气密包装箱气体状态监测装置设计

张自强，吕秀梅，张学伟，侯冲，吴云龙，王建颖，张庆宏

气密包装箱气体状态监测装置设计

张自强，吕秀梅，张学伟，侯冲，吴云龙，王建颖，张庆宏

（北京新风航天装备有限公司，北京 100854）

为了实现气密包装箱内气体温度、湿度、压力、氮气浓度的实时监测。研究传感器芯片板级集成技术及电信号气密传输技术，推导基于氧气传感器的氮气浓度采集算法，设计一套气体状态监测装置。基于嵌入式处理器和.NET框架界面完成了监测装置的设计，在国家标准实验室进行了不同参数的校准测试，在置信概率氮气体积分数、温度、相对湿度、压力的测量不确定度分别为0.34%，0.2 ℃，1.3%，0.05 kPa。该装置可实时采集气密包装箱内气体状态参数并在上位机界面实时、稳定显示，测量不确定度满足参数精度要求，与密封舱体匹配后12 d气密测试无压力泄漏。

气密；包装箱；实时监测；多传感器；数据通信；泄漏率

武器装备、精密仪器、卫星等长寿命周期产品，需要相对稳定的贮存和运输环境，在有效减少产品物理损伤的同时，可以防止产品内部敏感器件因氧化、潮湿等原因发生电化学反应，避免影响产品的作战效能和可靠性指标[1—3]。随着武器装备全系统寿命理念和快速反应作战要求的提出和推广，产品贮存和运输保障设备要求实现复杂运输条件及恶劣多变环境下可靠、稳定贮存和存储环境状态监测，产品包装箱面向智能化、综合化的方向发展[4—5]。

气密包装箱因采取了密封措施，避免了内部气体与外界空气的交换，通过充入一定压力的高纯度氮气惰性气体，使包装箱成为一个稳定、封闭的微正压贮存和运输环境，可以有效对包装箱内产品进行保护[6]。为了实时获取包装箱内部气体状态，防止在贮存、运输环节超出产品对存储环境的要求，需要通过测量装置对箱体内部气体状态进行采集。随着微电子技术、半导体技术和现代传感技术的快速发展，多功能、集成化、智能化的监测产品成为贮运监测技术的发展趋势[7]，对气密包装箱的检测也从传统的色卡、机械压力表[8—9]的手段转变为电子化、集成化的监测方式，未来贮运监测技术将集中体现智能化、低功耗、小型化、安全化等4个特点[10—12]。中南大学施荣华等[13]使用物联网、无线传感网络、GPRS无线通信等手段，对仓库内多个传感器数据进行提取，建立农产品储运环境远程实时监控系统。海军工程大学李洪伟等[14]设计了航空发动机储运箱监测系统，采用RFID射频技术实现储运过程的温度、湿度、压力等参数的实时提取和动态显示，对航空发动机在恶劣环境下贮存、运输环节进行有效保护。中北大学王雪娇等[15]设计了智能电子标签环境参数采集传感器，基于红外通信技术实现显示器与传感器的数据传输并在上位机中实时显示。以上方法都是基于传感器在包装箱内部，显示器在包装箱外部，显示器通过传感网络、RFID射频、红外等无线通信方式与显示器连接，最终将提取的数据在上位机中显示。对于武器装备、精密仪器、卫星等涉及国家秘密的重要产品，采用无线通信的方式一旦被植入木马程序，容易在数据传输过程中将产品信息输出，存在失泄密的风险和隐患[16]，因此，有必要设计一种基于多传感器的气密包装箱环境参数监测装置，通过多种传感器对包装箱内环境参数进行采集并气密输出，在处理器中运算、暂存后输入上位机进行显示和人机交互。

文中基于多种传感器板级集成技术和信号气密电气连接技术，提出一种气密包装箱气体状态监测装置。该装置通过密封圈与箱体匹配气密连接，利用有线气密传输的方式实现参数采集、处理及显示，可有效解决气密包装箱对内部环境参数监测的问题，避免国家秘密的重要产品贮运过程中数据失泄密的风险和隐患。

