參數采集

檢測器溫濕壓采集包含溫濕度傳感器和2個絕對壓力傳感器：溫濕度傳感器和絕對壓力傳感器1

位于包裝箱內，采集箱內溫濕度、絕對壓力參數；絕對壓力傳感器2位于包裝箱外，采集箱外環境絕對壓力參數，通過對箱內、箱外絕對壓力值做差得到包裝箱微正壓狀態參數。3個傳感器均采用數字輸出式I2C通訊的方式，通過配置傳感器通信地址使得3個信號在I2C總線上不沖突。溫濕壓參數采集電路原理見圖5。

圖5中，為傳感器電源去耦電容，有效濾除電源紋波及高頻干擾，同時為芯片提供穩定的供電電壓；由于傳感器I2C為開漏輸出，因此在I2C總線與電源之間增加了上拉電阻。

1.2.3 下位機軟件架構

下位機以嵌入式處理器為主控芯片實現信號采集、轉換、存儲及通訊上傳，采用C語言在Keil平臺環境中開發編程。下位機軟件實現的主要功能有：多傳感器初始化設置與溫濕度、壓力、氮氣濃度數據讀取；將獲取的多狀態環境參數按照一定的格式存入Nor FLASH相變存儲器并在上位機調用時打包輸出；以RS-232串口方式進行參數設置以及數據輸入、輸出。下位機軟件流程見圖6。

檢測器上電后，首先初始化系統時鐘，隨后對USART、I2C、SPI、GPIO和中斷等系統內部資源初始化，最后對溫濕度、絕對壓力、氧氣傳感器芯片初始化，獲取環境參數狀態信息。初始化結束后進入休眠模式，等待喚醒。

圖5 溫濕壓參數采集電路原理

圖6 下位機軟件流程

下位機喚醒包含2種方式：處理器RTC鬧鐘喚醒和上位機信號喚醒。RTC鬧鐘喚醒模式，根據預設的采樣周期，RTC鬧鐘將處理器喚醒，接收傳感器采樣數據并按照約定格式寫入FLASH中，如果數據異常將發出報警信息。處理器根據設定的采樣時間間隔設定下一次喚醒時間，不斷循環；上位機信號喚醒模式，上位機通過串口發出指令，下位機進入定時中斷程序，通過對串口指令進行解析執行相應的參數設置、參數查詢、數據上傳操作程序，最終返回數據參數，最后進入休眠模式等待再次喚醒。

1.3 顯示器

1.3.1 上位機軟件構架

氣體狀態監測裝置上位機以顯示器為核心，利用手持機硬件資源和操作系統，采用C#語言在Visual Studio開發環境中搭建.NET框架顯示界面。上位機總體框架見圖7。

圖7 上位機軟件總體架構

采用MVC架構分層設計，基于軟件模塊劃分的理念，從上到下依次劃分顯示控制層、業務應用層和數據交互層，實現參數實時顯示、歷史數據查詢、參數設計、聲光報警的功能。

1.3.2 上位機交互界面

結合上位機人機交互功能需求，對顯示界面進行了設置及排布，共3個界面：實時模式采集、定時模式采集、閾值參數設置3個界面，見圖8。

圖8 上位機交互界面

2 實驗與驗證

根據技術原理，完成了產品的設計和功能驗證，氣密檢測器硬件照片見圖9，氣體狀態監測裝置整機照片見圖10。

圖9 氣密檢測器硬件

圖10 氣體狀態監測裝置

2.1 多傳感器選型

結合氣體狀態監測裝置使用環境要求及設計可行性，在傳感器選型方面主要考慮技術指標、環境適應性、通信接口、可靠性等技術指標。具體選型見表1。

表1 多傳感器選型

溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司研制生產的SHT35型數字式集成傳感器，采用DFN-8封裝，包含電容性聚合體測濕敏感元件和能隙材料制成的測溫元件，內部含有AD轉換和I2C輸出接口電路。

絕對壓力傳感器選擇美國TE公司研制生產的MS5803-02BA型數字輸出高分辨率氣壓傳感器，配備I2C和SPI總線接口，內部嵌入了溫度傳感器，可以在無需額外傳感器配合條件下實現自校正。

氧氣濃度傳感器選擇英國Alphasense公司研制生產的O2-A3型長壽命氧氣傳感器，輸出電流大小與氧氣濃度呈線性關系。氧氣傳感器為電化學式消耗器件，使用壽命最高可達3年，滿足使用環境及壽命要求。

2.2 氣體狀態校準測試

為了驗證氣體狀態監測裝置數據輸出的有效性，分別對溫度、濕度、壓力、氮氣濃度4種狀態參量結合包裝箱內氣體狀態范圍，在國家標準實驗室進行了氮氣濃度、溫度、濕度、絕對壓力參數校準。

校準實驗過程中，向密閉的測試艙內充入不同參數的氣體，通過更高精度的傳感器測量氣體參數，與氣體狀態監測裝置示值求偏差。設參數偏差為，則A狀態參數測量不確定度可以表示為：

