氣密包裝箱氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置設(shè)計

張自強，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)測裝置設(shè)計

張自強，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）

為了實現(xiàn)氣密包裝箱內(nèi)氣體溫度、濕度、壓力、氮氣濃度的實時監(jiān)測。研究傳感器芯片板級集成技術(shù)及電信號氣密傳輸技術(shù)，推導(dǎo)基于氧氣傳感器的氮氣濃度采集算法，設(shè)計一套氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置?；谇度胧教幚砥骱?NET框架界面完成了監(jiān)測裝置的設(shè)計，在國家標準實驗室進行了不同參數(shù)的校準測試，在置信概率氮氣體積分數(shù)、溫度、相對濕度、壓力的測量不確定度分別為0.34%，0.2 ℃，1.3%，0.05 kPa。該裝置可實時采集氣密包裝箱內(nèi)氣體狀態(tài)參數(shù)并在上位機界面實時、穩(wěn)定顯示，測量不確定度滿足參數(shù)精度要求，與密封艙體匹配后12 d氣密測試無壓力泄漏。

氣密；包裝箱；實時監(jiān)測；多傳感器；數(shù)據(jù)通信；泄漏率

武器裝備、精密儀器、衛(wèi)星等長壽命周期產(chǎn)品，需要相對穩(wěn)定的貯存和運輸環(huán)境，在有效減少產(chǎn)品物理損傷的同時，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[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)品貯存和運輸保障設(shè)備要求實現(xiàn)復(fù)雜運輸條件及惡劣多變環(huán)境下可靠、穩(wěn)定貯存和存儲環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測，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氣惰性氣體，使包裝箱成為一個穩(wěn)定、封閉的微正壓貯存和運輸環(huán)境，可以有效對包裝箱內(nèi)產(chǎn)品進行保護[6]。為了實時獲取包裝箱內(nèi)部氣體狀態(tài)，防止在貯存、運輸環(huán)節(jié)超出產(chǎn)品對存儲環(huán)境的要求，需要通過測量裝置對箱體內(nèi)部氣體狀態(tài)進行采集。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)測產(chǎn)品成為貯運監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢[7]，對氣密包裝箱的檢測也從傳統(tǒng)的色卡、機械壓力表[8—9]的手段轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮踊⒓苫谋O(jiān)測方式，未來貯運監(jiān)測技術(shù)將集中體現(xiàn)智能化、低功耗、小型化、安全化等4個特點[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，對倉庫內(nèi)多個傳感器數(shù)據(jù)進行提取，建立農(nóng)產(chǎn)品儲運環(huán)境遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)。海軍工程大學(xué)李洪偉等[14]設(shè)計了航空發(fā)動機儲運箱監(jiān)測系統(tǒng)，采用RFID射頻技術(shù)實現(xiàn)儲運過程的溫度、濕度、壓力等參數(shù)的實時提取和動態(tài)顯示，對航空發(fā)動機在惡劣環(huán)境下貯存、運輸環(huán)節(jié)進行有效保護。中北大學(xué)王雪嬌等[15]設(shè)計了智能電子標簽環(huán)境參數(shù)采集傳感器，基于紅外通信技術(shù)實現(xiàn)顯示器與傳感器的數(shù)據(jù)傳輸并在上位機中實時顯示。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)在上位機中顯示。對于武器裝備、精密儀器、衛(wèi)星等涉及國家秘密的重要產(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)險和隱患[16]，因此，有必要設(shè)計一種基于多傳感器的氣密包裝箱環(huán)境參數(shù)監(jiān)測裝置，通過多種傳感器對包裝箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)進行采集并氣密輸出，在處理器中運算、暫存后輸入上位機進行顯示和人機交互。

文中基于多種傳感器板級集成技術(shù)和信號氣密電氣連接技術(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)姆绞綄崿F(xiàn)參數(shù)采集、處理及顯示，可有效解決氣密包裝箱對內(nèi)部環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的問題，避免國家秘密的重要產(chǎn)品貯運過程中數(shù)據(jù)失泄密的風(fēng)險和隱患。

