一种定频湿度测量系统和方法以及可读存储介质与流程

1.本发明涉及气象探测技术领域，尤其涉及一种定频湿度测量系统、一种定频湿度测量系统方法，以及可读存储介质。


背景技术：

2.气象探测是获取气象要素的重要手段，通常被用于观测地面至数十千米的温度、湿度、风速、风向、气压的垂直分布数据。在气象探测的众多要素中，湿度因其在天气预报和气候监测等方面有着十分重要的作用，在气象探测领域占有不可或缺的地位。与静止的地面湿度观测设备不同，定频湿度测量系统是被安装在探空气球之上，由电池供电驱动且会随探空气球破裂失效的一种特殊湿度测量系统，对系统的体积、重量、功耗和成本都有着极高的要求。同时，湿度传感器的工作环境会随着探空仪升空发生快速变化，对湿度测量的响应速度与测量准确度亦有极高的要求，因此有必要对定频湿度测量系统进行针对性的设计。
3.湿度敏感元件是定频湿度测量系统的关键部件，通常为湿敏电容器或湿敏电阻器。因为湿敏电容器的准确度比湿敏电阻器的准确度更高，测量范围更大，响应时间更短，因此受到了工程和学术领域的广泛关注，是目前业界主流的湿度敏感元件。如何对湿敏电容器的容值进行高效准确的测量，从而测定湿度是目前气象探测的一个重要课题。


技术实现要素：

4.针对上述技术问题，本发明实施例提供一种定频湿度测量系统、一种定频湿度测量系统方法，以及可读存储介质。
5.根据第一方面，本发明提供一种定频湿度测量系统，其特征在于，所述系统包括：
6.逻辑控制模块，用于输出时序控制信号；
7.定频积分模块，连接所述逻辑控制模块，用于根据所述逻辑控制模块输出的时序控制信号以固定频率测量湿敏电容的容值，获得湿敏电容积分波形图；
8.容值转换模块，连接所述定频积分模块，用于将所述定频积分模块输出的湿敏电容积分波形图转换为幅值与所述湿敏电容的容值相关的第一直流电信号；
9.模数转换模块，连接所述容值转换模块和所述逻辑控制模块，用于将所述容值转换模块输出的第一直流电信号转换为相应的数字信号，输出给所述逻辑控制模块，以供所述逻辑控制模块根据所述容值转换模块输出的所述第一直流电信号计算所述湿敏电容的容值，进而根据所述湿敏电容的容值测算湿度。
10.在本发明的一个实施例中，上述系统还包括：
11.温度补偿模块，用于测定表征所述湿敏电容所处的环境温度的第二直流电信号；
12.所述模数转换模块，还连接所述温度补偿模块和所述逻辑控制模块，用于将所述温度补偿模块输出的第二直流电信号转换为相应的数字信号，输出给所述逻辑控制模块，以供所述逻辑控制模块在根据所述第一直流电信号计算所述湿敏电容的容值时进行温度
补偿，然后根据补偿后的所述湿敏电容的容值测算湿度。在本发明的一个实施例中，上述湿敏电容积分波形图为频率恒定、幅度变化的周期性三角波形图。
13.在本发明的一个实施例中，上述第一直流电信号和第二电直流信号均为直流电压信号。
14.在本发明的一个实施例中，上述定频积分模块包括：第一四通道模拟开关和第二四通道模拟开关、第一运算放大器和第二运算放大器、积分电阻和湿敏电容；
15.其中，所述第一四通道模拟开关和第二四通道模拟开关的各自的通道控制端作为所述定频积分模块的输入端，连接所述逻辑控制模块的时序控制信号输出端，所述第一四通道模拟开关的第一和第二输入端分别接收正基准电压和负基准电压，所述第一四通道模拟开关的第三和第四输入端分别接地，所述第一四通道模拟开关的输出端连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的反相输入端连接所述第一运算放大器的输出端；所述第一运算放大器的输出端通过所述积分电阻连接所述第二运算放大器的反相输入端，所述第二运算放大器的同相输入端接地，所述第二运算放大器的输出端连接所述第二四通道模拟开关的输出端，所述第二四通道模拟开关的第一和第二输入端悬空，所述第二四通道模拟开关的第三和第四输入端连接所述第一运算放大器的输出端，所述湿敏电容跨接在所述第二运算放大器的反相输入端和输出端之间；所述第二运算放大器的输出端作为所述定频积分模块的输出端，连接所述容值转换模块的输入端。
16.在本发明的一个实施例中，上述容值转换模块为平均值转换电路。
