粮仓监测报警装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种粮仓监测报警装置，属于粮仓安全的技术领域，包括螺旋柱检测器、信号传递器和中心处理器，螺旋柱检测器是依靠自身的螺纹可运动外壳旋转推动整体运动的检测器，检测器内安装有检测单元用来检测粮仓内部各个点的温度、相对湿度和气压值，螺旋柱检测器无线传递检测信号到信号传递器，信号传递器无线连接中心处理器，信号传递器转发检测数据到中心处理器，中心处理器分析处理数据。本发明解决了粮仓内温湿度数据测量精度低、布线繁琐的问题，具有无线测量，检测器可受指挥控制，检测范围广的优点。
【专利说明】
粮仓监测报警装置
技术领域
[0001 ]本发明属于粮仓安全的技术领域，涉及粮仓检测设备领域，具体涉及一种粮仓监 测报警装置。
【背景技术】
[0002] 众所周知，粮食是人类赖以生存的基础，自古以来，我国广大人民特别重视粮食问 题。粮食作为国家的重要战略储备物资，当国家发生自然灾害(如地震、海啸）等特殊情况， 就需要从粮仓中拨粮给受灾地区，最大程度减轻灾害带来的社会动荡不安。粮食在存储期 间，由于周围环境、通风条件等因素的变化，粮仓内的温度或湿度会随之发生动态变化，极 易造成粮食的腐烂、霉变等。因此，预防粮食质量发生变化十分必要，及时发现粮仓内的温 度、湿度变化，并能够及时采取相应措施就十分重要。但是传统的粮仓和监控中心大部分采 用有线连接的数据通信方式，测量精度低、布线繁琐、维护不便，且当一个节点出现问题，很 有可能影响整个系统的正常运行。
【发明内容】
[0003] 根据以上现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提出一种粮仓监测报警 装置，通过采用携带集成式传感器的螺旋柱检测器，检测粮仓内的检测温度、相对湿度及气 压，解决了粮仓内温湿度数据测量精度低、布线繁琐的问题，具有无线测量，检测器可受指 挥控制，检测范围广的优点。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为:一种粮仓监测报警装置，所述 粮仓监测报警装置包括螺旋柱检测器、信号传递器和中心处理器，螺旋柱检测器是依靠自 身的螺纹可运动外壳旋转推动整体运动的检测器，检测器内安装有检测单元用来检测粮仓 内部各个点的温度、相对湿度和气压值，螺旋柱检测器无线传递检测信号到信号传递器，信 号传递器无线连接中心处理器，信号传递器转发检测数据到中心处理器，中心处理器分析 处理数据。
[0005] 上述装置中，所述螺旋柱检测器包括螺旋柱体、导向尖头、检测单元、处理器、信号 发送单元、动力源和转向机构，导向尖头安装在螺旋柱体的两端，检测单元、处理器和信号 发送单元安装在螺旋柱体的内部，检测单元连接处理器并发送检测到的信号到处理器，处 理器连接信号发送单元并通过信号发送单元发送检测数据，信号发送单元发送检测信号到 信号传递器，动力源和转向机构安装在螺旋柱体的中部，动力源的指令输入端连接处理器， 动力源的动力输出端连接转向机构，转向机构控制螺旋柱体的运动方向，转向机构连接在 处理器上并根据处理器的指令决定运动方向，处理器通过信号发送单元发送检测信号或接 收指令。所述螺旋柱检测器两端的导向尖头内各自设有一个测距器，测距器连接在处理器 上，定时通过信号发送单元发送信号到信号传递器，由信号传递器计算出两个测距器分别 距离信号传递器的距离，信号传递器的计算结果发送到中心处理器。所述信号传递器是 "凹"形结构，信号传递器中设有一个凹槽，凹槽设置在信号传递器中间，信号传递器中设有 信号接收单元和距离计算单元，信号接收单元接收螺旋柱检测器发送的检测信号，并向螺 旋柱检测器发送中心处理器的指令。所述中心处理器中设有图像模拟单元，图像模拟单元 中保存有粮仓的模拟图，根据信号传递器发送的信号数据关系，模拟出螺旋柱检测器在粮 仓中的位置。
