張自強(qiáng)，呂秀梅，張學(xué)偉，侯沖，吳云龍，王建穎，張慶宏

氣密包裝箱氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

張自強(qiáng)，呂秀梅，張學(xué)偉，侯沖，吳云龍，王建穎，張慶宏

（北京新風(fēng)航天裝備有限公司，北京 100854）

為了實(shí)現(xiàn)氣密包裝箱內(nèi)氣體溫度、濕度、壓力、氮?dú)鉂舛鹊膶?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研究傳感器芯片板級(jí)集成技術(shù)及電信號(hào)氣密傳輸技術(shù)，推導(dǎo)基于氧氣傳感器的氮?dú)鉂舛炔杉惴ǎO(shè)計(jì)一套氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。基于嵌入式處理器和.NET框架界面完成了監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了不同參數(shù)的校準(zhǔn)測(cè)試，在置信概率氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)、溫度、相對(duì)濕度、壓力的測(cè)量不確定度分別為0.34%，0.2 ℃，1.3%，0.05 kPa。該裝置可實(shí)時(shí)采集氣密包裝箱內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)并在上位機(jī)界面實(shí)時(shí)、穩(wěn)定顯示，測(cè)量不確定度滿足參數(shù)精度要求，與密封艙體匹配后12 d氣密測(cè)試無壓力泄漏。

氣密；包裝箱；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；多傳感器；數(shù)據(jù)通信；泄漏率

武器裝備、精密儀器、衛(wèi)星等長(zhǎng)壽命周期產(chǎn)品，需要相對(duì)穩(wěn)定的貯存和運(yùn)輸環(huán)境，在有效減少產(chǎn)品物理損傷的同時(shí)，可以防止產(chǎn)品內(nèi)部敏感器件因氧化、潮濕等原因發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，避免影響產(chǎn)品的作戰(zhàn)效能和可靠性指標(biāo)[1—3]。隨著武器裝備全系統(tǒng)壽命理念和快速反應(yīng)作戰(zhàn)要求的提出和推廣，產(chǎn)品貯存和運(yùn)輸保障設(shè)備要求實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)輸條件及惡劣多變環(huán)境下可靠、穩(wěn)定貯存和存儲(chǔ)環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)，產(chǎn)品包裝箱面向智能化、綜合化的方向發(fā)展[4—5]。

氣密包裝箱因采取了密封措施，避免了內(nèi)部氣體與外界空氣的交換，通過充入一定壓力的高純度氮?dú)舛栊詺怏w，使包裝箱成為一個(gè)穩(wěn)定、封閉的微正壓貯存和運(yùn)輸環(huán)境，可以有效對(duì)包裝箱內(nèi)產(chǎn)品進(jìn)行保護(hù)[6]。為了實(shí)時(shí)獲取包裝箱內(nèi)部氣體狀態(tài)，防止在貯存、運(yùn)輸環(huán)節(jié)超出產(chǎn)品對(duì)存儲(chǔ)環(huán)境的要求，需要通過測(cè)量裝置對(duì)箱體內(nèi)部氣體狀態(tài)進(jìn)行采集。隨著微電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和現(xiàn)代傳感技術(shù)的快速發(fā)展，多功能、集成化、智能化的監(jiān)測(cè)產(chǎn)品成為貯運(yùn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[7]，對(duì)氣密包裝箱的檢測(cè)也從傳統(tǒng)的色卡、機(jī)械壓力表[8—9]的手段轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮踊⒓苫谋O(jiān)測(cè)方式，未來貯運(yùn)監(jiān)測(cè)技術(shù)將集中體現(xiàn)智能化、低功耗、小型化、安全化等4個(gè)特點(diǎn)[10—12]。中南大學(xué)施榮華等[13]使用物聯(lián)網(wǎng)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)、GPRS無線通信等手段，對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，建立農(nóng)產(chǎn)品儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。海軍工程大學(xué)李洪偉等[14]設(shè)計(jì)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)儲(chǔ)運(yùn)箱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用RFID射頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)運(yùn)過程的溫度、濕度、壓力等參數(shù)的實(shí)時(shí)提取和動(dòng)態(tài)顯示，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)在惡劣環(huán)境下貯存、運(yùn)輸環(huán)節(jié)進(jìn)行有效保護(hù)。中北大學(xué)王雪嬌等[15]設(shè)計(jì)了智能電子標(biāo)簽環(huán)境參數(shù)采集傳感器，基于紅外通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)顯示器與傳感器的數(shù)據(jù)傳輸并在上位機(jī)中實(shí)時(shí)顯示。以上方法都是基于傳感器在包裝箱內(nèi)部，顯示器在包裝箱外部，顯示器通過傳感網(wǎng)絡(luò)、RFID射頻、紅外等無線通信方式與顯示器連接，最終將提取的數(shù)據(jù)在上位機(jī)中顯示。對(duì)于武器裝備、精密儀器、衛(wèi)星等涉及國(guó)家秘密的重要產(chǎn)品，采用無線通信的方式一旦被植入木馬程序，容易在數(shù)據(jù)傳輸過程中將產(chǎn)品信息輸出，存在失泄密的風(fēng)險(xiǎn)和隱患[16]，因此，有必要設(shè)計(jì)一種基于多傳感器的氣密包裝箱環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)裝置，通過多種傳感器對(duì)包裝箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集并氣密輸出，在處理器中運(yùn)算、暫存后輸入上位機(jī)進(jìn)行顯示和人機(jī)交互。