1 氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置

1.1 系統(tǒng)概述

氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置由檢測器、顯示器和通訊線纜組成，對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。檢測器與包裝箱結(jié)構(gòu)通過密封圈氣密匹配，基于板級集成多傳感器進行環(huán)境參數(shù)信號采集，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。顯示器將檢測器輸出數(shù)據(jù)解碼轉(zhuǎn)換、實時顯示和動態(tài)存儲，同時進行人機交互。通訊線纜將顯示器與檢測器有線連接，通過串口協(xié)議進行信號傳輸，同時可以實現(xiàn)顯示器對檢測器電池的充電。氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置原理見圖1。

1.2 氣密檢測器

氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置下位機以氣密檢測器為核心，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計和電氣設(shè)計2部分。整體結(jié)構(gòu)為圓柱狀，檢測器接口與包裝箱螺紋連接緊固，采用O型密封圈實現(xiàn)檢測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，實現(xiàn)信號的氣密傳輸。檢測器三維結(jié)構(gòu)見圖2。

檢測器的電氣部分，設(shè)計了以嵌入式處理器STM32F407VET6為主控芯片的氣體采集信號處理電路，包括處理器最小系統(tǒng)、RS-232電路、電源管理電路、存儲電路和信號采集電路。以溫濕度、絕對壓力、氮氣濃度獨立傳感器為采集單元進行參數(shù)采集并以信號量輸出，以饋通濾波器為信號傳輸器件實現(xiàn)傳感器與處理器的氣密通訊。檢測器電路原理見圖3。

1.2.1 氮氣濃度參數(shù)采集

包裝箱內(nèi)氮氣屬于惰性氣體，很難與其他介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。由于氮氣的制備是通過物理方法將空氣中的氮氧進行分離[17]，同時箱外部環(huán)境為空氣，因此包裝箱內(nèi)氣體成分主要由氮氣和氧氣組成。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)氮氣濃度。

圖1 氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置原理

圖2 氣密檢測器三維結(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)充滿高濃度氮氣，包裝箱整體相對氣密，氧氣濃度較低，因此在負載電阻上的輸出電壓值在毫伏級，通過運算放大器對微弱電壓信號進行前級放大后送入處理器的AD采樣引腳，在處理器中進行運算和分析，最終得到氧氣濃度，通過轉(zhuǎn)換即可輸出氮氣濃度百分比信息。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，氧氣傳感器輸出電流sensor與運算放大器輸出電壓out的關(guān)系滿足：

(1)

氧氣傳感器在負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，且存在輸出零點偏移電壓B，因此，snesor與樣本氣體中氧氣體積分數(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，測量輸出電壓可以得到零點偏移電壓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數(shù)為20.9%，測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數(shù)的關(guān)系滿足：

圖3 氣密檢測器電路原理

圖4 氧氣濃度采集電路原理

(3)

對于包裝箱而言，內(nèi)部充入高濃度氮氣，箱體外部為空氣環(huán)境，一定時間內(nèi)，由箱外進入箱體內(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，因此，包裝箱內(nèi)氣體成分為氮氣和氧氣，即氮氣體積分數(shù)N2=1?O2。綜合式（1—3），可以得到氮氣體積分數(shù)N2與運算放大器輸出電壓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out電壓信號進行AD轉(zhuǎn)換，計算出氮氣體積分數(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

檢測器溫濕壓采集包含溫濕度傳感器和2個絕對壓力傳感器：溫濕度傳感器和絕對壓力傳感器1

位于包裝箱內(nèi)，采集箱內(nèi)溫濕度、絕對壓力參數(shù)；絕對壓力傳感器2位于包裝箱外，采集箱外環(huán)境絕對壓力參數(shù)，通過對箱內(nèi)、箱外絕對壓力值做差得到包裝箱微正壓狀態(tài)參數(shù)。3個傳感器均采用數(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個信號在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 下位機軟件架構(gòu)

下位機以嵌入式處理器為主控芯片實現(xiàn)信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲及通訊上傳，采用C語言在Keil平臺環(huán)境中開發(fā)編程。下位機軟件實現(xiàn)的主要功能有：多傳感器初始化設(shè)置與溫濕度、壓力、氮氣濃度數(shù)據(jù)讀??；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相變存儲器并在上位機調(diào)用時打包輸出；以RS-232串口方式進行參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)輸入、輸出。下位機軟件流程見圖6。