17.所述平均值转换电路包括整流器和低通滤波器，其中，所述整流器的输入端作为所述容值转换模块的输入端，连接所述定频积分模块的输出端，所述整流器的输出端连接所述低通滤波器的输入端，所述低通滤波器的输出端为所述容值转换模块的输出端，连接所述模数转换模块的输入端。
18.在本发明的另一实施例中，上述容值转换模块也可以为采样保持电路；
19.所述采样保持电路包括采样模拟开关、采样保持电容和采样运算放大器，其中，所述采样模拟开关的一端连接所述定频积分模块的输出端，另一端通过采样电阻连接所述采样运算放大器的同相端，所述采样运算放大器的同相端还连接所述采样保持电容的一端，所述采样保持电容的另一端接地，所述采样运算放大器的反相端通过rc并联电路模块与所述采样运算放大器的输出端连接，所述采样运算放大器的输出端为所述容值转换模块的输出端，连接所述模数转换模块的输入端。
20.在本发明的一个实施例中，上述系统还可以包括基准电压模块，连接所述定频积分模块和模数转换模块，用于为所述定频积分模块和模数转换模块提供满足预设条件的基准电压；
21.在本发明的一个实施例中，上述预设条件包括：在所述定频积分模块的工作周期内，所述基准电压模块的温漂小于给定阈值。
22.在本发明的一个实施例中，上述所述温度补偿模块包括铂电阻电路。
23.在本发明的一个实施例中，上述逻辑控制电路中预存有容量
‑
温度
‑
湿度标准表，以供所述逻辑控制电路根据接收的所述数字信号，通过查找所述容量
‑
温度
‑
湿度标准表和线性插值计算，测算出湿度。
24.第二方面，本发明还提供一种利用上述系统进行定频湿度测量的方法，所述方法
包括以下步骤：
25.根据测量湿敏电容的容值，确定定频积分模块的工作周期；在具体实施时，例如根据湿敏电容数据表所推荐的数值来确定定频积分模块的工作周期。
26.控制逻辑控制模块于每个工作周期内输出相应的时序控制信号给定频积分模块，使得定频积分模块在每个工作周期内完成对湿敏电容的充电和放电，以实现对湿敏电容的周期性测量，获得湿敏电容积分波形图；
27.根据所述湿敏电容积分波形图测算湿度；
28.其中，所述湿敏电容积分波形图被转换为幅值与所述湿敏电容的容值相关的第一直流电信号来测算湿度。
29.在本发明的一个实施例中，上述控制逻辑控制模块于每个工作周期内输出相应的时序控制信号给定频积分模块，使得定频积分模块在每个工作周期内完成对湿敏电容的充电和放电，包括以下步骤：
30.将每个工作周期划分为四个等长的时间片段，控制逻辑控制模块于四个时间片段依次输出相应的时序控制信号给定频积分模块，使得定频积分模块在所述四个时间片段内分别完成对湿敏电容的正相充电、反向充电、一次放电和二次放电。
31.根据第三方面，本发明还提供一种可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的定频湿度测量方法的步骤。
32.与现有技术相比，本发明的实施例至少具备以下优点：
33.本发明提供的湿度测量系统是一种基于定频积分器的湿度测量系统，该系统通过改变电容测量电路的结构和控制时序，巧妙地将程控积分器应用于湿度测量领域，使用固定测量频率对湿敏电容器进行测量，从根本上解决了在传统的振荡电路测量过程中因频率改变而产生的测量误差，同时积分器还具有抑制对地分布电容的能力，尤其适合探空过程中传感器支架分布电容较大的工作环境。此外，通过建立更加完整的校准数据表，例如容量
‑
温度
‑
湿度标准表，能够进一步提升湿度测量系统的测量准确度，并应用于诸如地面等对准确度要求更高的湿度观测领域。
附图说明
34.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，在附
35.图中：
36.图1为本发明实施例一的定频湿度测量系统的组成示意图；
37.图2为本发明实施例二的定频湿度测量系统的组成示意图；
38.图3为图2的定频湿度测量系统的定频积分器电路原理图；
39.图4为图2的定频湿度测量系统的定频积分器信号时序图；
40.图5为图2的定频湿度测量系统的基准电压电路原理图；