[0006] 上述装置中，所述检测单元中包括有多个集成温度相对湿度传感器，传感器包括 半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测单元中设有两个半导体应变 片R E1和RE2安装在半径为Π )的膜片上，半导体应变片受压发生变化输出电阻响应，半导体检 测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接收半导体检测单元的输出信号，二次 转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换单元的输出端连接信号处理单元，信 号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，信号处理单元连接螺旋柱检测器中设置的 处理器并发送检测到的安装点的温度、相对湿度和大气压值发送到处理器。所述半导体检 测单元中，调整半导体应变片的安装位置，两个半导体应变片的电阻变化量相等，其中一个 半导体应变片安装在圆心位置，另一个半导体应变片安装在半径0.888Π )的同心圆的位置 上。所述二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，一个半导体应变片对应连接一 个脉冲信号转换电路，脉冲信号转换电路包括555定时器、电阻R和电容C，电阻R连接在555 定时器的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚 短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号连接到信号处理单元。所 述脉冲信号转换电路的脉宽转换公式为τ = 1η2 · C · R，式中τ为输出脉宽，R是电路接收的 半导体应变片的电阻响应值，C为云母标准电容，脉宽输出τ与各自所接电阻R成正比。所述 膜片根据半导体检测单元中的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片 区，以半径〇.63r〇的同心圆为界。
[0007] 本发明有益效果是:本发明提供一种粮仓监测报警装置，采用螺旋柱检测器6结合 信号传递器7，二者通过无线传递信号，螺旋柱检测器6放置在粮仓内，内部设有传感器，能 够同时检测温度、相对湿度以及粮仓内的气压，而且信号传递器7安装在粮仓外或粮仓上的 任意地方，螺旋柱检测器6和信号传递器7相互配合，能够定位出检测器在粮仓中的位置及 运动方向，方便控制螺旋柱检测器6自由运行出粮仓，螺旋柱检测器6可以在粮仓缓慢运动， 检测范围广，测量精度高、无需布线、维护简单。
【附图说明】
[0008] 下面对本说明书附图所表达的内容及图中的标记作简要说明：
[0009] 图1是本发明的【具体实施方式】的螺旋检测器的工作原理示意框图。
[0010]图2是本发明的【具体实施方式】的螺旋检测器的结构示意图。
[0011] 图3是本发明的【具体实施方式】的信号传递器的结构示意图。
[0012] 图4是本发明的【具体实施方式】的集成传感器中应变片的安装示意图。
[0013] 图5是本发明的【具体实施方式】的传感器的结构示意图。
[0014]图6是本发明的【具体实施方式】的应变片的应变分布图。
[0015]图7是本发明的【具体实施方式】的传感器工作原理结构框图。
[0016] 图8是本发明的【具体实施方式】的传感器的信号流程框图。
[0017] 图9是本发明的【具体实施方式】的脉宽信号转换电路图。
[0018] 图中：1为杯形支座，2为空气密封腔，3为膜片，4为半导体应变片REl，5为半导体应 变片R~6为螺旋柱检测器，7为信号传递器，8为螺旋柱体，9为导向尖头，10为螺纹可运动外 壳，11为凹槽。
【具体实施方式】
[0019] 下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的【具体实施方式】如所涉及的各构件 的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及 操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术 方案有更完整、准确和深入的理解。