檢測器上電后，首先初始化系統(tǒng)時鐘，隨后對USART、I2C、SPI、GPIO和中斷等系統(tǒng)內(nèi)部資源初始化，最后對溫濕度、絕對壓力、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 下位機軟件流程

下位機喚醒包含2種方式：處理器RTC鬧鐘喚醒和上位機信號喚醒。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)出報警信息。處理器根據(jù)設(shè)定的采樣時間間隔設(shè)定下一次喚醒時間，不斷循環(huán)；上位機信號喚醒模式，上位機通過串口發(fā)出指令，下位機進入定時中斷程序，通過對串口指令進行解析執(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，最終返回數(shù)據(jù)參數(shù)，最后進入休眠模式等待再次喚醒。

1.3 顯示器

1.3.1 上位機軟件構(gòu)架

氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置上位機以顯示器為核心，利用手持機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。上位機總體框架見圖7。

圖7 上位機軟件總體架構(gòu)

采用MVC架構(gòu)分層設(shè)計，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，實現(xiàn)參數(shù)實時顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)計、聲光報警的功能。

1.3.2 上位機交互界面

結(jié)合上位機人機交互功能需求，對顯示界面進行了設(shè)置及排布，共3個界面：實時模式采集、定時模式采集、閾值參數(shù)設(shè)置3個界面，見圖8。

圖8 上位機交互界面

2 實驗與驗證

根據(jù)技術(shù)原理，完成了產(chǎn)品的設(shè)計和功能驗證，氣密檢測器硬件照片見圖9，氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置整機照片見圖10。

圖9 氣密檢測器硬件

圖10 氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置

2.1 多傳感器選型

結(jié)合氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置使用環(huán)境要求及設(shè)計可行性，在傳感器選型方面主要考慮技術(shù)指標、環(huán)境適應(yīng)性、通信接口、可靠性等技術(shù)指標。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濕敏感元件和能隙材料制成的測溫元件，內(nèi)部含有AD轉(zhuǎn)換和I2C輸出接口電路。

絕對壓力傳感器選擇美國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現(xiàn)自校正。

氧氣濃度傳感器選擇英國Alphasense公司研制生產(chǎn)的O2-A3型長壽命氧氣傳感器，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3年，滿足使用環(huán)境及壽命要求。

2.2 氣體狀態(tài)校準測試

為了驗證氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置數(shù)據(jù)輸出的有效性，分別對溫度、濕度、壓力、氮氣濃度4種狀態(tài)參量結(jié)合包裝箱內(nèi)氣體狀態(tài)范圍，在國家標準實驗室進行了氮氣濃度、溫度、濕度、絕對壓力參數(shù)校準。

校準實驗過程中，向密閉的測試艙內(nèi)充入不同參數(shù)的氣體，通過更高精度的傳感器測量氣體參數(shù)，與氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置示值求偏差。設(shè)參數(shù)偏差為，則A狀態(tài)參數(shù)測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 氮氣濃度測試

氮氣濃度校準測試中，依據(jù)JJG 365—2008《電化學(xué)氧測定儀鑒定規(guī)程》，選用標準氮氧混合氣體充氣密閉檢測容器中，由裝置進行數(shù)據(jù)采集并記錄。氮氣濃度校準測試結(jié)果見圖11。

圖11 氮氣濃度校準測試結(jié)果

在相同溫度、濕度、壓力的氣體中選擇了7種不同氮氣濃度點進行校準測試，根據(jù)測量不確定度公式（5）計算可知，監(jiān)測裝置氮氣濃度的測量不確定度為0.34%(=2)，實際測量結(jié)果與理論計算值吻合。

2.2.2 溫濕度校準測試

溫度校準測試中，依據(jù)JJF 1076—2001《溫濕度傳感器校準規(guī)范》，向密閉測試艙內(nèi)充入不同溫度、不同濕度的標準氮氣，選用M4/1111型精密露點儀進行溫濕度采集與校準，溫度校準結(jié)果見圖12。

在相同相對濕度、壓力、氮氣濃度的氣體中選擇了12個不同溫度點進行校準測試，溫度測量不確定度為0.2 ℃(=2)。同理，在相同溫度、壓力、氮氣濃度氣體中選擇了9個不同濕度點進行校準測試，相對濕度測量不確定度為1.3%(=2)。溫度、濕度 測量不確定度滿足傳感器測量精度要求，數(shù)據(jù)真實有效。

