[发明专利]一种用于露点识别的石英谐振敏感电路

说明书

技术领域：

本发明涉及一种用于露点识别的石英谐振敏感电路，它是一种由三个分支电路组合构成的对于石英晶体谐振器电极表面结露现象极为敏感的测量电路。属于湿度传感器技术领域。

背景技术：

空气中水汽的含量，即所谓的湿度。湿度的精密、快速测量是气敏传感器中的难点之一。湿度通常有三种基本形式，即绝对湿度、相对湿度、露点温度，三者存在紧密的联系，并且可以互为换算。其中露点温度的测量已被国际公认为最精密的湿度测量方法。

露点温度是表示空气中水汽含量和气压不变的条件下冷却达到饱和时的温度，单位用摄氏度(℃)表示。露点测量其关键技术在于露点的探测与识别。目前主要的露点识别技术有冷凝光电法、声波法以及晶体振荡法。

冷凝光电法是利用等压冷却或者半导体制冷方法使被测气体中的水蒸气开始出现露或霜，测量此时的温度，即为该气体的露(霜)点。它的识别原理是以观察抛光镜面的亮度确定露点温度。光学冷镜式露点仪就是利用此原理制作的露点测量装置，主要缺点是抗污染能力差，响应速度慢，不能进行露点的连续测量，价格高昂。

声波法的工作原理是当传感器表面没有露(霜)层时,声表面波没有变化；随着温度的降低,当传感器表面有露(霜)形成后,就会引起声表面波的变化。通过分析接收到的声表面波信号的频率和振幅,控制帕尔帖致冷器调节传感器表面的温度,使得水汽的冷凝速度和露(霜)层的蒸发速度达到平衡状态,在传感器表面形成一层均匀的露(霜),由铂热电阻温度计测得气体的露点温度。声表面波露点仪对温度的控制精度有很高的要求。

石英晶振(QCM)技术是通过监控带吸湿涂层的石英晶体的频率变化来实现的，该晶体对水分有特别灵敏的响应。晶体表面涂层吸收一定量的水分导致有效质量增加，从而降低晶体的共振频率，使该频率直接对应到水气分压。上述过程完全可逆，并不受长期漂移影响，可靠性高、重复性好。这是一项较新的技术，目前尚处于不十分成熟阶段，国外有相关的产品，但是精度不高并且成本很高。

发明内容：

本发明的目的是为了提供一种用于露点识别的石英谐振敏感电路，石英晶体作为电路中的选频元件同时也作为感湿元件，其表面相态的变化直接影响整个电路的电特性从而导致此电路输出结果的不同，利用此敏感机理可以将电路输出结果的突变作为一种露点识别的手段。本电路具有结构简单、灵敏度极高、可靠性好、成本低的优点。

为实现上述的目的，本发明采用如下的技术方案：

本发明一种用于露点识别的石英谐振敏感电路，包括：Colpitts振荡电路、快速电压比较电路和可重触发单稳态触发电路；它们相互之间的关系是：Colpitts振荡电路的信号输出端与快速电压比较电路的信号输入端相连，快速电压比较电路的信号输出端与可重触发单稳态触发电路的信号输入端相连。

所述Colpitts振荡电路，由石英晶体谐振器、电容、电阻、三级管以及电源组成，它们相互之间的连接关系是：石英晶体谐振器与电容C1串联之后与电容C2和C3并联，电容C3与石英晶体谐振器相连处接地，电容C2的两端分别与三极管的集电极和发射极相连，电容C5、电阻R1和电源组成串联回路之后并联在电容C1和石英晶体谐振器两端，三极管的基极与电阻R1一端相连，电阻R2与电容C3并联，电容C4的一端与三极管的发射极相连，另一端作为Colpitts振荡电路的信号输出端与后续电路的信号输入端相连。如图1所示。电路中各个电容和电阻的具体参数根据晶振的不同进行调整，以达到静态工作点的要求。满足静态工作点且供电后，该电路具有两种工作状态：振荡状态和停振状态。石英晶体谐振器作为Colpitts振荡电路中的选频元件，当其表面电极区域有凝露产生，就会使其本身阻抗特性发生突变从而导致Colpitts振荡电路停止振荡，电路输出一个直流偏置；反之，当晶体表面电极区域一直处于干燥状态时，Colpitts振荡电路会一直处于稳定的谐振状态，并输出振幅稳定的正弦信号。因此，随着石英晶体谐振器电极表面的相态变化，Colpitts振荡电路会输出间歇的正弦信号。

该石英晶体谐振器选用频率为4MHz的无源晶振；该电容选取无极性固定电容，C1、C2、C3分别为100pF，C4为0.05uF，C5为0.01uF；该电阻R1、R2分别选取220KΩ和1KΩ的精密电阻；该三级管选取NPN型低功率三极管；该电源选取+12V稳压直流电源；