[0020] 本发明提供一种粮仓监测报警装置，采用螺旋柱检测器6结合信号传递器7,二者 通过无线传递信号，螺旋柱检测器6放置在粮仓内，内部设有传感器，能够同时检测温度、相 对湿度以及粮仓内的气压，而且信号传递器7安装在粮仓外或粮仓上的任意地方，螺旋柱检 测器6和信号传递器7相互配合，能够定位出检测器在粮仓中的位置及运动方向，方便控制 螺旋柱检测器6自由运行出粮仓，螺旋柱检测器6可以在粮仓缓慢运动，检测范围广，测量精 度高、无需布线、维护简单。
[0021] 粮仓监测报警装置包括螺旋柱检测器6、信号传递器7和中心处理器，螺旋柱检测 器6是一个依靠螺纹外壳旋转进而整体运动的检测器，检测器安装有检测单元用来检测粮 仓内部各个点的温度、相对湿度和气压，无线传递信号到信号传递器7,由信号传递器7转发 检测数据到中心处理器，中心处理器统一处理数据，此外信号传递器7还接收螺旋柱检测器 6的定位信号，从而计算出螺旋柱检测器6的两个端部距离信号传递器7的距离，发送到中心 处理器，计算出螺旋柱检测器6在粮仓中的位置，根据端部的位置发出方向运动指令。
[0022]如图1螺旋检测器的工作原理示意框图所示，螺旋柱检测器6包括螺旋柱体8、导向 尖头9、检测单元、处理器、信号发送单元、动力源和转向机构，导向尖头9安装在螺旋柱体8 的两端，具有开路引导螺旋柱检测器6运动的作用，检测单元和信号发送单元安装在螺旋柱 体8的内部，检测单元用来检测粮仓内贴近检测单元处的粮食的温度、相对湿度和气压情 况，检测单元连接处理器并发送检测到的信号到处理器，处理器连接信号发送单元并通过 信号发送单元发送检测数据，信号发送单元发送检测信号给信号传递器7,动力源和转向机 构安装在螺旋柱体8的中部，方便螺旋柱检测器6的运动，两个导向尖头9都可以作为运动的 方向，动力源的指令输入端连接了处理器，动力源的动力输出端连接螺旋柱体8的螺纹外壳 和转向机构，转向机构控制了螺旋柱体8的运动方向，转向机构连接在处理器上，根据处理 器的指令决定运动方向，处理器通过信号发送单元也可以接收指令，包括运行方向指令。两 端的导向尖头9内各自设有一个测距器，测距器连接在处理器上，定时发送信号到信号传递 器7。
[0023]如图2所示，螺旋柱检测器6的外形是螺旋柱形状，螺旋柱体8包括螺纹可运动外壳 10和内腔室，螺纹外壳连接了动力源，本发明中的螺旋柱检测器6是通过螺纹外壳10的转动 前进运动的，螺纹外壳10上的螺纹光滑，不会由于运动而粉碎粮食作物，而且螺纹上设有间 隙，内腔室在螺纹间隙地方同样设有间隙，方便检测单元内的传感器接触粮食作物，螺纹柱 体上设有多处间隙，检测单元内包括多个传感器安装在各个间隙处。导向尖头9安装固定在 螺纹柱体的两端部，启动导向前进的作用，处理器安装在内腔室内，接收检测单元的温度、 相对湿度及气压信号值，通过信号发送单元发送信号，同时发送运动指令和方向到动力源 和转向机构，螺旋柱体8的螺纹可运动外壳10在动力源的辅助下，螺纹转动，整体运动起来， 转向机构在接收到处理器的指令时，会更改螺纹柱体的运动方向，按照指令方向运行。 [0024]如图3所示，信号传递器7是"凹"形结构，信号传递器7中设有一个凹槽11，凹槽11 设置在信号传递器7上，使得信号传递器可以卡合在粮仓的边缘或固定在粮仓的周边，信号 传递器中设有信号接收单元和距离计算单元，信号接收单元接收信号发送单元的信号，并 向螺旋柱检测器6发送中心处理器的指令。信号接收单元同时接收测距器的信号，测距器的 原理是发送信号，信号接收单元通过计算信号传递的时间，计算出两端导向尖头9距离信号 传递器的2的距离，然后发送到中心处理器，由中心处理器模拟出螺旋柱检测器6在粮仓的 大体位置已经状态，进而决定螺旋柱检测器6的运动方向。中心处理器中设有图像模拟单 元，图像模拟单元中保存有粮仓的模拟图，结合信号传递器7发送的定位数据关系，模拟出 螺旋柱检测器6在粮仓中的位置，进而发出螺旋柱检测器6的运动方向指令。中心处理器通 过信号传递器7汇集检测器1检测到的数据，对接收的数据统一处理。
