一种微环境多因素综合监测装置及其使用方法

技术领域

本发明属于环境因素监测技术领域，具体涉及装备内部微环境多因素（包括温度、湿度、振动、气压、二氧化硫浓度、盐雾浓度）综合监测装置。

背景技术

随着装备技术的发展，装备论证、研制、试验、保障等相关单位迫切需要准确知晓装备内部微观环境数据，其测量的场景包括战场、库房、舰船、飞机、车辆、武器包装等。与模拟环境不同，装备微环境是真实环境，这种特殊的环境既受装备外部大环境高低温、湿度、氯离子浓度、二氧化硫的影响，又受装备内部发动机等形成的高温、噪声、振动、尾气、电磁干扰等诱发环境的影响，是一种混合环境。这些环境影响因素对装备战技性能的发挥、装备的可靠性、装备的寿命和人体舒适性影响较大。因此，有必要研制一种环境监测装置对装备内部微环境进行观测/监测，以便于科研人员对装备内部环境进行全方位的分析。

目前，国内外装备内部微环境因素测量存在的问题包括：一是大多采用单一因素的测量装置，如采集振动的装置只能采集振动，不能采集二氧化硫，采集二氧化硫的不能采集氯离子，多种因素无法同时采集，不能满足装备微环境多因素采集的需求；二是现有的测量装置体积较大，而装备内部空间有限，难以满足装备微环境测试的需求；三是单一测量的环境因素难以同步；四是现有的测量装置不耐恶劣环境；五是现有的装置功耗较大，需要交流电供电，装备内部常常没有多余电力提供给观测装置，无法实现伴随式观测/监测。更为关键的是，现有测量装置的传感器探头大都借助于强力胶直接粘固在装备部件壁面上，存在使用过程中稳定性欠佳的问题，拆除时容易损坏被粘物体的漆面，对于在狭小空间内安装传感器探头也非常困难且费时费力。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明目的之一在于提供一种应用于装备内部狭小空间的微环境多因素综合监测装置，以实现微环境多因素的自动观测，实现装备内部微环境因素的伴随式观测/监测。

为了实现上述目的，本发明采用了如下所述技术方案。

一种微环境多因素综合监测装置，其特征在于：它包括系统集成式主机，与系统集成式主机分别相连接的温度传感器、湿度传感器、振动传感器、气压传感器、二氧化硫浓度传感器和盐雾浓度传感器，各个传感器用于单独采集相应的微环境数据，系统集成式主机用于集中分析采集到的微环境数据，并根据采集到的微环境数据生成数据表和环境图谱。

作为优选方案，系统集成式主机包括设置在外壳内的中央处理器，中央处理器分别连接电源模块、控制器、USB接口、TF卡接口、温度传感器接口、湿度传感器接口、振动传感器接口、气压传感器接口、二氧化硫浓度传感器接口和盐雾浓度传感器接口，控制器连接并控制各个传感器运行，各个传感器接口配接具有防水屏蔽功能的传感器连接线，各个传感器检测到的信号源依次经过前置放大器、模/数转换器后传输给中央处理器，并通过大容量存储芯片（大容量存储器）进行数据存储。所述大容量存储芯片是指其容量能够满足至少一个监测周期内的数据存储。

为解决“传感器探头在使用过程中稳定性欠佳，拆除时容易损坏被粘物体的漆面，对于在狭小空间内安装传感器探头也非常困难且费时费力”的技术问题，本发明提供的微环境多因素综合监测装置还包括与各个传感器配套使用的传感器安装座，传感器安装座包括底板，底板的正面设置有用于容纳振动传感器的箱体，在底板的背面设置有孔，孔内过盈配合有钕铁硼强力磁铁，钕铁硼强力磁铁顶面与底板背面齐平，并在钕铁硼强力磁铁顶面设置有易拉胶，钕铁硼强力磁铁外围设置有密封圈；当传感器安装座贴合在被检测区域附近的壁面后，密封圈内侧区域形成密闭空间。

