基于多样性能量获取的自适应耦合变频露点传感器*

林 楠，魏 斌

(郑州大学 软件技术学院，河南 郑州450002)

0 引 言

在工业过程自动化控制、智慧农业、生物制药和医疗护理等诸多领域［1］，露点传感器因其在潮湿、多噪声和高温环境依然可以准确测量露点，为大气和气候监测、设备湿度及水分浓度评估［2］等提供可靠依据。传统的冷镜式露点仪设计的传感器在实际应用中存在高湿度和高温度下测量精度下降、聚合物光纤膨胀破坏传感包层、传感器能量供给和信号传输可靠性保障等［3］难题，因此，寻找一种具有可靠能量获取且抗干扰、耐高温和高湿的恶劣环境的露点传感器成为各个应用领域解决的关键技术之一。

Chase A O 等人［4］提出了包含有关温度、相对湿度和露点的环境变量的标准的远程数据采集亚马逊森林环境变量的系统原型。Mathew J 等人［5］基于光子晶体光纤(PCF)干涉仪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检测传感器。文献［6］根据大气湿度测量的问题，在露点测量方法的基础上，提出了谐振和分离的露点感测装置的设计方案。文献［7］将MEMS 传感器和信号处理相结合研究了一种电容式露点传感器用于对大气环境进行露点温度检测。文献［8］将石英晶体用作湿敏元件然后制冷通过半导体制冷器实现，从而研发一种基于敏感电路的露点测量方法。为了提高大气环境下湿度测量精度，文献［9］将ARM Cortex—M3 处理器与MEMS 技术相结合设计了电容式传感器。Islam T 等人［10］结合微控制器研发了数字温湿度计系统。

本文研制了一种新型露点传感器，实验结果表明:该传感器具有精度高与寿命长等优点。

1 多样性能量获取算法

本文在露点传感器节点架构上，研发基于机械能和光能转换为电能的多样性能量获取和存储机制。

基于机械能转换的能量获取装备以机械感应和能量转换为主，外接整流滤波电路连接能量存储芯片。其中，机械感应元器件需要选择机械能吸收区域、传导及吸能材料，能量转换可通过线圈与电容器串联电路实现，然后外接二极管和电容器实现整流滤波，以便为露点传感器节点提供稳压直流工作电压，其结构如图1 所示。

图1 机械能获取装备设计结构Fig 1 Design structure of mechanical energy harvesting equipment

通过光能感知和转换实现能量收集的装备与机械能感知设备有所不同，其中，光感知设备如图2 所示，包括氩离子滤光器、分色镜、滤光片等，其中，二极管一方面利用它的导通特性，判断当前接收到的电压是否足够激励传感器节点工作，另一方面与电容器串联实现滤波整流的功能，然后外接如图3 所示的整流—滤波电路芯片。

综上，将图1～图3 所示的设备电路添加到露点传感器头结构中，机械能、光能获取方式设计的适用于露点传感器的多样性能量获取算法和实现流程，描述如下:

1)在露点传感器节点头结构中激活机械感应装置和光能装置，假设机械能收集的能量为η1，光能装置获取的能量为η2;

2)能量经传导器件送至吸能区域，其损耗因子为δ1，是常量，由具体材料物理属性决定;

3)机械能由吸能区域处理后当到达极值时，若能够使得二极管导通并快速增大至最大值，则经能量转换后进入如图3 所示的整流滤波电路;

4)光波经反射、折射和聚集处理后经滤光片连接图3所示整流—转换电路，此时电路损耗为δ2;

5)由步骤(3)和步骤(4)收集到的能量到达能量存储芯片，其实时能量为ηs。

因此，多样性能量获取算法收集到的总能量ηs结合机械能和光能电气属性和伏安特性，可由式(1)计算得到

其中，is为露点传感器节点头结构中能量收集装备瞬态电流值。

为了分析上述能量获取算法性能，在布设的传感器拓扑中，监测某露点传感器节点流通时间对瞬态电流 和电容电压的工作状态变化情况，如图4 所示。从图4 可以看出，多样性能量获取算法会根据机械能感知和光感知的能量收集瞬态状态，通过二极管的导通特性加以判断，自适应激励二种能量收集设备，不仅提高能量收集效率而且可以提高传感器节点的能量使用效率。

图2 光能获取结构Fig 2 Structure of luminous energy acquisition

图3 转换—滤波等效电路Fig 3 Conversion—filtering equivalent circuit

图4 多样性能量获取性能分析Fig 4 Performance analysis of diversity of energy harvesting

2 自适应耦合变频露点传感器

为了进一步提高能量使用效率、充分利用光纤切割工业特性、工作环境噪声干扰和新型号衰弱特点，将露点传感器节点的耦合与变频相结合，设计传感器头结构，改进传感器制作工艺。

露点传感器中的液度计一般采用小佩尔捷效应元件制冷的折射镜设计，其装备结构如图5 所示，其中在传感器头中添加了具有形状记忆的合金，加入了A/D 转换器件，光探测器中的光纤切割角度为α，透镜厚度为a，高度为r，真空导率为μ0，信噪比为SL，则输出相对光强LLight如式(2)

其中，ω 为角频率，ν(Sk)为信噪比在传导过程中带来的增益函数。

图5 输出相对光强测量装备Fig 5 Measurement equipment of output relative light intensity

基于式(2)对图5 所示装备分析光纤切割角度和信噪比对输出相对光强的影响，结果如图6 所示。发现输出相对光强与光纤切割角度和信噪比动态变化呈正比，但随着光纤切割角度会持续增大，而信噪比增大到某一值后则输出相对光强趋于平稳，因此，在设计露点传感器节点头结构时，在光探测器中的光纤切割工艺过程和监测环境动态噪声干扰过程需要考虑该阈值，从而在低功耗和低功率下使得露点监测精度达到最优，并减少能量无益损耗。

图6 输出相对光强动态分析Fig 6 Dynamic analysis on output relative light intensity

根据角频率和输出相对光强可得到耦合频率f0，如式(3)所示

从中发现f0与光纤切割角度和信噪比存在线性正比例关系，因此，可以通过实际装备工艺实现自适应耦合变频控制。

综上，基于光纤切割角度和信噪比设计的适用于露点传感器的自适应耦合变频算法，露点传感器头结构制作工艺如图7 所示。

3 实验结果与性能

为了验证所设计的露点传感器在检测精度、工作功率和生命周期等方面性能，分析其工作效率、工作电压蓄能强度和生存能力，并与电容式露点传感器进行对比。

图7 露点传感器头结构制作工艺Fig 7 Production process of dew point sensor head structure

图8 给出了10 min 检测时间内分别采用电容式设计方案和所提方案的露点传感器节点在潮湿环境下统计得到的检测精度、工作功率和生命周期等结果。潮湿环境下所提方案的温度检测精度明显高于电容式，因为所提方案中考虑了自适应耦合变频，降低了环境因素导致的检测误差，具备了多样性能量获取能力，可以为露点传感器节点持续提供稳定的工作电压，保持较强的工作功率，同时有效地延长了节点的生命周期。

图8 露点传感器性能分析Fig 8 Performance analysis on dew point sensor

4 结 论

1)分析机械能和光能感知设备设计了多样性能量获取算法及其设计方案。

2)研究了露点光纤传感器的切割角度和工作环境信噪比对输出相对光强和工作功率的影响，提出了自适应耦合变频算法。

3)在此基础上研制了一种新型露点传感器。实验结果表明:与电容式露点传感器相比，所提方案设计的传感器在检测精度、工作功率和生命周期等方面具有显著提高和改善。

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