1 气体状态监测装置

1.1 系统概述

气体状态监测装置由检测器、显示器和通讯线缆组成，对外接口包括与包装箱通过密封圈气密连接的结构接口和显示器供电接口。检测器与包装箱结构通过密封圈气密匹配，基于板级集成多传感器进行环境参数信号采集，通过馈通滤波器气密传输后在处理器中数据暂存，并通过输出接口与显示器连接。显示器将检测器输出数据解码转换、实时显示和动态存储，同时进行人机交互。通讯线缆将显示器与检测器有线连接，通过串口协议进行信号传输，同时可以实现显示器对检测器电池的充电。气体状态监测装置原理见图1。

1.2 气密检测器

气体状态监测装置下位机以气密检测器为核心，包括结构设计和电气设计2部分。整体结构为圆柱状，检测器接口与包装箱螺纹连接紧固，采用O型密封圈实现检测器与包装箱的气密连接。多传感器位于包装箱内部，处理器位于包装箱外部，传感器采集数据通过馈通滤波器与处理器连接，实现信号的气密传输。检测器三维结构见图2。

检测器的电气部分，设计了以嵌入式处理器STM32F407VET6为主控芯片的气体采集信号处理电路，包括处理器最小系统、RS-232电路、电源管理电路、存储电路和信号采集电路。以温湿度、绝对压力、氮气浓度独立传感器为采集单元进行参数采集并以信号量输出，以馈通滤波器为信号传输器件实现传感器与处理器的气密通讯。检测器电路原理见图3。

1.2.1 氮气浓度参数采集

包装箱内氮气属于惰性气体，很难与其他介质发生化学反应。由于氮气的制备是通过物理方法将空气中的氮氧进行分离[17]，同时箱外部环境为空气，因此包装箱内气体成分主要由氮气和氧气组成。采用电化学式氧气传感器采集箱内氧气浓度，通过算法转换，即可得到箱内氮气浓度。

图1 气体状态监测装置原理

图2 气密检测器三维结构

氧气传感器上电后，在电极的催化下，工作电极和对电极分别发生氧化还原反应，从而产生相应大小的电流，输出电流与气体样本中氧气浓度呈正比关系。由于包装箱内充满高浓度氮气，包装箱整体相对气密，氧气浓度较低，因此在负载电阻上的输出电压值在毫伏级，通过运算放大器对微弱电压信号进行前级放大后送入处理器的AD采样引脚，在处理器中进行运算和分析，最终得到氧气浓度，通过转换即可输出氮气浓度百分比信息。氧气浓度采集电路原理见图4。

结合电路原理[18]基本知识，氧气传感器输出电流sensor与运算放大器输出电压out的关系满足：

(1)

氧气传感器在负载电阻上的输出电压snesor与样本气体中氧气浓度为线性关系，且存在输出零点偏移电压B，因此，snesor与样本气体中氧气体积分数O2（%）的关系满足：

(2)

式中：0为电压系数。

根据以上关系，将氧气传感器放置于空气中，上电后去掉氧气传感器探头，测量输出电压可以得到零点偏移电压B=bias。连接氧气传感器探头，稳定后上电，由于空气中氧气体积分数为20.9%，测量可以得到空气中氧气传感器输出电压sensor=20.9%，由此可知传感器输出电压与样本气体中氧气体积分数的关系满足：

图3 气密检测器电路原理

图4 氧气浓度采集电路原理

(3)

对于包装箱而言，内部充入高浓度氮气，箱体外部为空气环境，一定时间内，由箱外进入箱体内部的气体成分绝大多数为氧气，惰性气体浓度可以忽略不计，因此，包装箱内气体成分为氮气和氧气，即氮气体积分数N2=1−O2。综合式（1—3），可以得到氮气体积分数N2与运算放大器输出电压out的关系满足：

(4)

式中：bias为氧气传感器输出零点偏移电压；20.9%为空气中氧气传感器输出电压；1，F分别为运算放大器输入电阻和反馈电阻，以上参数已知。

STM32F407处理器[19]包含12位ADC逐次逼近型模数转换接口，在处理器内部对out电压信号进行AD转换，计算出氮气体积分数N2，最终将数据经通信接口输出。