[0025] 螺旋柱检测器6中检测单元内设有多个集成式传感器，为集成温度相对湿度传感 器，能够同时测出温度、相对湿度以及气压值，占用空间小，结构简单、易于实施、响应快。集 成温度相对湿度传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半导体检测 单元中设有两个半导体应变片R el和Re2安装在半径为ro的膜片上，半导体应变片受压电阻发 生变化输出电阻响应，半导体检测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接收半 导体检测单元的输出信号，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换单元 的输出端连接信号处理单元，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，处理器连 接信号处理单元用来接收信号处理单元计算出的安装点的温度、相对湿度和大气压。
[0026] 所述半导体检测单元中，两个半导体应变片的电阻变化量相等，其中一个半导体 应变片安装在圆心位置，另一个半导体应变片安装在半径〇 . 89r〇的同心圆的位置上。所述 二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，一个半导体应变片对应连接一个脉冲信 号转换电路，脉冲信号转换电路包括555定时器、电阻R和电容C，电阻R连接在555定时器的2 号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号 引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输出脉宽信号连接到信号处理单元。所述脉冲信 号转换电路的脉宽转换公式为τ = 1η2 · C · R，式中τ为输出脉宽，R是电路中的电阻，C为云 母标准电容，脉宽输出τ与各自所接电阻R成正比。所述膜片根据半导体检测单元中的两个 半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径0.63Π )的同心圆为界。所 述信号处理单元中设有GPS单元和大气压数值表，GPS单元连接在信号处理单元上用来定位 传感器安装点的经炜度，查询安装点的大气压数值。所述信号处理单元中设有温度饱和水 汽分压表，信号处理单元利用温度调用相应的饱和水汽分压值。所述集成温度相对湿度传 感器设置在圆柱形的杯形支座1上，膜片3设置在杯形支座1的上表面，膜片3选用黄铜膜片， 杯形支座1和黄铜膜片之间设有空气密封腔2,两个半导体应变片4和5安装在黄铜膜片的表 面。
[0027]所述信号处理单元利用大气中水蒸气分压力与敏感电阻之差，经二次变换后的脉 宽及其对始终频率的计数之差成正比，大气环境温度与敏感元件的计数之和呈单值对应函 数关系，计算出应变片所受差压值、水蒸气分压值和温度值。所述信号处理单元利用温度饱 和水汽分压表，利用温度值调用相应的饱和水汽分压值，根据相对湿度的公式计算出相对 湿度。
[0028] 集成温度相对湿度传感器的控制方法，所述方法步骤包括:步骤一、连接安装传感 器电路，设置两个半导体应变片采集温度和气压;步骤二、调整两个半导体应变片的安装位 置，确认两个半导体应变片的电阻变化量相等;步骤三、半导体应变片的电阻变化量输入到 二次转换单元进行脉宽转换，输出脉宽信号;步骤四、信号处理单元接收二次转换单元输出 的脉宽信号，利用道尔顿定律、应变片原理和解析法分析半导体应变片的变化量，解析出温 度和水蒸气分压信息，计算出待测点的相对湿度和大气压;步骤五、信号处理单元连接处理 器，处理器接收待测点的温度、相对湿度和气压信息。
