一种海洋气象要素温湿度传感器的制造方法
一种海洋气象要素温湿度传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种海洋气象温湿度传感器领域，特别地涉及一种测量精度高、 环境适应性强、接口灵活以及适用于海洋环境的海洋气象要素温湿度传感器。
【背景技术】
[0002] 空气温度是表示空气冷热程度的物理量，以摄氏度（°C)为单位；空气相对湿度是 表示空气中实际所含水蒸汽的密度和同温下饱和水蒸气密度的百分比值，由于同气压下水 蒸汽密度与水蒸汽分压成正比，所以相对湿度也等于实际水蒸气分压与当时气温下的饱和 水汽压之比，以百分数（％)表示。
[0003] 测量温度的仪器主要有干球温度表、温度计和铂电阻温度传感器。其中，干湿球温 度表是根据水银(酒精）热胀冷缩的特性制成的，观测时必须保持视线和水银(酒精）柱顶端 齐平，并且读数动作要迅速，以避免发生误读，影响温度示数的准确性；温度计是由感应部 分(双金属片)、传递放大部分(杠杆)、自记部分（自记钟、纸、笔)组成，这种温度计在严寒时， 会导致自记钟的轴上润滑油冻凝，发生停摆现象，影响测量的准确性；铂电阻温度传感器是 根据铂电阻的电阻值随温度变化的原理来测定温度的，铂电阻丝烧制在细小的玻璃棒或磁 板上，外面有金属保护管，这种传感器需经常保持清洁、干燥。
[0004] 测量相对湿度的仪器主要有毛发湿度表、通风干湿表和湿敏电容湿度传感器。其 中，毛发湿度表是根据脱脂人发能随空气湿度大小而改变长度的特性，用人发制成的测定 空气相对湿度的仪器，这种传感器容易受到高温、高盐等天气的影响，使毛发变脏，影响测 量精度，需要定期清理；通风干湿表的原理是温度表球部装在与风扇相通的管形套管中，利 用机械或电动通风装置，使风扇获得一定转速使球部处于恒定速度的气流中，以获得测量 数据，但风扇长期旋转易故障，影响测量的准确性；湿敏电容湿度传感器是用有机高分子膜 作介质的一种小型电容器，传感器的头部有保护滤纸，防止感应元件被尘埃污染，每月应拆 开传感器头部网罩，若污染严重应更换新的滤纸，影响测量的准确性
[0005] 在海滨观测规范中，气象观测项目主要有风、气压、空气温度、相对湿度、海面有效 能见度、降水量、雾等气象要素。船舶海洋水文气象观测项目包括气压、气温、相对湿度、风、 云、天气现象、海面有效能见度等气象要素。因此，气温和相对湿度是气象观测要素中的主 要要素。
[0006] 目前，国内的温度传感器和相对湿度传感器是相互独立的，温度传感器是一个铂 电阻，用户使用时需设计温度调理电路，接口电路复杂，使用不便；相对湿度传感器还是传 统的湿敏电容，这种器件不适用于海洋气候环境，可靠性不高，易损坏。国外温湿度传感器 的输出信号单一，无法满足用户对不同接口的需求。
[0007] 国内外已有的温湿度传感器在性能上虽然可以基本满足要求，但是存在如下缺 陷：机械部件易损坏、读数准确度低、接口电路复杂、环境适应性差、维护保养过程繁琐；除 此之外，国内外已有的温湿度传感器的输出信号单一，无法满足用户对不同接口的需求。因 此，为解决现有温湿度传感器存在的问题及缺陷，本实用新型提出一种海洋气象要素温湿 度传感器，以适应复杂恶劣的海洋环境以及用户对不同接口的需求。 【实用新型内容】
[0008] 本实用新型针对陆地用温湿度传感器难以适应海洋高温、高湿、高盐雾、高腐蚀的 海洋环境以及用户接口灵活性需求的问题，提供一种测量精度高、环境适应性强、接口灵活 以及适用于海洋环境的海洋气象要素温湿度传感器，具体技术方案如下：
[0009] 一种海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：由温湿度敏感器件、信号放大电 路、电压转换电流电路、串行通信电路、输出信号选择电路组成，其中，所述温湿度敏感器件 分别与信号放大电路和串行通信电路连接，信号放大电路通过电压转换电流电路与输出信 号选择电路连接，串行通信电路与输出信号选择电路连接；所述温湿度敏感器件根据温度 和相对湿度的变化输出变化的电压信号，一路信号通过信号放大电路将电压信号放大输 出，然后通过电压转换电流电路将变化的电压信号转换为电流信号；另一路信号再通过串 行通信电路转换为数字信号；最后通过输出信号选择电路按要求选择输出信号形式。