41.图6为图2的定频湿度测量系统的平均值转换器电路原理图；
42.图7为本发明实施例三的定频湿度测量系统的组成示意图；
43.图8为图7的定频湿度测量系统的采样保持器电路原理图；
44.图9为图7的定频湿度测量系统的定频积分器的信号时序图。
具体实施方式
45.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
46.湿敏电容并不是理想电容器，在温度、湿度恒定的环境下，湿敏电容容量与测量频率具有明显相关性，这一特性使得基于rc振荡电路的变频湿度测量系统在电容测量过程中引入一定的测试误差。
47.为此，本发明提出一种恒定测量频率的湿度测量系统，以消除频率变化引起的湿敏电容数值波动，和抑制支架分布电容对湿度测量的干扰，由此显著提升探空过程中湿度测量的准确度。
48.实施例一
49.如图1所示，本实施例的定频湿度测量系统是一套围绕湿敏电容器设计的程控积分测量系统。该系统包括：
50.逻辑控制模块100，用于输出时序控制信号；
51.定频积分模块200，连接所述逻辑控制模块100，用于根据所述逻辑控制模块输出的时序控制信号以固定频率测量湿敏电容的容值，获得湿敏电容积分波形图；
52.容值转换模块300，连接所述定频积分模块200，用于将所述定频积分模块输出的湿敏电容积分波形图转换为幅值与所述湿敏电容的容值相关的第一直流电信号；
53.温度补偿模块400，用于测定表征所述湿敏电容所处的环境温度的第二直流电信号；
54.模数转换模块500，连接所述容值转换模块300和温度补偿模块400以及逻辑控制模块100，用于将所述容值转换模块300输出的第一直流电信号和所述温度补偿模块400输出的第二直流电信号分别转换为相应的数字信号，输出给所述逻辑控制模块100，以供所述逻辑控制模块100测算湿度；
55.基准电压模块600，连接所述定频积分模块200和模数转换模块500，用于为所述定频积分模块200和模数转换模块500提供满足预设条件的基准电压。
56.上述系统通过改变电容测量电路的结构和控制时序，巧妙地将程控积分器应用于湿度测量领域，使用固定测量频率对湿敏电容器进行测量，从根本上解决了在传统的振荡电路测量过程中因频率改变而产生的测量误差，
57.实施例二
58.在本实施例中，实施例一的系统可以采用微控制器、模拟开关、运算放大器、模数转换器等通用器件组成，其结构框图可参见附图图2。
59.在图2中，微控制器负责积分器时序控制、读取外部模数转换器寄存器值、补偿运算、校准、通讯等功能。在微控制器控制下，由4:1模拟开关(也称为四通道模拟开关)和运算放大器组成的积分器将湿敏电容的容量转换成频率恒定、幅度变化的三角波波形图。位于积分器后级的整流电路和低通滤波电路构成平均值转换器，用于将三角波转换为直流电压信号，最终再由模数转换器将直流电压信号转换为相应的数字信号，供微控制器读取。同时，模数转换器与铂电阻相连，用于测定湿敏电容所处的环境温度，以用于湿度测量过程的温度补偿。
60.上述测量系统的核心为程控定频积分器，其电路原理图如图3所示，信号时序图如
图4所示。
61.由图3可知，程控定频积分器主要由双4：1模拟开关u1和运算放大器u2构成。运算放大器u2a作为电压跟随器，用于消除模拟开关内阻对电路造成的影响；运算放大器u2b与积分电阻r1、积分电容c(即湿敏电容)相连，构成积分器电路，一方面可实现电容容量向交流电压转换功能，另一方面可抑制电容c两侧对地的分布电容对测量结果的干扰。程控积定频分器的控制时序被存储于微控制器的数据缓存中，通过定时器控制dma驱动gpio将数据缓存高速写入模拟开关u1a和u1b各自的控制引脚a和b。
62.由图4可知，程控定频积分器的每个工作周期共200us，被等分为4个50us的时间片段，依次通过微控制器输出的时序控制信号选通模拟开关的通道1至通道4。模拟开关u1a的四路输入分别为正基准电压ref 和负基准电压ref
‑
以及两路电源地，模拟开关u1a的输出作为积分器u2a的输入。在0
‑
50us时，正基准电压ref 通过积分电阻r1对湿敏电容c进行充电，进行正相积分，由于运算放大器u2b反向输入端的电压等同于同相输入端的电压，因此湿敏电容充电电流可由式(2)表达：