[0029] 所述信号处理单元利用大气中水蒸气分压力与敏感电阻半导体应变片之差，经二 次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差成正比，大气环境温度与敏感电阻的计数之和 的对数成反比关系，计算出应变片所受差压值A P、水蒸气分压Pw和温度值t。所述信号处理 单元利用温度饱和水汽分压表，根据温度值调用相应的饱和水汽分压值，根据相对湿度的
算出相对湿度，式中中为相对湿度，Pws为大气压中在某一温度下的饱和 水汽分压力。
[0030] 一、大气状态参数
[0031] 道尔顿定律指出，混合大气的总压力等于各组成气体的分压力之和，如公式（1)所 示：
[0032] PM=Pd+Pw(Pa) (1)
[0033] 式中PM(Pa)为混合气体的总压力，Pd(Pa)为干燥大气的分压力，Pw(Pa)为空气中所 含水蒸气分压力，其中Pw在Pm占最大份额，仅为5 %左右，故Pm和Pd压力均比较接近标准大气 压。
[0034] 相对湿度φ (RH% )的公式为：
[0035] 式中φ表示相对湿度，Pws为大气压在某一温度下，饱和水汽分压力(Pa)，它随温度 而变，可通过已知温度查表或由回归拟合曲线方程求得。由公式（1)可得，若通过仪表能测 出差压P M-Pd，即可计算出Pw，再以所测温度，在湿空气密度、水蒸气压力、含湿量对照表中找 到Pws，便可由公式(2)算出相对湿度φ (RH%)"
[0036] 二、应变片及其转换特性
[0037] 传感器中应变片的安装示意图如图4所示，传感器的结构示意图如图5所示，应变 片的转换特性及应变分布如图6所示。温集成度相对湿度气压传感器整体是一个圆柱外形 外壳，外壳包括杯形支座1和黄铜膜片(黄铜膜片即是膜片3,膜片采用黄铜材质），黄铜膜片 覆盖在杯形支座1上，二者之间形成一个空气密封腔2,两个半导体应变片安装在黄铜膜片 上，通过测量半导体应变片的电阻变化计算出集成温度相对湿度传感器(简称集成传感器） 安装环境中的温度、相对湿度和大气压数据。分析计算温度、相对湿度和大气压所需的二次 转换单元、信号处理单元可以安装在黄铜膜片上3上，也可以安装在杯形支座的侧边，通过 线路连接传递信号。
[0038] 混合大气压ΡΜ均匀作用于弹性膜片的外表面，于是膜片两侧的差压为：
[0039] Δ p = pM-pre = pw+pd-pre(pa) (3)
[0040] 式中Pre = 4 · 104(Pa)为密封腔中设定的参照压力，Pd=101325(Pa)为标准大气 压，从而可算出大气中水汽分压力Pw(Pa)
[0041 ]在差压△ P作用下，膜片表面上应力和应变的分布如下式所示：
[0044] 式中，本发明中选用黄铜膜片弹性更好，E(Pa)为膜片弹性模量，约为7*101()Pa，y约 为0.33,为泊松比，ro为膜片3的外半径40(mm)，h为膜片3的膜片厚度0. l(mm)，b为杯形支座 的厚度5(mm)，杯形支座的高度10(mm)，△ P作用在膜片两侧的差压(Pa)，r(mm)为观察点的 半径。
[0045] 若将已知常数代入(4)式，可得圆心应力〇1=〇 = 8*104*八？(？￡1) (6)
[0046] 应变片的灵敏系数Κε和转换特性如公式(7)所示：
[0048] 式中Ro为t = 0°C^Per = 0时应变片电阻（Ω )，Κε约为125, Δ1则为应变片在er激励 下电阻的变化量（Ω )，将(6)式代入(7)可得：
[0050]若将E = 7*101()Pa代入式可知，应变片所能输出的相对电阻变化，在最大量程下也 只有10-2量级，故需在装置中加入二次变换和信号处理电路，以获取所需的灵敏度和分辨 力。
[0051 ]三、二次变换和信号传送流程
[0052] 工作原理结构框图如图7所示，集成传感器包括半导体检测单元、二次转换单元、 信号处理单元，半导体检测单元中设有两个半导体应变片，半导体应变片受压电阻发生变 化输出电阻响应，半导体检测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接收半导体 检测单元的输出信号，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换单元的输 出端连接信号处理单元，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，处理器连接信 号处理单元用来接收信号处理单元计算出的安装点的温度、相对湿度和大气压。