文中基于多種傳感器板級(jí)集成技術(shù)和信號(hào)氣密電氣連接技術(shù)，提出一種氣密包裝箱氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置。該裝置通過密封圈與箱體匹配氣密連接，利用有線氣密傳輸?shù)姆绞綄?shí)現(xiàn)參數(shù)采集、處理及顯示，可有效解決氣密包裝箱對(duì)內(nèi)部環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的問題，避免國(guó)家秘密的重要產(chǎn)品貯運(yùn)過程中數(shù)據(jù)失泄密的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

1 氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置

1.1 系統(tǒng)概述

氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置由檢測(cè)器、顯示器和通訊線纜組成，對(duì)外接口包括與包裝箱通過密封圈氣密連接的結(jié)構(gòu)接口和顯示器供電接口。檢測(cè)器與包裝箱結(jié)構(gòu)通過密封圈氣密匹配，基于板級(jí)集成多傳感器進(jìn)行環(huán)境參數(shù)信號(hào)采集，通過饋通濾波器氣密傳輸后在處理器中數(shù)據(jù)暫存，并通過輸出接口與顯示器連接。顯示器將檢測(cè)器輸出數(shù)據(jù)解碼轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)顯示和動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，同時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互。通訊線纜將顯示器與檢測(cè)器有線連接，通過串口協(xié)議進(jìn)行信號(hào)傳輸，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)顯示器對(duì)檢測(cè)器電池的充電。氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置原理見圖1。

1.2 氣密檢測(cè)器

氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置下位機(jī)以氣密檢測(cè)器為核心，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)2部分。整體結(jié)構(gòu)為圓柱狀，檢測(cè)器接口與包裝箱螺紋連接緊固，采用O型密封圈實(shí)現(xiàn)檢測(cè)器與包裝箱的氣密連接。多傳感器位于包裝箱內(nèi)部，處理器位于包裝箱外部，傳感器采集數(shù)據(jù)通過饋通濾波器與處理器連接，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的氣密傳輸。檢測(cè)器三維結(jié)構(gòu)見圖2。

檢測(cè)器的電氣部分，設(shè)計(jì)了以嵌入式處理器STM32F407VET6為主控芯片的氣體采集信號(hào)處理電路，包括處理器最小系統(tǒng)、RS-232電路、電源管理電路、存儲(chǔ)電路和信號(hào)采集電路。以溫濕度、絕對(duì)壓力、氮?dú)鉂舛泉?dú)立傳感器為采集單元進(jìn)行參數(shù)采集并以信號(hào)量輸出，以饋通濾波器為信號(hào)傳輸器件實(shí)現(xiàn)傳感器與處理器的氣密通訊。檢測(cè)器電路原理見圖3。