(5)

式中：為同一狀態不同參數的數量；S為第種參數下的偏差；為偏差的平均值。

2.2.1 氮氣濃度測試

氮氣濃度校準測試中，依據JJG 365—2008《電化學氧測定儀鑒定規程》，選用標準氮氧混合氣體充氣密閉檢測容器中，由裝置進行數據采集并記錄。氮氣濃度校準測試結果見圖11。

圖11 氮氣濃度校準測試結果

在相同溫度、濕度、壓力的氣體中選擇了7種不同氮氣濃度點進行校準測試，根據測量不確定度公式（5）計算可知，監測裝置氮氣濃度的測量不確定度為0.34%(=2)，實際測量結果與理論計算值吻合。

2.2.2 溫濕度校準測試

溫度校準測試中，依據JJF 1076—2001《溫濕度傳感器校準規范》，向密閉測試艙內充入不同溫度、不同濕度的標準氮氣，選用M4/1111型精密露點儀進行溫濕度采集與校準，溫度校準結果見圖12。

在相同相對濕度、壓力、氮氣濃度的氣體中選擇了12個不同溫度點進行校準測試，溫度測量不確定度為0.2 ℃(=2)。同理，在相同溫度、壓力、氮氣濃度氣體中選擇了9個不同濕度點進行校準測試，相對濕度測量不確定度為1.3%(=2)。溫度、濕度 測量不確定度滿足傳感器測量精度要求，數據真實有效。

2.2.3 壓力校準測試

壓力校準測試中，依據JJG 875—2019《數字式壓力計檢定規程》，向密閉測試艙內充入不同壓力的標準氮氣，選用PACE6000型數字式壓力控制器、1508絕緣電阻表進行壓力采集，校準結果見圖13。

2.2.4 泄漏量測試

將氣體狀態監測裝置檢測器結構通過密封圈與特制密封艙體工裝匹配，艙體內充入一定壓力的高純度氮氣，裝置與艙體氣密匹配后，定期測試一段時間內艙內壓力變化情況，見圖14。

經過12 d的泄漏量測量，監測裝置通過O型密封圈與艙體氣密匹配后，壓力計內外壓差維持定值，氣體狀態監測裝置無泄漏。

2.3 可靠性測試

對氣體狀態監測裝置進行可靠性試驗及相關測試，包括環境應力篩選、高溫、低溫、振動、公路運輸等試驗，通過顯示器查看數據一致性、實時性及穩定性。

測試結果表明，顯示器在可靠性試驗過程中可有效顯示當前環境溫度、濕度、絕對壓力、氮氣濃度狀態參數，數據具有一致性，信號傳輸穩定無丟幀、誤碼，可以實時顯示。

圖12 裝置溫濕度校準測試結果

圖13 裝置壓力校準測試結果

圖14 裝置泄漏量測試結果

3 結語

以STM32F407VET6嵌入式處理器為主控芯片，研究了多傳感器板級集成技術和氣密傳輸技術，采用多種傳感器進行氣體狀態參數采集，通過饋通濾波器實現多傳感器與處理器的氣密數據傳輸；設計了上位機軟件架構及顯示界面，利用RS-232協議完成數據傳輸。通過校準測試驗證了理論推導的正確性和采集數據的有效性，通過泄漏量試驗驗證結構和傳輸的氣密性，最后進行了可靠性測試，數據穩定、具有良好的一致性和實時性。該裝置為氣密包裝箱氣體狀態監測提供了一種新方案。

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Design of Gas State Monitor for Airtight Packaging Box

ZHANG Zi-qiang, LYU Xiu-mei, ZHANG Xue-wei, HOU Chong, WU Yun-long, WANG Jian-ying, ZHANG Qing-hong

(Beijing Xinfeng Aerospace Equipment Co., Ltd., Beijing 100854, China)

The work aims to realize real-time monitoring of gas temperature, humidity, pressure and nitrogen concentration in airtight packaging box. The sensor chip board-level integration technology and the electrical signal airtight transmission technology were studied. The nitrogen concentration acquisition algorithm based on the oxygen sensor was derived. A gas state monitor was designed. Based on embedded processor and. NET framework interface, the design of the monitor was completed. Calibration tests of different parameters were conducted in the national standard laboratory. The measurement uncertainty of nitrogen concentration, temperature, humidity, pressure at confidence probability was 0.34%, 0.2 ℃, 1.3%, 0.05 kPa, respectively. Experimental results show that the device can collect the gas state parameters in the airtight packaging box and display them on the host computer interface in real time and stably. The measurement uncertainty meets the requirement of parameter accuracy. After matching with the sealed cabin, there is no pressure leakage after 12 d of airtight test.

airtight; packaging box; real-time monitoring; multi-sensor; data communication; leak rate

TP212.9

A

1001-3563(2022)01-0236-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.01.030

2021-08-28

中國航天科工集團公司關鍵核心技術攻關課題（SXG-2020-007）

張自強（1988—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天器電氣系統設計與檢測技術。