專利名稱：無線式紫外線指數(shù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及測量技術(shù)，特別是涉及一種無線式紫外線指數(shù)測量裝置的測量技術(shù)。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的紫外測量儀器使用濾光片來匹配紅斑曲線所帶來的一系列問題，如匹配準確性難以控制，使用多種濾光片使體積增大，某些光譜難以濾掉等等問題，導(dǎo)致測量準確性難以保證。而且對測量電路的要求也較高。傳統(tǒng)的紫外測量儀器一般測量時需要很長的電纜線，連接測量頭和顯示器，成本高，費人力，并很難實現(xiàn)分布式多點測量。
實用新型內(nèi)容針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種能直接測量的，能無線傳輸，誤差小，成本低，人力省，并能多點測量的無線式紫外線指數(shù)測量裝置。
為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型所提供的一種無線式紫外線指數(shù)測量裝置，由紫外線指數(shù)測量部分和紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分組成，其中，紫外線指數(shù)測量部分包括一肖特基紫外探測器，用于采集紫外信號；一溫度傳感器，用于采集外界溫度信號；前置放大電路，分別連接紫外探測器和溫度傳感器的輸出端，用于紫外信號和溫度信號的放大；一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，分別連接前置放大電路的紫外信號和溫度信號的輸出端，用于信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；一單片機控制電路，連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端，用于完成數(shù)據(jù)處理及溫度補償；一無線發(fā)射模塊，連接單片機控制電路的數(shù)據(jù)輸出端，用于完成當前測量數(shù)據(jù)的無線輸出；紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分，用于測量數(shù)據(jù)的接收、存儲和顯示；由紫外探測器和溫度傳感器測量紫外信號和溫度信號經(jīng)前置放大器的放大、A/D轉(zhuǎn)換電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換、MCU微處理單元的處理后，通過無線發(fā)射模塊實時輸出，再由紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分無線接收后，進行測量數(shù)據(jù)的存儲和顯示。
進一步地，所述紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分包括一無線接收模塊，用于完成當前測量數(shù)據(jù)的無線輸入；一具有雙通訊端口的單片機，連接無線接收模塊的數(shù)據(jù)輸出端，一計算機，連接單片機的一通訊端口，用于紫外指數(shù)值的記錄、存儲；一顯示電路，連接單片機的一通訊端口，用于紫外線指數(shù)和溫度的顯示。
本實用新型提供的無線式紫外線指數(shù)測量裝置的有益效果1)采用光譜響應(yīng)曲線能夠和紅斑作用光譜曲線相吻合的GaN的紫外探測器測量紫外線指數(shù)，克服了一般傳統(tǒng)的紫外測量儀器使用濾光片來匹配紅斑曲線所帶來的一系列問題，如匹配準確性難以控制，使用多種濾光片使體積增大，某些光譜難以濾掉等等問題，導(dǎo)致測量準確性難以保證。而且降低了對測量電路的要求。
實驗測得氮化鎵材料紫外探測器件光譜響應(yīng)曲線如圖1所示。圖中可看出整個光譜響應(yīng)曲線與紅斑作用光譜曲線非常吻合。在波長大于350nm時對紫外響應(yīng)很小，但此時的紅斑曲線加權(quán)也很??；在250～320nm波段響應(yīng)較好，尤其是在280～320nm之間具有較為平滑的響應(yīng)率，可見光抑制比約為103，在可見光范圍內(nèi)器件是完全截止的，這樣的曲線形狀非常接近紅斑作用光譜曲線，對紫外指數(shù)的測量提供了非常有利的條件，使得測量不再需要濾光片，可以進行直接測量，并能夠減小誤差。
2)能夠?qū)崿F(xiàn)紫外線指數(shù)測量數(shù)據(jù)的無線傳輸，省去了一般測量時需要很長的電纜線的要求，這樣節(jié)約了成本，節(jié)省了人力，并可實現(xiàn)分布式多點測量；利用本實用新型提供的無線式紫外線指數(shù)測量裝置，由于使用與紅斑曲線相匹配的GaN紫外肖特基探測器，在測量紫外指數(shù)時，可以省去增加濾光片的要求，可方便的直接進行測量。使用這種方法是未來紫外指數(shù)測量的方向之一，它在減小儀器的體積，增加儀器可靠性，提高測量的精度等方面都顯現(xiàn)了十分突出的優(yōu)點。同時，便于在紫外氣象研究領(lǐng)域進行推廣。