[0053] 信号流程框图如图8所示，二次转换单元包括两个相同的脉冲信号转换电路，脉冲 信号转换电路由555定时器C1和C2组成，二次转换单元和信号处理单元还设有选通开关，选 用C3开关，信号处理单元主要组成为C4单片机。图8中R el和Re2在Pw和t激励下，各自产生不同 的办和办响应，它们经两个相同的脉冲信号转换电路的Cl、C2芯片555变换后，各自产生^和 t2(S)脉宽输出，该脉宽信号经C3开关选通后再送至C4单片机进行信号处理。脉冲信号转换 电路如图9所示，电阻R连接在C定时器555的2号引脚和3号引脚之间，电容C连接在555定时 器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接，555定时器的7号引脚输 出脉宽信号连接到信号处理单元。由于应变片的不同，两个脉冲电路中的电阻和输出脉宽 可以用Rl和R2、Tl和T2表示。
[0054] 脉宽转换公式:τ = 1η2 · CQR(S)对应到两个脉冲信号转换电路即为：
[0055] τι = 1η2 · Co · Ri(S) (9)
[0056] τ2 = 1η2 · Co · R2(S) (10)
[0057] 式中τ#Ρτ2为两个半导体应变片对应的两路脉宽输出信号，RjPR2为半导体应变 片的电阻变化值计量单位为Ω，Co(F)为云母标准电容，约为0.72 X 1(T6F，上式表明脉宽输 出与各自所接电阻Ri和R2成正比。
[0058] 四、在多因素输入时，合成响应的解耦处理
[0059] 在^和^中隐含有水汽分压Pw和温度t两种信息，如何能让其在后续的数据处理中 分离，需通过数据解耦技术来实现信息分离和复原。
[0060] Ri和R2电阻变化公式为：
[0063] 式中R〇=100〇Q为基准电阻;B = 4850(K)为半导体应变片的阻温系数;To = 273(K) 为参照温度;Τ(Κ)为输入温度；△ Rel和△ Re2分别为Rl和R2在大气压力激励下各自产生的电 阻增量。由以上两式可知，如能让A ―和ARe2数值相同，但正负相反，即（11)和（⑵式可变 成：
[0066] 将以上两式相减或相加，就可分离出Pw和t两种输入信息，即相加时Rl+R2 = ft(T)， 和相减时Rl-R2 = fE(P?0,即和与差的结果只与单一输入信息--对应，ARe1 = -ARe2= Δ Re 〇
[0067]参见图5,整个膜片外表面在差压Δ Ρ作用下，以半径r = 〇.63rQ为界，区分为正负 两个应变区。靠圆心部分内圆为正ε区，而靠周边外圆部分则为负ε区，在此两个区域的合适 位置上，可以找到ε数值相等但极性相反的两个点，其一在圆心处，Π = 0,而另一点经(5)式 计算为κ = 0.89π)处。在此两点上配置两片性能相同的半导体应变片，并让其中心与膜片上 参照点重合，于是就实现了（13)和（14)式的定量关系。
[0069]上式中已消除了 ε信息对(Ri+R2)数量上的干扰，然而RdPR2分别联接到555芯片的 充放电电路中，故已无法将RdPR2直接相加，此时就需经过数据运算处理来实现。若让脉宽 在单片机中对时钟频率f 0计数，则有计数值NjPN2为：
[0070] Νι = τι · f〇 (16)
[0071 ] Ν2 = τ2 · fo (17)
[0072] Ti+T2=(Ni+N2)/fo(S) (18)
[0073] 联立以上公式，并经过整理可得：
[0075]摄氏温度：t = T-273(°C) (20)
[0076] 式中各常系数是在R〇 = 100〇Q，Co = 7.2*10-6F和fo = 10MHZ条件下算出的。从心和 R2的二次转换信息中分尚出应变和水蒸气分压Pw等信息，将（13)式减去（14)式，可得