为进一步提高微环境多因素综合监测装置在使用过程中的稳定性，同时方便安装，在箱体顶面设置有多个线扣，部分线扣用于固定传感器连接线，另一部分线扣用于固定传感器探头。

为更进一步提高微环境多因素综合监测装置在使用过程中的稳定性，本发明设计的线扣包括多排横向布置的线扣一和多排纵向布置的线扣二，线扣一与线扣二错开排列。

为提高微环境多因素综合监测装置的耐恶劣环境性能，更方便地实现装备内部微环境多因素的伴随式观测/监测，系统集成式主机外壳采用经过阳极化处理的铝合金外壳，系统集成式主机用插拔式电池模组，用锂氟化碳电池供电。

本发明目的之二在于提供一种前述微环境多因素综合监测装置的使用方法，以更好地实现装备内部微环境多因素的观测/监测。

基于前述微环境多因素综合监测装置的使用方法，其特征在于步骤如下：

步骤1，根据需求确定所需监测的装备内部微环境多因素，将相应的传感器连接线接入系统集成式主机，并按照布线要求布置传感器连接线；此处所指的布线要求是指在不影响装备运行的情况下根据装备内部空间布线；

步骤2，将相应的传感器连接线末段和传感器探头卡在线扣上；

步骤3，在传感器安装座的钕铁硼强力磁铁顶面安装好易拉胶，将传感器安装座粘固在被监测区域附近的壁面上；

步骤4，启动微环境多因素综合监测装置，并进行自检；

步骤5，对所有微环境多因素综合监测装置进行时间同步，同步方式是用同一台电脑的时间作为标准时间或采用GPS时钟校准；

步骤6，启动计时器，开始微环境多因素测量/采集，结束后通过系统集成式主机生成数据表、环境图谱并进行分析。

作为优选方案，传感器连接线以蛇形结构的方式固定在线扣上。

有益效果：本发明提供的微环境多因素综合监测装置体积小、重量轻，方便使用，不仅能够灵活、轻松、快捷的将其传感器探头固定在装备内绝大多数空间（包括狭小空间）处，而且方便拆卸，拆卸时不会损伤被粘物体的漆面；本发明提供的微环境多因素综合监测装置在使用过程中的稳定性好，几乎不存在传感器探头和传感器连接线脱落/掉落的情况，即使在军用运输车内开展长达数月的微环境因素监测，也不存在传感器探头移位的情况；本发明提供的微环境多因素综合监测装置用途广泛，可以满足装备论证和研制工作中的对装备微环境适应性数据的需求问题，可以同时采集多种主要的环境因素数据（包括温度、湿度、振动、气压、盐雾浓度和二氧化硫浓度），通过分支器可以扩展到噪声、侧倾角、颗粒物等因素的监测，功耗低，一次充电可以满足长时间的伴随式监测。

本发明提供的微环境多因素综合监测装置采用一个主机配置六个探头式传感器，可以避免各种传感器受到装置中央处理器、控制器和电池发热对数据精度的影响，可以对装置最大程度的小型化，使测量更加灵活，其传感器可以按需接入，电池只对接入的传感器供电，降低电池耗费。

附图说明

图1为实施例中微环境多因素综合监测装置的原理图；

图2为实施例中微环境多因素综合监测装置的功能布局图；

图3为实施例中微环境多因素综合监测装置的逻辑布局图；

图4为实施例中微环境多因素综合监测装置的控制程序流程图；

图5为实施例中微环境多因素综合监测装置的传感器安装座示意图一；

图6为实施例中微环境多因素综合监测装置的传感器安装座示意图二。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明，在此指出以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域普通技术人员根据本发明权利要求内容作出一些非本质的改进和调整，均在本发明保护范围内。