[0010] 所述信号放大电路由TLC2652运算放大器及其外围电路组成，温湿度敏感器件的 输出信号分为温度信号和相对湿度信号，温度信号直接进入温度回路的运算放大器的同相 输入端，相对湿度信号直接进入相对湿度回路的运算放大器的同相输入端；通过反馈电阻 连接运算放大器的输出端；温湿度敏感器件的输出信号经过运算放大电路的放大之后分别 进入温度和相对湿度回路的电压转换电流电路。
[0011] 所述电压转换电流电路有XTRlll转换芯片、MOS管和PNP三极管组成，所述 XTRlll转换芯片的输入端连接PNP三极管运算放大电路的输出端，通过偏置电阻设定基础 电压值，进而通过基准电阻进入转换芯片的输入端；转换芯片的输出信号通过MOS管和PNP 三极管连接输出信号选择电路。
[0012] 所述串行通信电路由MAX485转换芯片和MAX232转换芯片两路转换电路组成，所 述温湿度敏感器件的输出信号一方面通过MAX485转换芯片转换为RS485电平，另一方面通 过MAX232转换芯片转换为RS232电平，所述MAX485转换芯片和MAX232转换芯片的输出信 号连接输出信号选择电路。
[0013] 所述输出信号选择电路由跳线选择开关组成，一方面电压转换电流电路的输出信 号连接输出信号选择电路，另一方面串行通信电路的输出信号连接输出信号选择电路；通 过输出信号选择电路的跳线选择开关可以按需选择输出信号形式，包括4-20mA电流信号、 RS485信号和MAX232信号。
[0014] 所述的温湿度敏感器件、信号放大电路、电压转换电流电路、串行通信电路、输出 信号选择电路位于传感器盒体内，所述传感器盒体采用注塑模具制造一次成型，敏感器件 位于盒体的顶端，敏感器件外的壳体由PVC材料制成的防盐雾保护罩。
[0015] 传感器的供电电压范围宽，可以满足不同直流电压值的需要。
[0016] 与现有的技术相比，本实用新型的优点与积极效果如下：本实用新型满足了海洋 对温湿度传感器环境适应性的要求，并且满足了用户对温湿度传感器接口形式多样性的需 求，本实用新型是一种适用于海洋环境的温湿度传感器，测量精度高、环境适应性强、接口 灵活。
[0017] 结合附图阅读本实用新型的【具体实施方式】后，本实用新型的其他特点和有点将变 得更加清楚。
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实用新 型实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单的介绍，对于本领域的普通技术人 员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019] 图1为本实用新型传感器工作原理框图；
[0020] 图2为信号放大电路原理图；
[0021] 图3为电压转换电流电路原理图；
[0022] 图4为RS485串行通信电路原理图；
[0023] 图5为RS232串行通信电路原理图；
[0024] 图6为输出信号选择电路原理图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细的说明。
[0026] 本实用新型传感器针对陆地用温湿度传感器难以适应海洋高温、高盐雾、高腐蚀 的海洋环境以及用户接口灵活性需求的问题，研制了一种海洋气象要素温湿度传感器，该 温湿度传感器能够输出4-20mA电流信号、RS485数字信号和RS232数字信号。
[0027] 本实用新型传感器包括盒体及其内部的硬件电路。盒体的上端装有敏感器件， 敏感器件的外壳是由特殊PVC材料制成的防盐雾保护罩，保护罩表面覆盖特氟隆保护膜， 此保护罩可有效阻止粉尘、盐雾及其他腐蚀性物质进入保护罩内，起到抗盐雾、抗腐蚀等作 用，能有效保护敏感器件，并且该保护罩不含机械部件、抗高温、免维护。
[0028] 本实用新型传感器工作原理框图如图1所示，硬件电路均经过温度补偿处理，包 括敏感器件、信号放大电路、电压转换电流电路、串行通信电路、输出信号选择电路。敏感器 件根据温度和相对湿度的变化输出变换的电压信号，一路信号通过信号放大电路将电压信 号放大输出，然后通过电压转换电流电路将变化的电压信号转换为电流信号；另一路信号 再通过串行通信电路转换为数字信号；最后通过输出信号选择电路按要求选 择输出的信号 形式。
[0029] 经过温度补偿的硬件电路可以保证本实用新型温湿度传感器在高温、低温等复杂 的海洋环境中输出信号及测量数据的准确性。