[0077] Rl-R2 = 2ARe = 2RoKe · ε( Ω ) (21)
[0078] 再利用(NrNd/f。和（5)、（9)、（10)式等联立，经整理可得，
[0079] ΔΡ = 1〇 . (Ni-N2)(Pa) (22)
[0080] 公式（19)和(22)即为传感器的两种输入-输出特性方程，均有足够的灵敏度和分 辨力（
，式中Pws可通过温度t经查表或下述回归方程算出，
[0081] Pws = a · EXP(b · t)(Pa) (23)
[0082] 式中a为6.16(Pa)，b为0.064(1/°C)为拟合常数，于是得
[0083] PWS = 6.16 · EXP(0.064 · t)(Pa) (24)
[0084] 大气压力不是一个定值，随着地区海拔高度的不同而存在差异，同时还随季节温 度变化而稍有改变，对Pw计算可近似地用下式描述：
[0085] PW= AP+Pre-Bf(T)+h · 8.76(Pa) (25)
[0086] 式中h为当地海拔高度(m)，系数8.76(Pa/m)为大气压衰减斜率，f(T)为温度修正 系数可经过实验测量数据的拟合曲线而加以估算。由于在沿海地区冬夏气压变化比为 1.02,而在青海地区冬夏比仅为1.0026。均随温度下降而略有增加。故当不考虑温度微小影 响，且在沿海地区时，（25)式可简化为：
[0087] PW= Δ P+(Pre-B) = 10(Ni-N2) + (Pre-B) (Pa) (26)
[0088] 本文解析过程的理论基础之一是标准大气压为常数，实际的大气压随当地海拔高 度而变，当装置使用地区海拔高度与参照高度差异较大时，公式(3)中Pd应通过软件予以校 正，以维持水汽分压力的数据转换精度。所以本发明在信号处理单元中设有GPS单元和大气 压数值表，GPS单元连接在信号处理单元上用来定位传感器安装点的经炜度，查询安装点的 大气压数值即传感器中的干燥空气腔内的分压力，结合信号处理单元计算出的大气中水蒸 气分压力值，进而利用公式（l):PM = Pd+Pw(Pa)计算出混合大气的压力值，即安装点的压力 值。
[0089] 至此，温度、相对湿度和大气压的数值都能计算求解出来。本发明提供的集成温度 相对湿度传感器具有结构简单、易于实施。本发明中经解析法得到:大气中水蒸气分压力与 敏感电阻之差，即经二次变换后的脉宽及其对始终频率的计数之差，成正比，而大气环境温 度则与敏感元件的计数之和的对数成反比关系。本文解析过程的理论基础是物理大气压为 常数，实际的大气压随当地海拔高度而变，当装置使用地区海拔高度与参照高度差异较大 时，应通过软件予以校正，以维持水汽分压力的数据转换精度。
[0090] 上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式 的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改 进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。本发 明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种粮仓监测报警装置，其特征在于，所述粮仓监测报警装置包括螺旋柱检测器、信 号传递器和中心处理器，螺旋柱检测器是依靠自身的螺纹可运动外壳旋转推动整体运动的 检测器，检测器内安装有检测单元用来检测粮仓内部各个点的温度、相对湿度和气压值，螺 旋柱检测器无线传递检测信号到信号传递器，信号传递器无线连接中心处理器，信号传递 器转发检测数据到中心处理器，中心处理器分析处理数据。2. 根据权利要求1所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述螺旋柱检测器包括螺旋 柱体、导向尖头、检测单元、处理器、信号发送单元、动力源和转向机构，导向尖头安装在螺 旋柱体的两端，检测单元、处理器和信号发送单元安装在螺旋柱体的内部，检测单元连接处 理器并发送检测到的信号到处理器，处理器连接信号发送单元并通过信号发送单元发送检 测数据，信号发送单元发送检测信号到信号传递器，动力源和转向机构安装在螺旋柱体的 中部，动力源的指令输入端连接处理器，动力源的动力输出端连接转向机构，转向机构控制 螺旋柱体的运动方向，转向机构连接在处理器上并根据处理器的指令决定运动方向，处理 器通过信号发送单元发送检测信号或接收指令。