圖1是肖特基紫外探測器件的光譜響應(yīng)曲線圖；圖2是本實用新型實施例的無線式紫外線指數(shù)數(shù)據(jù)測量部分原理框圖；圖3是本實用新型實施例的無線式紫外線指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分原理框圖；圖4是本實用新型實施例的無線紫外線指數(shù)監(jiān)測儀頭部結(jié)構(gòu)簡圖；圖5是本實用新型實施例的紫外信號采集與放大電路原理圖；圖6是本實用新型實施例的溫度采集與放大模塊電路原理圖；圖7是本實用新型實施例的A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖；圖8是本實用新型實施例測量部分的單片機控制和數(shù)據(jù)無線發(fā)射電路原理圖；圖9是本實用新型實施例的測量儀發(fā)射部分程序流程圖；圖10是本實用新型實施例的測量儀接收部分程序流程圖；圖11是本實用新型實施例接收部分的單片機控制和數(shù)據(jù)接收電路原理圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖說明對本實用新型的實施例作進一步詳細描述，但本實施例并不用于限制本實用新型，凡是采用本實用新型的相似結(jié)構(gòu)及其相似變化，均應(yīng)列入本實用新型的保護范圍。
如圖2和圖3所示，本實用新型實施例所提供的一種無線式紫外線指數(shù)測量裝置由紫外線指數(shù)測量部分和紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分組成，其中，紫外線指數(shù)測量部分包括一肖特基紫外探測器，用于采集紫外信號；一溫度傳感器，用于采集外界溫度信號；前置放大電路，分別連接紫外探測器和溫度傳感器的輸出端，用于紫外信號和溫度信號的放大；一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，分別連接前置放大電路的紫外信號和溫度信號的輸出端，用于信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；一單片機控制電路，連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端，用于完成數(shù)據(jù)處理及溫度補償；一無線發(fā)射模塊，連接單片機控制電路的數(shù)據(jù)輸出端，用于完成當前測量數(shù)據(jù)的無線輸出；紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分，用于測量數(shù)據(jù)的接收、存儲和顯示；由紫外探測器和溫度傳感器測量紫外信號和溫度信號經(jīng)前置放大器的放大、A/D轉(zhuǎn)換電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換、MCU微處理單元的處理后，通過無線發(fā)射模塊實時輸出，再由紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分無線接收后，進行測量數(shù)據(jù)的存儲和顯示。
當無線式紫外線指數(shù)測量裝置工作時，太陽光透過頭部(如圖4)的半球形的石英玻璃罩1和聚四氟乙烯漫透射板2到達已經(jīng)定標好的GaN紫外探測器5，紫外探測器由于其可見光和紅外光抑制比很高，所以僅接收太陽的紫外輻射，產(chǎn)生微小的光電流；溫度傳感器同時也測量外界溫度的變化。紫外信號和溫度信號經(jīng)前置放大器放大后分別產(chǎn)生兩路電信號，其中由于紫外探測器件的光譜響應(yīng)曲線和紅斑曲線相匹配，所以紫外探測器信號經(jīng)過前置放大器后產(chǎn)生的信號就是相對的紫外指數(shù)數(shù)據(jù)；這時溫度信號和紫外探測器信號通過多通道的A/D器件進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，送入微控制器89C52進行數(shù)據(jù)處理，當MCU處理單元對這些數(shù)字和事先已經(jīng)定標的紫外指數(shù)數(shù)據(jù)進行比較，并查找相應(yīng)的溫度補償數(shù)據(jù)后，就可得到當前的紫外指數(shù)值和溫度值，然后將數(shù)據(jù)通過無線發(fā)射模塊實時輸出；數(shù)據(jù)在經(jīng)空間傳播后，由無線接收模塊接收，然后將數(shù)據(jù)送入具有雙通訊端口的單片機DS87C520中，數(shù)據(jù)通過兩個通訊端口分別發(fā)送到128×48點陣LED顯示屏和計算機，其中顯示屏作為可選的配件能夠進行紫外線指數(shù)和溫度的顯示，并且還能滾動顯示在該紫外線指數(shù)等級下，公眾相應(yīng)所應(yīng)該采取的防曬措施，如搽防曬霜、穿長袖衣服、戴太陽鏡、打遮陽傘等，以防止過量的紫外線輻射造成皮膚曬傷；發(fā)送到計算機端的數(shù)據(jù)可由計算機應(yīng)用軟件記錄并輸入到數(shù)據(jù)庫中。
無線式紫外線指數(shù)測量裝置由測量部分和接收部分組成。