[0030] 参考图2,信号放大电路包括TLC2652运算放大器及相关的配置电容和电阻，敏感 器件的输出信号进入运算放大器的第三管脚同相输入端；通过反馈电阻R14、R18以及微调 电位器WRl连接运算放大器的输出端；根据TLC2652的偏置电流，将R14和R18确定为10K， 根据同相比例放大倍数计算公式：
[0031]
[0032] 计算出放大倍数为5,为了保证放大倍数的准确性，在电路中加入了微调电位器 WRl ;敏感器件的输出信号经过运算放大电路实现放大，再分别进入温度和相对湿度回路的 电压转换电流电路。
[0033] 需要说明的是本实用新型的信号放大电路也可以通过其他运算放大器搭建，但其 温度漂移性、线性度、高温环境的可靠性劣于上述电路结构。
[0034] 参考图3,电压转换电流电路包括XTRlll转换芯片、MOS管Ql和PNP三极管Q2。 XTRlll转换芯片的输入端连接运算放大电路的输出端，XTRlll芯片的输入电压需要1~5V， 通过参考图4中的电阻RlO和电阻R15进行比例变化，线性地将0~5V电压信号转换成1~5V 电压信号；转换芯片的输出信号通过MOS管Ql和PNP三极管Q2连接输出信号选择电路。
[0035] 根据公式
[0036]
=4 ~20mA， F? =1~5V，计算出JJar也就是参考图4中的电阻R17=2. 5K。
[0038] 通过电压转换电流电路的搭建，实现了敏感器件的输出信号转换成4-20mA电流 信号的功能，解决了用户对温湿度传感器输出电流信号的需求。
[0039] 参考图4，RS485串行通信电路包括MAX485转换芯片，将敏感器件的输出电平转换 为RS485电平。敏感器件信号分别进入转换芯片的第一管脚和第二管脚，并通过电阻R5和 电阻R7进行电平上拉；转换后的信号分别由转换芯片的第六管脚和第七管脚输出；在转换 芯片的输出端加入保险电阻Fl、F2和稳压二极管D5,可以在户外工作中防止雷击，提高可 靠性。
[0040] 参考图5, RS232串行通信电路包括MAX232转换芯片，将敏感器件的输出电平转 换为RS232电平。敏感器件信号分别进入转换芯片的第十一管脚和第十三管脚；转换芯片 上连接的电容C22和电容C26是电平转换的储能电容；转换后的信号分别由转换芯片的第 十二管脚和第十四管脚输出。
[0041] 通过串行通信电路的搭建，实现了敏感器件的输出信号转换成数字信号的功能， 解决了用户对温湿度传感器输出数字信号的需求。
[0042] 参考图6,输出信号选择电路包括跳线选择开关。电压转换电流电路的输出信号分 别进入跳线选择开关J5-TH的第三管脚和J6-RH的第三管脚；RS485串行通信电路的输出 信号分别进入跳线选择开关J5-TH的第二管脚和J6-RH的第二管脚；RS485串行通信电路 的输出信号分别进入跳线选择开关J5-TH的第一管脚和J6-RH的第一管脚；通过输出信号 选择电路的跳线选择开关可以按需选择输出信号形式，包括4-20mA电流信号、RS485信号 和MAX232信号。
[0043] 通过输出信号选择电路的搭建，实现了温湿度传感器输出信号的快速灵活切换， 解决了用户对温湿度传感器不同输出信号选择的需求。
[0044] 海洋用温湿度传感器测量精度及可靠性要求较高，需要对温湿度传感器进行测 试，温度的测试环境选择的是具有检测资质的实验室，在恒温水浴中进行；相对湿度的测试 环境选择的是具有检测资质的实验室，在恒温恒湿试验箱中进行；选择两个研制的温湿度 传感器(分别编号为1#、2#)进行测试，1#温湿度传感器温度准确性测试结果见表1，1#温湿 度传感器相对湿度准确性测试结果见表2, 2#温湿度传感器温度准确性测试结果见表3, 2# 温湿度传感器相对湿度准确性测试结果见表4。
[0045] 表1 1#温湿度传感器温度准确性测试结果
[0049] 测试结果表明，本实用新型温湿度传感器的温度测量最大误差为0. 1°C，相对湿度 测量最大误差为I. 3%RH，远优于气象规范的要求，并且温度和相对湿度测量线性度好。本实 用新型温湿度传感器配备有专用百叶箱，并进行了陆地和海试，完全可以满足港口、岸站、 舰船等海洋环境的气象观测要求。