1.2.1 氮?dú)鉂舛葏?shù)采集

包裝箱內(nèi)氮?dú)鈱儆诙栊詺怏w，很難與其他介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于氮?dú)獾闹苽涫峭ㄟ^物理方法將空氣中的氮氧進(jìn)行分離[17]，同時(shí)箱外部環(huán)境為空氣，因此包裝箱內(nèi)氣體成分主要由氮?dú)夂脱鯕饨M成。采用電化學(xué)式氧氣傳感器采集箱內(nèi)氧氣濃度，通過算法轉(zhuǎn)換，即可得到箱內(nèi)氮?dú)鉂舛取?/p>

圖1 氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置原理

圖2 氣密檢測(cè)器三維結(jié)構(gòu)

氧氣傳感器上電后，在電極的催化下，工作電極和對(duì)電極分別發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流，輸出電流與氣體樣本中氧氣濃度呈正比關(guān)系。由于包裝箱內(nèi)充滿高濃度氮?dú)?，包裝箱整體相對(duì)氣密，氧氣濃度較低，因此在負(fù)載電阻上的輸出電壓值在毫伏級(jí)，通過運(yùn)算放大器對(duì)微弱電壓信號(hào)進(jìn)行前級(jí)放大后送入處理器的AD采樣引腳，在處理器中進(jìn)行運(yùn)算和分析，最終得到氧氣濃度，通過轉(zhuǎn)換即可輸出氮?dú)鉂舛劝俜直刃畔?。氧氣濃度采集電路原理見圖4。

結(jié)合電路原理[18]基本知識(shí)，氧氣傳感器輸出電流sensor與運(yùn)算放大器輸出電壓out的關(guān)系滿足：

(1)

氧氣傳感器在負(fù)載電阻上的輸出電壓snesor與樣本氣體中氧氣濃度為線性關(guān)系，且存在輸出零點(diǎn)偏移電壓B，因此，snesor與樣本氣體中氧氣體積分?jǐn)?shù)O2（%）的關(guān)系滿足：

(2)

式中：0為電壓系數(shù)。

根據(jù)以上關(guān)系，將氧氣傳感器放置于空氣中，上電后去掉氧氣傳感器探頭，測(cè)量輸出電壓可以得到零點(diǎn)偏移電壓B=bias。連接氧氣傳感器探頭，穩(wěn)定后上電，由于空氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)為20.9%，測(cè)量可以得到空氣中氧氣傳感器輸出電壓sensor=20.9%，由此可知傳感器輸出電壓與樣本氣體中氧氣體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系滿足：

圖3 氣密檢測(cè)器電路原理

圖4 氧氣濃度采集電路原理

(3)

對(duì)于包裝箱而言，內(nèi)部充入高濃度氮?dú)猓潴w外部為空氣環(huán)境，一定時(shí)間內(nèi)，由箱外進(jìn)入箱體內(nèi)部的氣體成分絕大多數(shù)為氧氣，惰性氣體濃度可以忽略不計(jì)，因此，包裝箱內(nèi)氣體成分為氮?dú)夂脱鯕?，即氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)N2=1?O2。綜合式（1—3），可以得到氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)N2與運(yùn)算放大器輸出電壓out的關(guān)系滿足：

(4)

式中：bias為氧氣傳感器輸出零點(diǎn)偏移電壓；20.9%為空氣中氧氣傳感器輸出電壓；1，F(xiàn)分別為運(yùn)算放大器輸入電阻和反饋電阻，以上參數(shù)已知。

STM32F407處理器[19]包含12位ADC逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換接口，在處理器內(nèi)部對(duì)out電壓信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，計(jì)算出氮?dú)怏w積分?jǐn)?shù)N2，最終將數(shù)據(jù)經(jīng)通信接口輸出。

1.2.2 溫濕壓參數(shù)采集

檢測(cè)器溫濕壓采集包含溫濕度傳感器和2個(gè)絕對(duì)壓力傳感器：溫濕度傳感器和絕對(duì)壓力傳感器1

位于包裝箱內(nèi)，采集箱內(nèi)溫濕度、絕對(duì)壓力參數(shù)；絕對(duì)壓力傳感器2位于包裝箱外，采集箱外環(huán)境絕對(duì)壓力參數(shù)，通過對(duì)箱內(nèi)、箱外絕對(duì)壓力值做差得到包裝箱微正壓狀態(tài)參數(shù)。3個(gè)傳感器均采用數(shù)字輸出式I2C通訊的方式，通過配置傳感器通信地址使得3個(gè)信號(hào)在I2C總線上不沖突。溫濕壓參數(shù)采集電路原理見圖5。