如圖4所示，紫外線指數(shù)測量儀的紫外指數(shù)數(shù)據(jù)測量頭的結(jié)構(gòu)由不銹鋼外殼3、石英玻璃罩1、聚四氟乙烯漫透射板2、和紅斑曲線匹配的紫外探測器5以及監(jiān)測頭測量部分電路組成。不銹鋼外殼3具有放水、防潮、防繡的功能，監(jiān)測頭的內(nèi)壁涂黑4，石英玻璃罩1保證紫外線的充分透過，并保護探測器；聚四氟乙烯漫透射板2能夠保證測量具有良好的余弦特性；監(jiān)測頭測量部分電路的功能就是實現(xiàn)無線式紫外線指數(shù)數(shù)據(jù)測量及發(fā)射。它由探測器、溫度傳感器、前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路和無線發(fā)射電路組成。
如圖5所示，在紫外線指數(shù)信號放大電路中，S1為肖特基紫外探測器件，IC1為低偏置電流的單片精密運算放大器OPA111，V+、V-為來自低噪聲穩(wěn)壓電路，R13為高阻，其阻抗為1.2×1011Ω，IC3對前級來的電壓信號進行二次放大，調(diào)節(jié)多圈精密電位器RV1可以改變第二級放大電路的放大倍數(shù)，以使整個放大電路的輸出電壓幅值適合模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX154的需要。為減少各種干擾，在放大電路中采取了屏蔽等幾種不同的措施來提高放大電路的精度。
由于肖特基紫外傳感器的光譜響應(yīng)特性不僅與入射的紫外光的波長有關(guān)，而且還和環(huán)境溫度有密切的關(guān)系。而作為紫外線指數(shù)監(jiān)測儀的傳感器件，肖特基紫外傳感器被置于室外，環(huán)境溫度可從-40℃～+50℃之間大范圍變動，對測量結(jié)果影響較大。因此，在紫外線指數(shù)監(jiān)測儀中加入溫度補償模塊，實時監(jiān)控環(huán)境溫度的變化，并對測量結(jié)果進行適當?shù)男拚?，對保證測量結(jié)果的準確性，是十分必要的。經(jīng)過激光微調(diào)定標過的AD590芯片，其檢測靈敏度為1μA/K，輸出電流值(μA)可直接表征熱力學(xué)溫度(K)。溫度采集與放大模塊電路原理見圖6。
A/D轉(zhuǎn)換電路如圖7所示，A/D器件選用AD公司的24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7714。它是一個完整的非常適合于低頻信號高精度測量的模擬前端，可直接測量直流微弱信號。它使用和-差(∑-Δ)轉(zhuǎn)換技術(shù)以實現(xiàn)高達24位的無誤碼性能。該器件具有3個差分模擬輸入以及差分基準輸入，可以對多達5個通道的系統(tǒng)實現(xiàn)信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換，并輸出串行數(shù)字量。AD7714可以通過3線SPI串行接口進行增益設(shè)置、信號極性和通道選擇，并且具有自校準、系統(tǒng)校準和背景校準功能，同時用戶也可以讀寫片內(nèi)寄存器。圖7是AD7714和89C52組成的模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。這里只使用兩個通道，及一個電壓信號，一個電流轉(zhuǎn)換為的電壓信號。SPI接口使用5個端口CS、SCLK、DIN、DOUT和DRDY。CS作為片選信號，SCLK、DIN、DOUT和DRDY接P1口，用作對89C52的通訊。程序設(shè)計時按照AD公司提供的器件的時序進行，SCLK提供時鐘信號，DIN作為串行數(shù)據(jù)輸入使用，DOUT作為串行數(shù)據(jù)輸出使用。當AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，可以監(jiān)視DRDY的狀態(tài)，這里采用查詢的辦法確定AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。
單片機控制和數(shù)據(jù)無線發(fā)射電路如圖8所示。A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進入單片機后，經(jīng)過數(shù)據(jù)修正，并與標定好的數(shù)據(jù)比較后，通過串口輸出到無線發(fā)射電路中。無線發(fā)射采用nRF401無線發(fā)送/接收芯片實現(xiàn)無線傳輸紫外線指數(shù)數(shù)據(jù)。nRF401是一個專用工業(yè)頻段(433MHz)無線收發(fā)芯片。它采用FSK(移頻鍵控)調(diào)制解調(diào)技術(shù)。最高傳輸速率可達20kHz，滿足靜態(tài)數(shù)據(jù)測量要求。數(shù)據(jù)通過串口的TXD和RXD送入nRF401，P2口的三個端口作為對nRF401的控制端，最后數(shù)據(jù)由該芯片經(jīng)單端天線發(fā)射送出。
紫外線指數(shù)測量儀接收頭部分是帶接收天線和RS232接口的電氣盒。內(nèi)含有數(shù)據(jù)接收部分電路。如圖11所示，接收部分電路由具有雙通訊端口的高速單片機DS87C520、nRF401以及電平轉(zhuǎn)換電路組成，首先信號經(jīng)過nRF401接收到后，通過單片機控制該芯片，將數(shù)據(jù)通過一個串口輸入到單片機內(nèi)部RAM中，再通過另一個串口經(jīng)RS232輸如到計算機中。電路圖如圖11所示。同時該通訊口也可以和大屏幕LED顯示屏相連接，顯示當前的紫外指數(shù)和溫度數(shù)據(jù)。大屏幕使用時采用脫離計算機的辦法顯示數(shù)據(jù)，保證端口的正常使用。