[0050] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型做其他形式 的研制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述解释的技术内容加以变更或改性为等同 变化的等效实施例应用于其他领域有类似要求的液体、气体的控制，但是凡是未脱离本实 用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等 同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。
【主权项】
1. 一种海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：由温湿度敏感器件、信号放大电路、 电压转换电流电路、串行通信电路、输出信号选择电路组成，其中，所述温湿度敏感器件分 别与信号放大电路和串行通信电路连接，信号放大电路通过电压转换电流电路与输出信号 选择电路连接，串行通信电路与输出信号选择电路连接；所述温湿度敏感器件根据温度和 相对湿度的变化输出变化的电压信号，一路信号通过信号放大电路将电压信号放大输出， 然后通过电压转换电流电路将变化的电压信号转换为电流信号；另一路信号再通过串行通 信电路转换为数字信号；最后通过输出信号选择电路按要求选择输出信号形式。2. 根据权利要求1所述的海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：所述信号放大电 路由TLC2652运算放大器及其外围电路组成，温湿度敏感器件的输出信号分为温度信号和 相对湿度信号，温度信号直接进入温度回路的运算放大器的同相输入端，相对湿度信号直 接进入相对湿度回路的运算放大器的同相输入端；通过反馈电阻连接运算放大器的输出 端；温湿度敏感器件的输出信号经过运算放大电路的放大之后分别进入温度和相对湿度回 路的电压转换电流电路。3. 根据权利要求1所述的海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：所述电压转换电 流电路有XTRlll转换芯片、MOS管和PNP三极管组成，所述XTRlll转换芯片的输入端连接 PNP三极管运算放大电路的输出端，通过偏置电阻设定基础电压值，进而通过基准电阻进入 转换芯片的输入端；转换芯片的输出信号通过MOS管和PNP三极管连接输出信号选择电路。4. 根据权利要求1所述的海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：所述串行通信电 路由MAX485转换芯片和MAX232转换芯片两路转换电路组成，所述温湿度敏感器件的输出 信号一方面通过MAX485转换芯片转换为RS485电平，另一方面通过MAX232转换芯片转换 为RS232电平，所述MAX485转换芯片和MAX232转换芯片的输出信号连接输出信号选择电 路。5. 根据权利要求1所述的海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：所述输出信号选 择电路由跳线选择开关组成，一方面电压转换电流电路的输出信号连接输出信号选择电 路，另一方面串行通信电路的输出信号连接输出信号选择电路；通过输出信号选择电路的 跳线选择开关可以按需选择输出信号形式，包括4-20mA电流信号、RS485信号和MAX232信 号。6. 根据权利要求1所述的海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：所述的温湿度敏 感器件、信号放大电路、电压转换电流电路、串行通信电路、输出信号选择电路位于传感器 盒体内，所述传感器盒体采用注塑模具制造一次成型，敏感器件位于盒体的顶端，敏感器件 外的壳体由PVC材料制成的防盐雾保护罩。
【专利摘要】一种测量精度高、环境适应性强、接口灵活以及适用于海洋环境的海洋气象要素温湿度传感器，具体技术方案如下：其特征在于：由温湿度敏感器件、信号放大电路、电压转换电流电路、串行通信电路、输出信号选择电路组成，其中，所述温湿度敏感器件分别与信号放大电路和串行通信电路连接，信号放大电路通过电压转换电流电路与输出信号选择电路连接，串行通信电路与输出信号选择电路连接。
【IPC分类】G01W1/02
【公开号】CN204649999
【申请号】CN201520290631
【发明人】孙佳, 胡乃军, 崔天刚, 胡桐, 李志乾, 王东明, 漆随平
【申请人】山东省科学院海洋仪器仪表研究所
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年5月7日