1.2.2 温湿压参数采集

检测器温湿压采集包含温湿度传感器和2个绝对压力传感器：温湿度传感器和绝对压力传感器1

位于包装箱内，采集箱内温湿度、绝对压力参数；绝对压力传感器2位于包装箱外，采集箱外环境绝对压力参数，通过对箱内、箱外绝对压力值做差得到包装箱微正压状态参数。3个传感器均采用数字输出式I2C通讯的方式，通过配置传感器通信地址使得3个信号在I2C总线上不冲突。温湿压参数采集电路原理见图5。

图5中，为传感器电源去耦电容，有效滤除电源纹波及高频干扰，同时为芯片提供稳定的供电电压；由于传感器I2C为开漏输出，因此在I2C总线与电源之间增加了上拉电阻。

1.2.3 下位机软件架构

下位机以嵌入式处理器为主控芯片实现信号采集、转换、存储及通讯上传，采用C语言在Keil平台环境中开发编程。下位机软件实现的主要功能有：多传感器初始化设置与温湿度、压力、氮气浓度数据读取；将获取的多状态环境参数按照一定的格式存入Nor FLASH相变存储器并在上位机调用时打包输出；以RS-232串口方式进行参数设置以及数据输入、输出。下位机软件流程见图6。

检测器上电后，首先初始化系统时钟，随后对USART、I2C、SPI、GPIO和中断等系统内部资源初始化，最后对温湿度、绝对压力、氧气传感器芯片初始化，获取环境参数状态信息。初始化结束后进入休眠模式，等待唤醒。

图5 温湿压参数采集电路原理

图6 下位机软件流程

下位机唤醒包含2种方式：处理器RTC闹钟唤醒和上位机信号唤醒。RTC闹钟唤醒模式，根据预设的采样周期，RTC闹钟将处理器唤醒，接收传感器采样数据并按照约定格式写入FLASH中，如果数据异常将发出报警信息。处理器根据设定的采样时间间隔设定下一次唤醒时间，不断循环；上位机信号唤醒模式，上位机通过串口发出指令，下位机进入定时中断程序，通过对串口指令进行解析执行相应的参数设置、参数查询、数据上传操作程序，最终返回数据参数，最后进入休眠模式等待再次唤醒。

1.3 显示器

1.3.1 上位机软件构架

气体状态监测装置上位机以显示器为核心，利用手持机硬件资源和操作系统，采用C#语言在Visual Studio开发环境中搭建.NET框架显示界面。上位机总体框架见图7。

图7 上位机软件总体架构

采用MVC架构分层设计，基于软件模块划分的理念，从上到下依次划分显示控制层、业务应用层和数据交互层，实现参数实时显示、历史数据查询、参数设计、声光报警的功能。

1.3.2 上位机交互界面

结合上位机人机交互功能需求，对显示界面进行了设置及排布，共3个界面：实时模式采集、定时模式采集、阈值参数设置3个界面，见图8。

图8 上位机交互界面

2 实验与验证

根据技术原理，完成了产品的设计和功能验证，气密检测器硬件照片见图9，气体状态监测装置整机照片见图10。

图9 气密检测器硬件

图10 气体状态监测装置

2.1 多传感器选型

结合气体状态监测装置使用环境要求及设计可行性，在传感器选型方面主要考虑技术指标、环境适应性、通信接口、可靠性等技术指标。具体选型见表1。

表1 多传感器选型

温湿度传感器选用瑞士Sensirion公司研制生产的SHT35型数字式集成传感器，采用DFN-8封装，包含电容性聚合体测湿敏感元件和能隙材料制成的测温元件，内部含有AD转换和I2C输出接口电路。

绝对压力传感器选择美国TE公司研制生产的MS5803-02BA型数字输出高分辨率气压传感器，配备I2C和SPI总线接口，内部嵌入了温度传感器，可以在无需额外传感器配合条件下实现自校正。