如圖9所示，根據(jù)硬件連線，以及紫外線指數(shù)監(jiān)測儀所要實現(xiàn)的功能，無線紫外線指數(shù)測量儀測量部分的軟件程序流程1)初始化；2)放大的溫度和紫外線信號進行A/D轉(zhuǎn)換；3)查表進行溫度補償；4)紫外線指數(shù)運算并標定；5)發(fā)射穩(wěn)產(chǎn)溫度和紫外線指數(shù)數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)向1)。
如圖10所示，無線紫外線指數(shù)測量儀接收部分的軟件程序流程1)初始化；2)判斷有無數(shù)據(jù)發(fā)送？無則繼續(xù)判斷；有則轉(zhuǎn)向3)；3)接收數(shù)據(jù)；4)經(jīng)串口送數(shù)據(jù)到計算機或大屏幕，轉(zhuǎn)向1)。
子程序中，包括數(shù)據(jù)發(fā)射子程序、數(shù)據(jù)接收子程序、AD轉(zhuǎn)換芯片控制端口的配置子程序、通過串送數(shù)據(jù)的通訊子程序、AD轉(zhuǎn)換部分的子程序、紫外指數(shù)修正子程序等。
權(quán)利要求1.一種無線式紫外線指數(shù)測量裝置，由紫外線指數(shù)測量部分和紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分組成，其特征在于，紫外線指數(shù)測量部分包括一肖特基紫外探測器，用于采集紫外信號；一溫度傳感器，用于采集外界溫度信號；前置放大電路，分別連接紫外探測器和溫度傳感器的輸出端，用于紫外信號和溫度信號的放大；一模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，分別連接前置放大電路的紫外信號和溫度信號的輸出端，用于信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換；一單片機控制電路，連接模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出端，用于完成數(shù)據(jù)處理及溫度補償；一無線發(fā)射模塊，連接單片機控制電路的數(shù)據(jù)輸出端，用于完成當前測量數(shù)據(jù)的無線輸出；紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分，用于測量數(shù)據(jù)的接收、存儲和顯示；由紫外探測器和溫度傳感器測量紫外信號和溫度信號經(jīng)前置放大器的放大、A/D轉(zhuǎn)換電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換、MCU微處理單元的處理后，通過無線發(fā)射模塊實時輸出，再由紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分無線接收后，進行測量數(shù)據(jù)的存儲和顯示。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無線式紫外線指數(shù)測量裝置，其特征在于，所述紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分包括一無線接收模塊，用于完成當前測量數(shù)據(jù)的無線輸入；一具有雙通訊端口的單片機，連接無線接收模塊的數(shù)據(jù)輸出端，一計算機，連接單片機的一通訊端口，用于紫外指數(shù)值的記錄、存儲；一顯示電路，連接單片機的一通訊端口，用于紫外線指數(shù)和溫度的顯示。
專利摘要一種無線式紫外線指數(shù)測量裝置，包括由肖特基紫外探測器、溫度傳感器、前置放大電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路和無線發(fā)射模塊組成的紫外線指數(shù)測量部分和由無線接收模塊、具有雙通訊端口的單片機、計算機和顯示電路組成的紫外指數(shù)數(shù)據(jù)接收部分，由紫外探測器和溫度傳感器測量紫外信號和溫度信號經(jīng)前置放大器的放大、A/D轉(zhuǎn)換電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換、MCU微處理單元的處理后，通過無線發(fā)射模塊實時輸出，再由無線接收模塊實時無線接收，經(jīng)具有雙通訊端口的單片機分別輸出至計算機和顯示電路，進行測量數(shù)據(jù)的存儲和顯示。本實用新型的無線式紫外線指數(shù)測量裝置具有能直接測量的，能無線傳輸，誤差小，成本低，人力省，并能多點測量的特點。
文檔編號G01J1/42GK2884366SQ20062004097
公開日2007年3月28日 申請日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月12日
發(fā)明者莊松林, 瑚琦, 顧鈴娟, 蘇錦文, 李雯 申請人:上海理工大學(xué)