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种海洋气象温湿度传感器领域，特别地涉及一种测量精度高、 环境适应性强、接口灵活以及适用于海洋环境的海洋气象要素温湿度传感器。
【背景技术】
[0002] 空气温度是表示空气冷热程度的物理量，以摄氏度（°C)为单位；空气相对湿度是 表示空气中实际所含水蒸汽的密度和同温下饱和水蒸气密度的百分比值，由于同气压下水 蒸汽密度与水蒸汽分压成正比，所以相对湿度也等于实际水蒸气分压与当时气温下的饱和 水汽压之比，以百分数（％)表示。
[0003] 测量温度的仪器主要有干球温度表、温度计和铂电阻温度传感器。其中，干湿球温 度表是根据水银(酒精）热胀冷缩的特性制成的，观测时必须保持视线和水银(酒精）柱顶端 齐平，并且读数动作要迅速，以避免发生误读，影响温度示数的准确性；温度计是由感应部 分(双金属片)、传递放大部分(杠杆)、自记部分（自记钟、纸、笔)组成，这种温度计在严寒时， 会导致自记钟的轴上润滑油冻凝，发生停摆现象，影响测量的准确性；铂电阻温度传感器是 根据铂电阻的电阻值随温度变化的原理来测定温度的，铂电阻丝烧制在细小的玻璃棒或磁 板上，外面有金属保护管，这种传感器需经常保持清洁、干燥。
[0004] 测量相对湿度的仪器主要有毛发湿度表、通风干湿表和湿敏电容湿度传感器。其 中，毛发湿度表是根据脱脂人发能随空气湿度大小而改变长度的特性，用人发制成的测定 空气相对湿度的仪器，这种传感器容易受到高温、高盐等天气的影响，使毛发变脏，影响测 量精度，需要定期清理；通风干湿表的原理是温度表球部装在与风扇相通的管形套管中，利 用机械或电动通风装置，使风扇获得一定转速使球部处于恒定速度的气流中，以获得测量 数据，但风扇长期旋转易故障，影响测量的准确性；湿敏电容湿度传感器是用有机高分子膜 作介质的一种小型电容器，传感器的头部有保护滤纸，防止感应元件被尘埃污染，每月应拆 开传感器头部网罩，若污染严重应更换新的滤纸，影响测量的准确性
[0005] 在海滨观测规范中，气象观测项目主要有风、气压、空气温度、相对湿度、海面有效 能见度、降水量、雾等气象要素。船舶海洋水文气象观测项目包括气压、气温、相对湿度、风、 云、天气现象、海面有效能见度等气象要素。因此，气温和相对湿度是气象观测要素中的主 要要素。
[0006] 目前，国内的温度传感器和相对湿度传感器是相互独立的，温度传感器是一个铂 电阻，用户使用时需设计温度调理电路，接口电路复杂，使用不便；相对湿度传感器还是传 统的湿敏电容，这种器件不适用于海洋气候环境，可靠性不高，易损坏。国外温湿度传感器 的输出信号单一，无法满足用户对不同接口的需求。
[0007] 国内外已有的温湿度传感器在性能上虽然可以基本满足要求，但是存在如下缺 陷：机械部件易损坏、读数准确度低、接口电路复杂、环境适应性差、维护保养过程繁琐；除 此之外，国内外已有的温湿度传感器的输出信号单一，无法满足用户对不同接口的需求。因 此，为解决现有温湿度传感器存在的问题及缺陷，本实用新型提出一种海洋气象要素温湿 度传感器，以适应复杂恶劣的海洋环境以及用户对不同接口的需求。 【实用新型内容】
[0008] 本实用新型针对陆地用温湿度传感器难以适应海洋高温、高湿、高盐雾、高腐蚀的 海洋环境以及用户接口灵活性需求的问题，提供一种测量精度高、环境适应性强、接口灵活 以及适用于海洋环境的海洋气象要素温湿度传感器，具体技术方案如下：
[0009] 一种海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：由温湿度敏感器件、信号放大电 路、电压转换电流电路、串行通信电路、输出信号选择电路组成，其中，所述温湿度敏感器件 分别与信号放大电路和串行通信电路连接，信号放大电路通过电压转换电流电路与输出信 号选择电路连接，串行通信电路与输出信号选择电路连接；所述温湿度敏感器件根据温度 和相对湿度的变化输出变化的电压信号，一路信号通过信号放大电路将电压信号放大输 出，然后通过电压转换电流电路将变化的电压信号转换为电流信号；另一路信号再通过串 行通信电路转换为数字信号；最后通过输出信号选择电路按要求选择输出信号形式。