3. 根据权利要求2所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述螺旋柱检测器两端的导 向尖头内各自设有一个测距器，测距器连接在处理器上，定时通过信号发送单元发送信号 到信号传递器，由信号传递器计算出两个测距器分别距离信号传递器的距离，信号传递器 的计算结果发送到中心处理器。4. 根据权利要求1所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述信号传递器是"凹"形结 构，信号传递器中设有一个凹槽，凹槽设置在信号传递器中间，信号传递器中设有信号接收 单元和距离计算单元，信号接收单元接收螺旋柱检测器发送的检测信号，并向螺旋柱检测 器发送中心处理器的指令。5. 根据权利要求1所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述中心处理器中设有图像 模拟单元，图像模拟单元中保存有粮仓的模拟图，根据信号传递器发送的信号数据关系，模 拟出螺旋柱检测器在粮仓中的位置。6. 根据权利要求1所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述检测单元中包括有多个 集成温度相对湿度传感器，传感器包括半导体检测单元、二次转换单元和信号处理单元，半 导体检测单元中设有两个半导体应变片R el和Re2安装在半径为r〇的膜片上，半导体应变片受 压发生变化输出电阻响应，半导体检测单元的输出端连接二次转换单元，二次转换单元接 收半导体检测单元的输出信号，二次转换单元将电阻响应信号转换为脉宽信号，二次转换 单元的输出端连接信号处理单元，信号处理单元解耦分析二次转换单元的输出信号，信号 处理单元连接螺旋柱检测器中设置的处理器并发送检测到的安装点的温度、相对湿度和大 气压值发送到处理器。7. 根据权利要求6所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述半导体检测单元中，调 整半导体应变片的安装位置，两个半导体应变片的电阻变化量相等，其中一个半导体应变 片安装在圆心位置，另一个半导体应变片安装在半径0.888Π )的同心圆的位置上。8. 根据权利要求6所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述二次转换单元包括两个 相同的脉冲信号转换电路，一个半导体应变片对应连接一个脉冲信号转换电路，脉冲信号 转换电路包括555定时器、电阻R和电容C，电阻R连接在555定时器的2号引脚和3号引脚之 间，电容C连接在555定时器的2号引脚上，2号引脚和6号引脚短接，3号引脚和7号引脚短接， 555定时器的7号引脚输出脉宽信号连接到信号处理单元。9. 根据权利要求8所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述脉冲信号转换电路的脉 宽转换公式为τ = 1η2 · C · R，式中τ为输出脉宽，R是电路接收的半导体应变片的电阻响应 值，C为云母标准电容，脉宽输出τ与各自所接电阻R成正比。10. 根据权利要求6所述的粮仓监测报警装置，其特征在于，所述膜片根据半导体检测 单元中的两个半导体应变片的应变变化分为正应变片区和负应变片区，以半径0.63Π )的同 心圆为界。
【文档编号】G01D21/02GK105865516SQ201610169653
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月21日
【发明人】王军
【申请人】安徽工程大学