圖5中，為傳感器電源去耦電容，有效濾除電源紋波及高頻干擾，同時(shí)為芯片提供穩(wěn)定的供電電壓；由于傳感器I2C為開漏輸出，因此在I2C總線與電源之間增加了上拉電阻。

1.2.3 下位機(jī)軟件架構(gòu)

下位機(jī)以嵌入式處理器為主控芯片實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及通訊上傳，采用C語言在Keil平臺(tái)環(huán)境中開發(fā)編程。下位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能有：多傳感器初始化設(shè)置與溫濕度、壓力、氮?dú)鉂舛葦?shù)據(jù)讀取；將獲取的多狀態(tài)環(huán)境參數(shù)按照一定的格式存入Nor FLASH相變存儲(chǔ)器并在上位機(jī)調(diào)用時(shí)打包輸出；以RS-232串口方式進(jìn)行參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)輸入、輸出。下位機(jī)軟件流程見圖6。

檢測(cè)器上電后，首先初始化系統(tǒng)時(shí)鐘，隨后對(duì)USART、I2C、SPI、GPIO和中斷等系統(tǒng)內(nèi)部資源初始化，最后對(duì)溫濕度、絕對(duì)壓力、氧氣傳感器芯片初始化，獲取環(huán)境參數(shù)狀態(tài)信息。初始化結(jié)束后進(jìn)入休眠模式，等待喚醒。

圖5 溫濕壓參數(shù)采集電路原理

圖6 下位機(jī)軟件流程

下位機(jī)喚醒包含2種方式：處理器RTC鬧鐘喚醒和上位機(jī)信號(hào)喚醒。RTC鬧鐘喚醒模式，根據(jù)預(yù)設(shè)的采樣周期，RTC鬧鐘將處理器喚醒，接收傳感器采樣數(shù)據(jù)并按照約定格式寫入FLASH中，如果數(shù)據(jù)異常將發(fā)出報(bào)警信息。處理器根據(jù)設(shè)定的采樣時(shí)間間隔設(shè)定下一次喚醒時(shí)間，不斷循環(huán)；上位機(jī)信號(hào)喚醒模式，上位機(jī)通過串口發(fā)出指令，下位機(jī)進(jìn)入定時(shí)中斷程序，通過對(duì)串口指令進(jìn)行解析執(zhí)行相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置、參數(shù)查詢、數(shù)據(jù)上傳操作程序，最終返回?cái)?shù)據(jù)參數(shù)，最后進(jìn)入休眠模式等待再次喚醒。

1.3 顯示器

1.3.1 上位機(jī)軟件構(gòu)架

氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置上位機(jī)以顯示器為核心，利用手持機(jī)硬件資源和操作系統(tǒng)，采用C#語言在Visual Studio開發(fā)環(huán)境中搭建.NET框架顯示界面。上位機(jī)總體框架見圖7。

圖7 上位機(jī)軟件總體架構(gòu)

采用MVC架構(gòu)分層設(shè)計(jì)，基于軟件模塊劃分的理念，從上到下依次劃分顯示控制層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和數(shù)據(jù)交互層，實(shí)現(xiàn)參數(shù)實(shí)時(shí)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)計(jì)、聲光報(bào)警的功能。

1.3.2 上位機(jī)交互界面

結(jié)合上位機(jī)人機(jī)交互功能需求，對(duì)顯示界面進(jìn)行了設(shè)置及排布，共3個(gè)界面：實(shí)時(shí)模式采集、定時(shí)模式采集、閾值參數(shù)設(shè)置3個(gè)界面，見圖8。

圖8 上位機(jī)交互界面

2 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

根據(jù)技術(shù)原理，完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證，氣密檢測(cè)器硬件照片見圖9，氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置整機(jī)照片見圖10。

圖9 氣密檢測(cè)器硬件

圖10 氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置

2.1 多傳感器選型

結(jié)合氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置使用環(huán)境要求及設(shè)計(jì)可行性，在傳感器選型方面主要考慮技術(shù)指標(biāo)、環(huán)境適應(yīng)性、通信接口、可靠性等技術(shù)指標(biāo)。具體選型見表1。