实施例

一种微环境多因素综合监测装置，如图1至图4所示，它包括系统集成式主机，与系统集成式主机分别相连接的温度传感器、湿度传感器、振动传感器、气压传感器、二氧化硫浓度传感器和盐雾浓度传感器，各个传感器用于单独采集相应的微环境数据，系统集成式主机用于集中分析采集到的微环境数据，并根据采集到的微环境数据生成数据表和环境图谱。系统集成式主机包括设置在外壳内的中央处理器，中央处理器分别连接电源模块、控制器、USB接口、TF卡接口、温度传感器接口、湿度传感器接口、振动传感器接口、气压传感器接口、二氧化硫浓度传感器接口和盐雾浓度传感器接口，控制器连接并控制各个传感器运行，各个传感器接口配接具有防水屏蔽功能的传感器连接线，各个传感器检测到的信号源依次经过前置放大器、模/数转换器后传输给中央处理器，并通过大容量存储芯片进行数据存储。系统集成式主机外壳采用经过阳极化处理的铝合金外壳，系统集成式主机用插拔式电池模组，用锂氟化碳电池供电。这种微环境多因素综合监测装置它还包括与各个传感器配套使用的传感器安装座，如图5和图6所示，传感器安装座包括底板1，底板1上预留有安装孔2，便于在提供螺纹安装的场合使用防松动螺丝，底板1的正面设置有用于容纳振动传感器的箱体3，在底板1的背面设置有孔6，孔6内过盈配合有钕铁硼强力磁铁7，钕铁硼强力磁铁7顶面与底板1背面齐平，并在钕铁硼强力磁铁7顶面设置有易拉胶9，钕铁硼强力磁铁7外围设置有密封圈8；当传感器安装座贴合在被检测区域附近的壁面后，密封圈8内侧区域形成密闭空间（密封圈8保护着易拉胶，防止雨水或者灰尘对易拉胶9造成影响，避免易拉胶9粘贴效果降低甚至失效）。在箱体3顶面设置有多个线扣，部分线扣用于固定传感器连接线，另一部分线扣用于固定传感器探头。线扣包括多排横向布置的线扣一5和多排纵向布置的线扣二4，线扣一5与线扣二4错开排列。

本发明中，微环境多因素综合监测装置的功能布局图如图2所示，采用一个系统集成式主机配置六个探头式传感器，这样设计的优点包括：首先是可以避免各种传感器受到装置中央处理器、控制器和电池发热对数据精度的影响；其次是可以对装置最大程度的小型化，传感器外置也使测量更加灵活；第三是传感器可以按需接入，电池只对接入的传感器供电，降低电池耗费。系统集成式主机的主控芯片选用意法半导体Contex-M4处理器STM32F4系列，该处理器能适应-40℃～85℃，运行的uCOS-II实时操作系统，装置留有丰富的接口，采用USB接口、RS-232、RS-485接口、以太网通讯接口等，在接口不够的情况下，可以采用分支器进行接口扩展。

本发明中，微环境多因素综合监测装置的系统集成式主机外壳采用铝合金构件，其表面做阳极化处理。该装置采用插拔式电池模组，用锂氟化碳电池供电，可以使装置小型化，锂氟化碳具备较好的热稳定性，低温不会结晶，放电性能优异，整个装置电池具备较为宽广的温度工作区间。

本发明中，微环境多因素综合监测装置通过程序控制各传感器、存储器进行数据采集，程序由计算机语言C语言开发，选择C语言是因为其面向底层硬件，使用ARM提供的Keil-ARM集成开发环境进行程序开发。如图4所示，软件工作流程包括：装置启动后，初始化总线，载入系统参数，检测电池电量，电量低于工作要求则报警，记录工作日志，系统自动关机，电量若符合装置工作要求则开始检测内存和外存，如果存储设备出错则报警，并记录日志，存储设备正常则依次扫描温度传感器、湿度传感器、气压传感器、振动传感器、二氧化硫传感器和氯离子传感器，完成自检后等待用户发出操作指令，处理器收到指令后开始采集对应的环境数据，并存储在存储器内。

采用本发明提供的微环境多因素综合监测装置，获取装备内微环境多因素数据是为了准确分析微环境对整个装备的影响。本发明利用较低研制成本开发的小巧型微环境多因素综合监测，可以开展大面积（分布式）布点（如在舰船所有舱室，飞机所有舱室开展布点观测，然后利用计算机软件对所有数据汇总、分析），其采用了分布式布点、集中式分析的监测方法。

本实施例中所述微环境多因素综合监测装置的使用方法，步骤如下：

步骤1，根据需求确定所需监测的微环境多因素（如果某装备内只需要监测温度、湿度、气压这三种微环境因素，那么温度、湿度、气压就是所需监测的微环境多因素），将相应的传感器连接线接入系统集成式主机，并按照布线要求布置传感器连接线，传感器连接线以蛇形结构的方式固定在线扣上；