[0063][0064]
式中，i
charge
为流过电阻r1的电流。
[0065]
湿敏电容另一端电压u
cap
，即运算放大器u2b的输出电压，可由式(3)表示：
[0066][0067]
式中为c为湿敏电容，t为积分时间。
[0068]
当正相积分结束时，湿敏电容c的电压达到峰值，随后模拟开关断开ref ，选通ref
‑
。在50
‑
100us时，模拟开关将负基准电压ref
‑
接入积分器，对湿敏电容进行反向积分。正基准电压ref 与负基准电压ref
‑
是一组绝对值相同，极性相反的基准电压，故在反向积分结束时，湿敏电容的理论电压应归零。由于运算放大器并非理想放大器，因此在反向积分结束后电容上仍然存在微量剩余电荷，这一残留电荷会使湿敏电容两端逐渐形成一定的直流电势，进而给测量带来严重影响。
[0069]
因此，在100
‑
200us时，模拟开关u1b将积分电阻与积分电容短路，构成电容器放电回路，对积分器进行清零，以消除剩余电荷，避免出现电荷积累的情况。
[0070]
在完成积分器清零后，模拟开关将再次选通1通道，进入一个新积分周期，周而复始实现湿敏电容的连续测量。
[0071]
如图5所示是该测量系统的基准电压电路。在本实施例中，该基准电压电路的核心为微功耗分流电压基准由于湿度测量系统的工作环境恶劣，工作温度可能出现高达100℃的变化，因此基准器件的温漂势必会对系统测量准确度造成显著影响。通常，解决这一问题的方法是换用温漂更加低的基准器件，但是会对系统成本造成不利影响。对此，本发明提出，可优选地将基准电压ref 连接至模数转换器的外部基准电压输入端口，以大幅降低基准器件的性能需求。
[0072]
在此情况下，对于模数转换器采集的电压u
adc
可由式(4)表示：
[0073][0074]
式中code为模数转换器的数据寄存器读数，full scale为模数转换器的最大量程。
[0075]
对前文式(2)进行整形，可得：
[0076][0077]
对于三角波，其波峰系数为由整流器和低通滤波器组成的平均值电路能够提供三角波向直流的线性转换，可表示为：
[0078]
u
adc
＝k
·
u
cap
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0079]
式中k为恒定的平均值系数。将式(4)、(5)代入式(3)可得：
[0080][0081]
在本实施例中，程控定频积分器额单个测量周期为200us，可认为这一时间内基准电压的温度未发生明显变化，由温漂引发的误差可忽略不计。在此假设下，电容容量可用式(6)表示，根据本发明的构思设计的湿度测量能够有效降低基准电压漂移对测量结果造成的误差。
[0082]
在本实施例中，程控定频积分器的输出是三角波信号，不利于低速模数转换器直接采集，需要增加部分电路将程控定频积分器输出信号转换为直流电信号。本实施例选用平均值转换电路作为程控定频积分器与模数转换器之间的中间级，其电路图如图6所示。
[0083]
在本实施例中，平均值转换电路包括全波整流器，是半波整流器的增强电路，由运算放大器u3、二极管d1、d2和7只外围电阻组成。电路中r3＝r5，使半波整流器部分增益为1；r4＝2r6，使半波整流器相对输入信号的增益为2。当电容c1不存在时，对于正半周信号，u3b输出为输入信号与参考信号(电源地)求和；对于负半周信号，u3b输出为半波整流器输出的反向波(增益为2)与输入信号求和。这样对于一个完整的正负半周信号，u3b输出处得到全波整流信号。电容c1的加入，可使全波整流器的加法器部分构成一阶低通滤波器，其截至频率f可表示为：
[0084][0085]
适当的转折频率可在滤波效果与延时之间取得平衡，当r7＝20kω，c1＝820nf时，滤波器截至频率约为10hz，对于5v的输入电压，延时约为0.08s，远小于湿敏电容器的响应时间，能够满足湿度探测系统的需要。
[0086]
实施例三
[0087]