2.2.3 壓力校準測試

壓力校準測試中，依據(jù)JJG 875—2019《數(shù)字式壓力計檢定規(guī)程》，向密閉測試艙內(nèi)充入不同壓力的標準氮氣，選用PACE6000型數(shù)字式壓力控制器、1508絕緣電阻表進行壓力采集，校準結(jié)果見圖13。

2.2.4 泄漏量測試

將氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置檢測器結(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氣，裝置與艙體氣密匹配后，定期測試一段時間內(nèi)艙內(nèi)壓力變化情況，見圖14。

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

2.3 可靠性測試

對氣體狀態(tài)監(jiān)測裝置進行可靠性試驗及相關(guān)測試，包括環(huán)境應(yīng)力篩選、高溫、低溫、振動、公路運輸?shù)仍囼灒ㄟ^顯示器查看數(shù)據(jù)一致性、實時性及穩(wěn)定性。

測試結(jié)果表明，顯示器在可靠性試驗過程中可有效顯示當(dāng)前環(huán)境溫度、濕度、絕對壓力、氮氣濃度狀態(tài)參數(shù)，數(shù)據(jù)具有一致性，信號傳輸穩(wěn)定無丟幀、誤碼，可以實時顯示。

圖12 裝置溫濕度校準測試結(jié)果

圖13 裝置壓力校準測試結(jié)果

圖14 裝置泄漏量測試結(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集成技術(shù)和氣密傳輸技術(shù)，采用多種傳感器進行氣體狀態(tài)參數(shù)采集，通過饋通濾波器實現(xiàn)多傳感器與處理器的氣密數(shù)據(jù)傳輸；設(shè)計了上位機軟件架構(gòu)及顯示界面，利用RS-232協(xié)議完成數(shù)據(jù)傳輸。通過校準測試驗證了理論推導(dǎo)的正確性和采集數(shù)據(jù)的有效性，通過泄漏量試驗驗證結(jié)構(gòu)和傳輸?shù)臍饷苄裕詈筮M行了可靠性測試，數(shù)據(jù)穩(wěn)定、具有良好的一致性和實時性。該裝置為氣密包裝箱氣體狀態(tài)監(jiān)測提供了一種新方案。

[1] MOHAMED H L, AZEDINE B, ROBERTO S, et al. A Scalable Communication Middleware for Real-Time Data Collection of Dangerous Goods Vehicle Activities[J]. Transportation Research Part C, 2014(48): 404-417.

[2] 張則敏, 王曉峰. 導(dǎo)彈武器裝備運輸性能與要求[J]. 環(huán)境技術(shù), 2008, 3: 18-20.

ZHANG Ze-min, WANG Xiao-feng. Carrying Performances and Demand of Missile Weapon Arming[J]. Environmental Technology, 2008, 10(5): 18-20.

[3] 海軍, 羅雷. 物資裝備運輸環(huán)境條件研究[J]. 國防交通工程與技術(shù), 2013, 12(1): 6-9.

HAI Jun, LUO Lei. Research on the Environmental Conditions of the Transportation of Materials and Equipments[J]. National Defense Traffic Engineering and Technology, 2013, 12(1): 6-9.

[4] BIRK A M. Scale Considerations for Fire Testing of Pressure Vessels Used for Dangerous Goods Transportation[J]. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 2012(25): 623-630.

[5] 孟濤, 張仕念, 易當(dāng)祥, 等. 導(dǎo)彈貯存延壽技術(shù)概論[M]. 北京: 中國宇航出版社, 2013: 10-12.

MENG Tao, ZHANG Shi-nian, YI Dang-xiang, et al. Introduction to Missile Storage Life Extension Technology[M]. Beijing: China Aerospace Publishing House, 2013: 10-12.

[6] 楊春. 武器產(chǎn)品的金屬包裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù), 2011(5): 38-40.

YANG Chun. Metal Packing Box Structural Design of the Weapons[J]. Tactical Missile Technology, 2011(5): 38-40.

[7] 張海寧, 王博. 特種物品儲運記錄儀的設(shè)計與研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2015, 3(38): 131-134.