氧气浓度传感器选择英国Alphasense公司研制生产的O2-A3型长寿命氧气传感器，输出电流大小与氧气浓度呈线性关系。氧气传感器为电化学式消耗器件，使用寿命最高可达3年，满足使用环境及寿命要求。

2.2 气体状态校准测试

为了验证气体状态监测装置数据输出的有效性，分别对温度、湿度、压力、氮气浓度4种状态参量结合包装箱内气体状态范围，在国家标准实验室进行了氮气浓度、温度、湿度、绝对压力参数校准。

校准实验过程中，向密闭的测试舱内充入不同参数的气体，通过更高精度的传感器测量气体参数，与气体状态监测装置示值求偏差。设参数偏差为，则A状态参数测量不确定度可以表示为：

(5)

式中：为同一状态不同参数的数量；S为第种参数下的偏差；为偏差的平均值。

2.2.1 氮气浓度测试

氮气浓度校准测试中，依据JJG 365—2008《电化学氧测定仪鉴定规程》，选用标准氮氧混合气体充气密闭检测容器中，由装置进行数据采集并记录。氮气浓度校准测试结果见图11。

图11 氮气浓度校准测试结果

在相同温度、湿度、压力的气体中选择了7种不同氮气浓度点进行校准测试，根据测量不确定度公式（5）计算可知，监测装置氮气浓度的测量不确定度为0.34%(=2)，实际测量结果与理论计算值吻合。

2.2.2 温湿度校准测试

温度校准测试中，依据JJF 1076—2001《温湿度传感器校准规范》，向密闭测试舱内充入不同温度、不同湿度的标准氮气，选用M4/1111型精密露点仪进行温湿度采集与校准，温度校准结果见图12。

在相同相对湿度、压力、氮气浓度的气体中选择了12个不同温度点进行校准测试，温度测量不确定度为0.2 ℃(=2)。同理，在相同温度、压力、氮气浓度气体中选择了9个不同湿度点进行校准测试，相对湿度测量不确定度为1.3%(=2)。温度、湿度 测量不确定度满足传感器测量精度要求，数据真实有效。

2.2.3 压力校准测试

压力校准测试中，依据JJG 875—2019《数字式压力计检定规程》，向密闭测试舱内充入不同压力的标准氮气，选用PACE6000型数字式压力控制器、1508绝缘电阻表进行压力采集，校准结果见图13。

2.2.4 泄漏量测试

将气体状态监测装置检测器结构通过密封圈与特制密封舱体工装匹配，舱体内充入一定压力的高纯度氮气，装置与舱体气密匹配后，定期测试一段时间内舱内压力变化情况，见图14。

经过12 d的泄漏量测量，监测装置通过O型密封圈与舱体气密匹配后，压力计内外压差维持定值，气体状态监测装置无泄漏。

2.3 可靠性测试

对气体状态监测装置进行可靠性试验及相关测试，包括环境应力筛选、高温、低温、振动、公路运输等试验，通过显示器查看数据一致性、实时性及稳定性。

测试结果表明，显示器在可靠性试验过程中可有效显示当前环境温度、湿度、绝对压力、氮气浓度状态参数，数据具有一致性，信号传输稳定无丢帧、误码，可以实时显示。

图12 装置温湿度校准测试结果

图13 装置压力校准测试结果

图14 装置泄漏量测试结果

3 结语

以STM32F407VET6嵌入式处理器为主控芯片，研究了多传感器板级集成技术和气密传输技术，采用多种传感器进行气体状态参数采集，通过馈通滤波器实现多传感器与处理器的气密数据传输；设计了上位机软件架构及显示界面，利用RS-232协议完成数据传输。通过校准测试验证了理论推导的正确性和采集数据的有效性，通过泄漏量试验验证结构和传输的气密性，最后进行了可靠性测试，数据稳定、具有良好的一致性和实时性。该装置为气密包装箱气体状态监测提供了一种新方案。

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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

中国航天科工集团公司关键核心技术攻关课题（SXG-2020-007）

张自强（1988—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天器电气系统设计与检测技术。