[0010] 所述信号放大电路由TLC2652运算放大器及其外围电路组成，温湿度敏感器件的 输出信号分为温度信号和相对湿度信号，温度信号直接进入温度回路的运算放大器的同相 输入端，相对湿度信号直接进入相对湿度回路的运算放大器的同相输入端；通过反馈电阻 连接运算放大器的输出端；温湿度敏感器件的输出信号经过运算放大电路的放大之后分别 进入温度和相对湿度回路的电压转换电流电路。
[0011] 所述电压转换电流电路有XTRlll转换芯片、MOS管和PNP三极管组成，所述 XTRlll转换芯片的输入端连接PNP三极管运算放大电路的输出端，通过偏置电阻设定基础 电压值，进而通过基准电阻进入转换芯片的输入端；转换芯片的输出信号通过MOS管和PNP 三极管连接输出信号选择电路。
[0012] 所述串行通信电路由MAX485转换芯片和MAX232转换芯片两路转换电路组成，所 述温湿度敏感器件的输出信号一方面通过MAX485转换芯片转换为RS485电平，另一方面通 过MAX232转换芯片转换为RS232电平，所述MAX485转换芯片和MAX232转换芯片的输出信 号连接输出信号选择电路。
[0013] 所述输出信号选择电路由跳线选择开关组成，一方面电压转换电流电路的输出信 号连接输出信号选择电路，另一方面串行通信电路的输出信号连接输出信号选择电路；通 过输出信号选择电路的跳线选择开关可以按需选择输出信号形式，包括4-20mA电流信号、 RS485信号和MAX232信号。
[0014] 所述的温湿度敏感器件、信号放大电路、电压转换电流电路、串行通信电路、输出 信号选择电路位于传感器盒体内，所述传感器盒体采用注塑模具制造一次成型，敏感器件 位于盒体的顶端，敏感器件外的壳体由PVC材料制成的防盐雾保护罩。
[0015] 传感器的供电电压范围宽，可以满足不同直流电压值的需要。
[0016] 与现有的技术相比，本实用新型的优点与积极效果如下：本实用新型满足了海洋 对温湿度传感器环境适应性的要求，并且满足了用户对温湿度传感器接口形式多样性的需 求，本实用新型是一种适用于海洋环境的温湿度传感器，测量精度高、环境适应性强、接口 灵活。
[0017] 结合附图阅读本实用新型的【具体实施方式】后，本实用新型的其他特点和有点将变 得更加清楚。
【附图说明】
[0018] 为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实用新 型实施例或现有技术描述中所需要使用的附图进行简单的介绍，对于本领域的普通技术人 员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0019] 图1为本实用新型传感器工作原理框图；
[0020] 图2为信号放大电路原理图；
[0021] 图3为电压转换电流电路原理图；
[0022] 图4为RS485串行通信电路原理图；
[0023] 图5为RS232串行通信电路原理图；
[0024] 图6为输出信号选择电路原理图。
【具体实施方式】
[0025] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细的说明。
[0026] 本实用新型传感器针对陆地用温湿度传感器难以适应海洋高温、高盐雾、高腐蚀 的海洋环境以及用户接口灵活性需求的问题，研制了一种海洋气象要素温湿度传感器，该 温湿度传感器能够输出4-20mA电流信号、RS485数字信号和RS232数字信号。
[0027] 本实用新型传感器包括盒体及其内部的硬件电路。盒体的上端装有敏感器件， 敏感器件的外壳是由特殊PVC材料制成的防盐雾保护罩，保护罩表面覆盖特氟隆保护膜， 此保护罩可有效阻止粉尘、盐雾及其他腐蚀性物质进入保护罩内，起到抗盐雾、抗腐蚀等作 用，能有效保护敏感器件，并且该保护罩不含机械部件、抗高温、免维护。
[0028] 本实用新型传感器工作原理框图如图1所示，硬件电路均经过温度补偿处理，包 括敏感器件、信号放大电路、电压转换电流电路、串行通信电路、输出信号选择电路。敏感器 件根据温度和相对湿度的变化输出变换的电压信号，一路信号通过信号放大电路将电压信 号放大输出，然后通过电压转换电流电路将变化的电压信号转换为电流信号；另一路信号 再通过串行通信电路转换为数字信号；最后通过输出信号选择电路按要求选 择输出的信号 形式。
[0029] 经过温度补偿的硬件电路可以保证本实用新型温湿度传感器在高温、低温等复杂 的海洋环境中输出信号及测量数据的准确性。