ZHANG Hai-ning, WANG Bo. Design and Realization of Transportation Recorder for Special Goods[J]. Modern Electronics Technique, 2015, 3(38): 131-134.

[8] 孫貴之, 張余清, 祁立雷, 等. 野戰(zhàn)條件下彈藥微環(huán)境溫濕度控制技術(shù)研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2005, 2(4): 46-50.

SUN Gui-zhi, ZHANG Yu-qing, QI Li-lei, et al. Research of the Temperature and Moisture Control Technique for Ammunition in Micro Environment under Field Condition[J]. Equipment Environmental Engineering, 2005, 2(4): 46-50.

[9] 楊萬均, 魏小琴, 肖敏, 等. 基于傳感技術(shù)的密封包裝容器透濕度測試方法研究[J]. 包裝工程, 2011, 32(11): 45-47.

YANG Wan-jun, WEI Xiao-qin, XIAO Min, et al. Moisture Penetration Measurement of Sealed Package Based on Sensor[J]. Packaging Engineering, 32(11): 45-47.

[10] 李迪凡, 吳護林, 劉俊, 等. 玻璃鋼密封包裝容器透濕度試驗研究[J]. 包裝工程, 2018, 39(23): 242-246.

LI Di-fan, WU Hu-lin, LIU Jun, et al. Moisture Penetration Test of the GFRP Sealed Packaging Containers[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(23): 242-246.

[11] 燕鵬飛. 智能物流[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2017: 8.

YAN Peng-fei. Smart Logistics[M]. Beijing: People Post Press, 2017: 8.

[12] 王樂, 王廣龍, 喬中濤, 等. 基于ZigBee與其他短距離無線通信技術(shù)比較及其應(yīng)用[J]. 信息技術(shù), 2015(5):180-183.

WANG Le, WANG Guang-long, QIAO Zhong-tao, et al. Comparison and Application Based on ZigBee and other Short-range Wireless Communication Technologies[J]. Information Technology, 2015(5):180-183.

[13] 施榮華, 李長斌. 農(nóng)產(chǎn)品儲運環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 計算機與自動化, 2015, 34(1): 48-50.

SHI Rong-hua, LI Chang-bin. Design of Integrated Remote Real-Time Monitoring System of Agricultural Products Storage and Transportation Environment[J]. Computer Technology and Automation, 2015, 34(1): 48-50.

[14] 李洪偉, 于曉琳. 軍用航空發(fā)動機儲運過程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2018, 37(10): 144-146.

LI Hong-wei, YU Xiao-lin. Design and Realization of Military Aeroengine Storage and Transportation Process Monitoring System[J]. Automation Technology and Application, 2018, 37(10): 144-146.

[15] 王雪姣, 李新娥, 李楊. 基于智能電子標簽的貯運環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J]. 包裝工程, 2018, 39(1): 12-16.

WANG Xue-jiao, LI Xin-e, LI Yang, et al. Design of Storage and Transportation Environment Monitoring System Based on Intelligent Electronic Tag[J]. Packaging Engineering, 2018, 39(1): 12-16.

[16] 潘鋒. 基于混合加密算法的測發(fā)控系統(tǒng)無線通訊加密研究[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用, 2019, 38(11): 72-78.

PAN Feng. Encryption Research of Wireless Communication in Missile Launch Control System Based on Hybrid Algorithm[J]. Techniques of Automation & Applications, 2019, 38(11): 72-78.

[17] 朱怡, 朱琳, 王鵬飛, 等. 空分系統(tǒng)用分子篩材料分離性能評價方法的標準化研究[J]. 標準科學(xué), 2017(1): 67-70.

ZHU Yi, ZHU Lin, WANG Peng-fei, et al. Research on Static Test Method of Nitrogen and Oxygen Separation for Molecular Sieves[J]. Standard Science, 2017(1): 67-70.

[18] 周守昌. 電路原理(上冊)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1999: 5-10.

ZHOU Shou-chang. Circuit Principle (Volume One)[M]. Beijing: Higher Education Press, 1999: 5-10.

[19] STMicroelectronics. Reference Manual of STM32F407[M]. Dallas: John Wiley & Sons, 2018: 93-124.

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

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

張自強（1988—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為航天器電氣系統(tǒng)設(shè)計與檢測技術(shù)。