当然，本发明在实际应用时，也可不限于实施例二的技术方案。例如，可以在如图7所示的系统中采用采样保持器作为程控定频积分器与模数转换器的中间级，由微控制器控制，将程控定频积分器输出的三角波峰值电压进行一定时间保持，从而在此一定时间内，使得模数转换器的输入电压与程控定频积分器的峰值电压相等，即：
[0088]
u
adc
＝u
cap
。
[0089]
如图8所示，采样保持器主要由采样模拟开关u5a、采样保持电容c1、采样运算放大
器u3a构成。采样模拟开关u5a在程控定频积分器正向积分过程即将结束时闭合，由运算放大器u2b通过电阻r3对采样保持电容c1进行充电。采样模拟开关u5a在程控定频积分器的反向积分、清零过程断开，阻止程控定频积分器对采样保持器进行放电，如此能够使得采样保持电容c1两端的电压不发生变化，采样保持器输出电压与程控定频积分器的峰值电压相等。在本实施例中，采样保持器的精度与采样保持电容c1的电荷泄放速度有关，不宜由采样保持电容c1直接驱动模数转换器，故而此处采用采样运算放大器u3a作为模数转换器的输入缓冲器，以降低模数转换器输入电路漏电流对采样保持电容c1造成的电量损失，有助于提高采样保持器的保持精度。采样保持器的保持精度可由下式表达：
[0090][0091]
式中δv
h
为采样保持过程中采样保持器的压降，c
h
为采样保持电容的容量，q为采样保持过程中电容所泄放的电荷电量，t
h
为最大保持时间，i
h
为由采样模拟开关及采样运算放大器造成的漏电流。
[0092]
图9为图7所示系统的程控定频积分器的信号时序图。
[0093]
系统校准
[0094]
应当说明的是，当对湿度测量准确度要求较高时，通常认为湿敏电容的容量
‑
温度
‑
湿度特性曲线是非线性的，且这一曲线难以使用简单函数描述。为提高测量系统的准确度，上述实施例的测量系统的微控制器中预先存储有通过多次实验确定的典型容量
‑
温度
‑
湿度标准表，用来解决这一非线性问题。由于湿敏电容具有一定离散性，其静态容量与典型容量电容存在一定偏差，因此典型电容
‑
温度
‑
湿度标准表无法直接用于数据转换。在上述实施例中，校准过程是连接测量系统实际装配的湿敏电容与典型电容
‑
温度
‑
湿度标准表的重要桥梁。通过校准，可将实际装配湿敏电容与典型电容的比例及偏移量计算出来，并写入测量系统的存储器中，然后在实际测量时，只需查表并进行线性插值计算，即可实现准确的温度补偿与湿度测量。
[0095]
实施例四
[0096]
本实施例提供了一种存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上文所述的定频湿度测量系统的步骤。
[0097]
这些程序代码也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程中指定的功能的步骤。
[0098]
存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体，可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。存储介质的例子可以包括但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd
‑
rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
[0099]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在
特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0100]
应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
[0101]
应当理解的是，本说明书中的示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。提供这些实施方式是为了使得本技术的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，而不应当理解为对本发明的限制。