表1 多傳感器選型

溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion公司研制生產(chǎn)的SHT35型數(shù)字式集成傳感器，采用DFN-8封裝，包含電容性聚合體測(cè)濕敏感元件和能隙材料制成的測(cè)溫元件，內(nèi)部含有AD轉(zhuǎn)換和I2C輸出接口電路。

絕對(duì)壓力傳感器選擇美國(guó)TE公司研制生產(chǎn)的MS5803-02BA型數(shù)字輸出高分辨率氣壓傳感器，配備I2C和SPI總線接口，內(nèi)部嵌入了溫度傳感器，可以在無需額外傳感器配合條件下實(shí)現(xiàn)自校正。

氧氣濃度傳感器選擇英國(guó)Alphasense公司研制生產(chǎn)的O2-A3型長(zhǎng)壽命氧氣傳感器，輸出電流大小與氧氣濃度呈線性關(guān)系。氧氣傳感器為電化學(xué)式消耗器件，使用壽命最高可達(dá)3年，滿足使用環(huán)境及壽命要求。

2.2 氣體狀態(tài)校準(zhǔn)測(cè)試

為了驗(yàn)證氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置數(shù)據(jù)輸出的有效性，分別對(duì)溫度、濕度、壓力、氮?dú)鉂舛?種狀態(tài)參量結(jié)合包裝箱內(nèi)氣體狀態(tài)范圍，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了氮?dú)鉂舛?、溫度、濕度、絕對(duì)壓力參數(shù)校準(zhǔn)。

校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)過程中，向密閉的測(cè)試艙內(nèi)充入不同參數(shù)的氣體，通過更高精度的傳感器測(cè)量氣體參數(shù)，與氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置示值求偏差。設(shè)參數(shù)偏差為，則A狀態(tài)參數(shù)測(cè)量不確定度可以表示為：

(5)

式中：為同一狀態(tài)不同參數(shù)的數(shù)量；S為第種參數(shù)下的偏差；為偏差的平均值。

2.2.1 氮?dú)鉂舛葴y(cè)試

氮?dú)鉂舛刃?zhǔn)測(cè)試中，依據(jù)JJG 365—2008《電化學(xué)氧測(cè)定儀鑒定規(guī)程》，選用標(biāo)準(zhǔn)氮氧混合氣體充氣密閉檢測(cè)容器中，由裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并記錄。氮?dú)鉂舛刃?zhǔn)測(cè)試結(jié)果見圖11。

圖11 氮?dú)鉂舛刃?zhǔn)測(cè)試結(jié)果

在相同溫度、濕度、壓力的氣體中選擇了7種不同氮?dú)鉂舛赛c(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，根據(jù)測(cè)量不確定度公式（5）計(jì)算可知，監(jiān)測(cè)裝置氮?dú)鉂舛鹊臏y(cè)量不確定度為0.34%(=2)，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論計(jì)算值吻合。

2.2.2 溫濕度校準(zhǔn)測(cè)試

溫度校準(zhǔn)測(cè)試中，依據(jù)JJF 1076—2001《溫濕度傳感器校準(zhǔn)規(guī)范》，向密閉測(cè)試艙內(nèi)充入不同溫度、不同濕度的標(biāo)準(zhǔn)氮?dú)?，選用M4/1111型精密露點(diǎn)儀進(jìn)行溫濕度采集與校準(zhǔn)，溫度校準(zhǔn)結(jié)果見圖12。

在相同相對(duì)濕度、壓力、氮?dú)鉂舛鹊臍怏w中選擇了12個(gè)不同溫度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，溫度測(cè)量不確定度為0.2 ℃(=2)。同理，在相同溫度、壓力、氮?dú)鉂舛葰怏w中選擇了9個(gè)不同濕度點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)測(cè)試，相對(duì)濕度測(cè)量不確定度為1.3%(=2)。溫度、濕度 測(cè)量不確定度滿足傳感器測(cè)量精度要求，數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