步骤2，将相应的传感器连接线末段和传感器探头卡在线扣上；

步骤3，在传感器安装座的钕铁硼强力磁铁7顶面安装好易拉胶9，将传感器安装座粘固在被监测区域附近的壁面上；

步骤4，启动微环境多因素综合监测装置，并进行自检；

步骤5，对所有微环境多因素综合监测装置进行时间同步，同步方式是用同一台电脑的时间作为标准时间或采用GPS时钟校准；

步骤6，启动计时器开始微环境多因素测量/采集，结束后通过系统集成式主机生成数据表、环境图谱并进行分析（图4中未示意分析过程），具体分析过程可以借助于程序进行，也可以将相关数据、图谱导出来通过人工进行分析。

本实施例中，为了避免微环境多因素综合监测装置受自然环境高低温、雨水的影响，及装备自身大功率设备启停产生的电磁干扰信号的影响，装置采用如下抗干扰方法：（1）使用防水屏蔽线，防水屏蔽线既保证传感器探头达到防尘防水达到IP68等级，也要对信号线进行保护，将干扰信号引到大地；（2）使用穿心电容，使用屏蔽线仍可能有高频噪声耦合进来，在装置和传感器接口中，使用穿心电容，将高频干扰信号，电快速脉冲群干扰，引入大地；（3）使用半导体放电管以及TVS保护管，在主机和传感器接口中，使用半导体放电管以及TVS保护管，保护在雷雨天气中，由于雷电感生的高压电场，对主机造成损坏；（4）使用低噪声线性电源，由于整个装置比较复杂，装置安装了集成处理器和多个传感器，存在数字和模拟信号混合的情况，容易造成数字信号的开关噪声，影响模拟电路，造成测量的不准确，装置将对每一个传感器模块的信号调理电路，采用独立的低噪声低压差线性电源，避免处理器的开关噪声，或者传感器之间的相互干扰；（5）采用多层板设计、合理使用退耦电容，在每一个芯片的电源端，合理布置退耦电容，进一步减少各个传感器模块之间，通过电源线对彼此产生干扰；（6）合理布局布线，保证信号的完整性，避免由于PCB布线不合理造成的阻抗不连续情况而产生干扰，合理分割电源层以及地平面，保证数字电路和模拟电路在整体上分割，避免数字信号和模拟信号走线交叉，从而产生由于回流路径导致的耦合干扰。各个模块在布局的时候，相互独立，留有合适的间隔，减少或避免模块间的耦合干扰；元器件合理布局，减少信号回路面积，电感耦合，电容耦合等；（7）合理的信号调理电路设计，信号调理电路难点在于需要对mV级小信号放大到可识别的程度，并且不产生失真，需要以运算放大器的信号调理电路，以及相关有源滤波电路，模数转换电路为核心对有源滤波电路进行细致筛选；（8）设计相应的数字滤波算法，从简单的均值滤波、一、二阶低通滤波开始，分析无限冲击响应滤波器对于测量数据平滑性的影响，针对不同的传感器，优选数字滤波算法，降低白噪声对测量结果的影响。

实施例中提供的微环境多因素综合监测装置体积小、重量轻，方便使用，不仅能够灵活、轻松、快捷的将其传感器探头固定在装备内绝大多数空间（包括仅能够供手臂伸出的狭小空间）处，而且方便拆卸，拆卸时不会损伤被粘物体的漆面；实施例中提供的微环境多因素综合监测装置在使用过程中的稳定性好，几乎不存在传感器探头和传感器连接线脱落/掉落的情况，即使在军用运输车内开展长达数月的微环境因素监测，也不存在传感器探头移位的情况；实施例中提供的微环境多因素综合监测装置用途广泛，可以满足装备论证和研制工作中的对装备微环境适应性数据的需求问题，可以同时采集多种主要的环境因素数据（包括温度、湿度、振动、气压、盐雾浓度和二氧化硫浓度），通过分支器可以扩展到噪声、侧倾角、颗粒物等因素的监测，功耗低，一次充电可以满足长时间的伴随式监测。