[0030] 参考图2,信号放大电路包括TLC2652运算放大器及相关的配置电容和电阻，敏感 器件的输出信号进入运算放大器的第三管脚同相输入端；通过反馈电阻R14、R18以及微调 电位器WRl连接运算放大器的输出端；根据TLC2652的偏置电流，将R14和R18确定为10K， 根据同相比例放大倍数计算公式：
[0031]
[0032] 计算出放大倍数为5,为了保证放大倍数的准确性，在电路中加入了微调电位器 WRl ;敏感器件的输出信号经过运算放大电路实现放大，再分别进入温度和相对湿度回路的 电压转换电流电路。
[0033] 需要说明的是本实用新型的信号放大电路也可以通过其他运算放大器搭建，但其 温度漂移性、线性度、高温环境的可靠性劣于上述电路结构。
[0034] 参考图3,电压转换电流电路包括XTRlll转换芯片、MOS管Ql和PNP三极管Q2。 XTRlll转换芯片的输入端连接运算放大电路的输出端，XTRlll芯片的输入电压需要1~5V， 通过参考图4中的电阻RlO和电阻R15进行比例变化，线性地将0~5V电压信号转换成1~5V 电压信号；转换芯片的输出信号通过MOS管Ql和PNP三极管Q2连接输出信号选择电路。
[0035] 根据公式
[0036]
=4 ~20mA， F? =1~5V，计算出JJar也就是参考图4中的电阻R17=2. 5K。
[0038] 通过电压转换电流电路的搭建，实现了敏感器件的输出信号转换成4-20mA电流 信号的功能，解决了用户对温湿度传感器输出电流信号的需求。
[0039] 参考图4，RS485串行通信电路包括MAX485转换芯片，将敏感器件的输出电平转换 为RS485电平。敏感器件信号分别进入转换芯片的第一管脚和第二管脚，并通过电阻R5和 电阻R7进行电平上拉；转换后的信号分别由转换芯片的第六管脚和第七管脚输出；在转换 芯片的输出端加入保险电阻Fl、F2和稳压二极管D5,可以在户外工作中防止雷击，提高可 靠性。
[0040] 参考图5, RS232串行通信电路包括MAX232转换芯片，将敏感器件的输出电平转 换为RS232电平。敏感器件信号分别进入转换芯片的第十一管脚和第十三管脚；转换芯片 上连接的电容C22和电容C26是电平转换的储能电容；转换后的信号分别由转换芯片的第 十二管脚和第十四管脚输出。
[0041] 通过串行通信电路的搭建，实现了敏感器件的输出信号转换成数字信号的功能， 解决了用户对温湿度传感器输出数字信号的需求。
[0042] 参考图6,输出信号选择电路包括跳线选择开关。电压转换电流电路的输出信号分 别进入跳线选择开关J5-TH的第三管脚和J6-RH的第三管脚；RS485串行通信电路的输出 信号分别进入跳线选择开关J5-TH的第二管脚和J6-RH的第二管脚；RS485串行通信电路 的输出信号分别进入跳线选择开关J5-TH的第一管脚和J6-RH的第一管脚；通过输出信号 选择电路的跳线选择开关可以按需选择输出信号形式，包括4-20mA电流信号、RS485信号 和MAX232信号。
[0043] 通过输出信号选择电路的搭建，实现了温湿度传感器输出信号的快速灵活切换， 解决了用户对温湿度传感器不同输出信号选择的需求。
[0044] 海洋用温湿度传感器测量精度及可靠性要求较高，需要对温湿度传感器进行测 试，温度的测试环境选择的是具有检测资质的实验室，在恒温水浴中进行；相对湿度的测试 环境选择的是具有检测资质的实验室，在恒温恒湿试验箱中进行；选择两个研制的温湿度 传感器(分别编号为1#、2#)进行测试，1#温湿度传感器温度准确性测试结果见表1，1#温湿 度传感器相对湿度准确性测试结果见表2, 2#温湿度传感器温度准确性测试结果见表3, 2# 温湿度传感器相对湿度准确性测试结果见表4。
[0045] 表1 1#温湿度传感器温度准确性测试结果
[0049] 测试结果表明，本实用新型温湿度传感器的温度测量最大误差为0. 1°C，相对湿度 测量最大误差为I. 3%RH，远优于气象规范的要求，并且温度和相对湿度测量线性度好。本实 用新型温湿度传感器配备有专用百叶箱，并进行了陆地和海试，完全可以满足港口、岸站、 舰船等海洋环境的气象观测要求。