2.2.3 壓力校準(zhǔn)測(cè)試

壓力校準(zhǔn)測(cè)試中，依據(jù)JJG 875—2019《數(shù)字式壓力計(jì)檢定規(guī)程》，向密閉測(cè)試艙內(nèi)充入不同壓力的標(biāo)準(zhǔn)氮?dú)?，選用PACE6000型數(shù)字式壓力控制器、1508絕緣電阻表進(jìn)行壓力采集，校準(zhǔn)結(jié)果見圖13。

2.2.4 泄漏量測(cè)試

將氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)器結(jié)構(gòu)通過密封圈與特制密封艙體工裝匹配，艙體內(nèi)充入一定壓力的高純度氮?dú)?，裝置與艙體氣密匹配后，定期測(cè)試一段時(shí)間內(nèi)艙內(nèi)壓力變化情況，見圖14。

經(jīng)過12 d的泄漏量測(cè)量，監(jiān)測(cè)裝置通過O型密封圈與艙體氣密匹配后，壓力計(jì)內(nèi)外壓差維持定值，氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置無泄漏。

2.3 可靠性測(cè)試

對(duì)氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行可靠性試驗(yàn)及相關(guān)測(cè)試，包括環(huán)境應(yīng)力篩選、高溫、低溫、振動(dòng)、公路運(yùn)輸?shù)仍囼?yàn)，通過顯示器查看數(shù)據(jù)一致性、實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性。

測(cè)試結(jié)果表明，顯示器在可靠性試驗(yàn)過程中可有效顯示當(dāng)前環(huán)境溫度、濕度、絕對(duì)壓力、氮?dú)鉂舛葼顟B(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)具有一致性，信號(hào)傳輸穩(wěn)定無丟幀、誤碼，可以實(shí)時(shí)顯示。

圖12 裝置溫濕度校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

圖13 裝置壓力校準(zhǔn)測(cè)試結(jié)果

圖14 裝置泄漏量測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)語

以STM32F407VET6嵌入式處理器為主控芯片，研究了多傳感器板級(jí)集成技術(shù)和氣密傳輸技術(shù)，采用多種傳感器進(jìn)行氣體狀態(tài)參數(shù)采集，通過饋通濾波器實(shí)現(xiàn)多傳感器與處理器的氣密數(shù)據(jù)傳輸；設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件架構(gòu)及顯示界面，利用RS-232協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸。通過校準(zhǔn)測(cè)試驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的正確性和采集數(shù)據(jù)的有效性，通過泄漏量試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)構(gòu)和傳輸?shù)臍饷苄裕詈筮M(jìn)行了可靠性測(cè)試，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、具有良好的一致性和實(shí)時(shí)性。該裝置為氣密包裝箱氣體狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供了一種新方案。

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Design of Gas State Monitor for Airtight Packaging Box

ZHANG Zi-qiang, LYU Xiu-mei, ZHANG Xue-wei, HOU Chong, WU Yun-long, WANG Jian-ying, ZHANG Qing-hong

(Beijing Xinfeng Aerospace Equipment Co., Ltd., Beijing 100854, China)

The work aims to realize real-time monitoring of gas temperature, humidity, pressure and nitrogen concentration in airtight packaging box. The sensor chip board-level integration technology and the electrical signal airtight transmission technology were studied. The nitrogen concentration acquisition algorithm based on the oxygen sensor was derived. A gas state monitor was designed. Based on embedded processor and. NET framework interface, the design of the monitor was completed. Calibration tests of different parameters were conducted in the national standard laboratory. The measurement uncertainty of nitrogen concentration, temperature, humidity, pressure at confidence probability was 0.34%, 0.2 ℃, 1.3%, 0.05 kPa, respectively. Experimental results show that the device can collect the gas state parameters in the airtight packaging box and display them on the host computer interface in real time and stably. The measurement uncertainty meets the requirement of parameter accuracy. After matching with the sealed cabin, there is no pressure leakage after 12 d of airtight test.

airtight; packaging box; real-time monitoring; multi-sensor; data communication; leak rate

TP212.9

A

1001-3563(2022)01-0236-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.01.030

2021-08-28

中國(guó)航天科工集團(tuán)公司關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)課題（SXG-2020-007）

張自強(qiáng)（1988—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楹教炱麟姎庀到y(tǒng)設(shè)計(jì)與檢測(cè)技術(shù)。