[0050] 以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型做其他形式 的研制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述解释的技术内容加以变更或改性为等同 变化的等效实施例应用于其他领域有类似要求的液体、气体的控制，但是凡是未脱离本实 用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等 同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。
【主权项】
1. 一种海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：由温湿度敏感器件、信号放大电路、 电压转换电流电路、串行通信电路、输出信号选择电路组成，其中，所述温湿度敏感器件分 别与信号放大电路和串行通信电路连接，信号放大电路通过电压转换电流电路与输出信号 选择电路连接，串行通信电路与输出信号选择电路连接；所述温湿度敏感器件根据温度和 相对湿度的变化输出变化的电压信号，一路信号通过信号放大电路将电压信号放大输出， 然后通过电压转换电流电路将变化的电压信号转换为电流信号；另一路信号再通过串行通 信电路转换为数字信号；最后通过输出信号选择电路按要求选择输出信号形式。2. 根据权利要求1所述的海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：所述信号放大电 路由TLC2652运算放大器及其外围电路组成，温湿度敏感器件的输出信号分为温度信号和 相对湿度信号，温度信号直接进入温度回路的运算放大器的同相输入端，相对湿度信号直 接进入相对湿度回路的运算放大器的同相输入端；通过反馈电阻连接运算放大器的输出 端；温湿度敏感器件的输出信号经过运算放大电路的放大之后分别进入温度和相对湿度回 路的电压转换电流电路。3. 根据权利要求1所述的海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：所述电压转换电 流电路有XTRlll转换芯片、MOS管和PNP三极管组成，所述XTRlll转换芯片的输入端连接 PNP三极管运算放大电路的输出端，通过偏置电阻设定基础电压值，进而通过基准电阻进入 转换芯片的输入端；转换芯片的输出信号通过MOS管和PNP三极管连接输出信号选择电路。4. 根据权利要求1所述的海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：所述串行通信电 路由MAX485转换芯片和MAX232转换芯片两路转换电路组成，所述温湿度敏感器件的输出 信号一方面通过MAX485转换芯片转换为RS485电平，另一方面通过MAX232转换芯片转换 为RS232电平，所述MAX485转换芯片和MAX232转换芯片的输出信号连接输出信号选择电 路。5. 根据权利要求1所述的海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：所述输出信号选 择电路由跳线选择开关组成，一方面电压转换电流电路的输出信号连接输出信号选择电 路，另一方面串行通信电路的输出信号连接输出信号选择电路；通过输出信号选择电路的 跳线选择开关可以按需选择输出信号形式，包括4-20mA电流信号、RS485信号和MAX232信 号。6. 根据权利要求1所述的海洋气象要素温湿度传感器，其特征在于：所述的温湿度敏 感器件、信号放大电路、电压转换电流电路、串行通信电路、输出信号选择电路位于传感器 盒体内，所述传感器盒体采用注塑模具制造一次成型，敏感器件位于盒体的顶端，敏感器件 外的壳体由PVC材料制成的防盐雾保护罩。
【专利摘要】一种测量精度高、环境适应性强、接口灵活以及适用于海洋环境的海洋气象要素温湿度传感器，具体技术方案如下：其特征在于：由温湿度敏感器件、信号放大电路、电压转换电流电路、串行通信电路、输出信号选择电路组成，其中，所述温湿度敏感器件分别与信号放大电路和串行通信电路连接，信号放大电路通过电压转换电流电路与输出信号选择电路连接，串行通信电路与输出信号选择电路连接。
【IPC分类】G01W1/02
【公开号】CN204649999
【申请号】CN201520290631
【发明人】孙佳, 胡乃军, 崔天刚, 胡桐, 李志乾, 王东明, 漆随平
【申请人】山东省科学院海洋仪器仪表研究所
【公开日】2015年9月16日
【申请日】2015年5月7日
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