七電極電導(dǎo)率傳感器測(cè)量電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要 針對(duì)七電極電導(dǎo)率傳感器的基本原理和特點(diǎn)進(jìn)行了闡述，根據(jù)傳感器本身物理特性以及高精度測(cè)量的要求，設(shè)計(jì)了能夠滿足低溫漂、高精度、速度快的測(cè)量電路。采用D/A、A/D等集成電路芯片去實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的精確驅(qū)動(dòng)和高速采樣，相比于傳統(tǒng)方式，驅(qū)動(dòng)的頻率和電壓更加準(zhǔn)確，并且容易更改，采用高速采樣可以避免信號(hào)在調(diào)理過程中出現(xiàn)的失真。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電路的測(cè)量效果。

電導(dǎo)率測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，準(zhǔn)確快速地電導(dǎo)率測(cè)量方法對(duì)海洋研究、環(huán)境保護(hù)等方面都有著重要意義。電導(dǎo)率傳感器根據(jù)工作原理主要可分為電極式電導(dǎo)率傳感器和電磁式電導(dǎo)率傳感器。電磁式電導(dǎo)率傳感器是根據(jù)電磁感應(yīng)原理進(jìn)行測(cè)量，通過感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化反應(yīng)電導(dǎo)率的變化;電極式電導(dǎo)率傳感器是根據(jù)電解導(dǎo)電原理進(jìn)行測(cè)量，通過被測(cè)液體電阻的變化反應(yīng)電導(dǎo)率的變化。電極式電導(dǎo)率傳感器因其響應(yīng)速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛關(guān)注。文章分析了七電極電導(dǎo)率傳感器的工作原理并設(shè)計(jì)了測(cè)量電路。

1 工作原理及概述

七電極電導(dǎo)率傳感器是電極式電導(dǎo)率傳感器中精度較高的一種，同時(shí)具備了三電極與四電極的優(yōu)點(diǎn)。七電極電導(dǎo)率傳感器的電導(dǎo)池實(shí)現(xiàn)“電流”電極和“電壓”電極的分離，可減少電極極化阻抗、導(dǎo)流空間大、響應(yīng)時(shí)間快，實(shí)現(xiàn)了電導(dǎo)率的快速測(cè)量;七電極電導(dǎo)率傳感器的電導(dǎo)池兩端有兩個(gè)接地電極，可以有效屏蔽電導(dǎo)池外的影響，使測(cè)量結(jié)果不受電導(dǎo)池外界的干擾，而且測(cè)量過程中無需水泵，同樣能夠保證高精度測(cè)量。

1.1 七電極電導(dǎo)率傳感器原理分析

七電極電導(dǎo)率傳感器示意圖如圖1所示，它由鑲嵌在石英玻璃上的7個(gè)鉑金屬環(huán)組成，電極1～4、電極4～7分別組成兩組測(cè)量單元，電流通過公共電極4流入，通過接地電極1和電極7流出，電流流過電導(dǎo)池時(shí)會(huì)在電極2、3和電極5、6產(chǎn)生電壓。在電極4和地之間加上一個(gè)恒定的電壓，通過測(cè)量流經(jīng)公共電極的電流的變化就可以反映出電阻的變化，進(jìn)而計(jì)算出電導(dǎo)池內(nèi)溶液的電導(dǎo)率。

1.2 測(cè)量系統(tǒng)概述

為實(shí)現(xiàn)高精度的七電極電導(dǎo)率傳感器測(cè)量電路，在設(shè)計(jì)電路時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面：(1)減少使用模擬器件，減少因使用模擬器件而引入的噪聲，利用高速采樣提取信號(hào)的信息并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。(2)A/D和D/A使用同一基準(zhǔn)，因?yàn)殡妼?dǎo)率是通過驅(qū)動(dòng)電壓和取樣電阻兩端電壓的比值計(jì)算出來的，即使基準(zhǔn)有一定的變化，也不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。(3)系統(tǒng)中使用的器件選用低溫漂、高精度的器件，特別是驅(qū)動(dòng)七電極的運(yùn)放和取樣電阻。

測(cè)量電路系統(tǒng)示意圖如圖2所示。微控制器STM32F103控制D/A產(chǎn)生固定頻率和電壓的信號(hào)，通過由積分電路和減法電路形成的恒壓源，對(duì)七電極電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，電流流過取樣電阻，形成的電壓值反映了電導(dǎo)率的值，電壓經(jīng)A/D進(jìn)行模數(shù)變換，采樣得到的A/D值通過算法處理得到電導(dǎo)率值。

系統(tǒng)采用STM32F103作為控制器，STM32F系列屬于中等容量增強(qiáng)型、32位基于ARM核心的帶64或者128kB閃存的微控制器，具有USB、CAN、7個(gè)定時(shí)器、2個(gè)ADC、9個(gè)通信接口，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)、測(cè)量儀表等。

2 測(cè)量電路分析及實(shí)現(xiàn)

2.1 驅(qū)動(dòng)電路分析

2.1.1 矩形波產(chǎn)生電路

七電極電導(dǎo)率傳感器采用美信公司的MAX5312產(chǎn)生800 Hz的矩形波進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓為-8～+8 V。MAX5312為12位、串行、數(shù)模轉(zhuǎn)換器，在雙電源電壓為±12～±15 V時(shí)，提供雙極性±5～±10 V輸出，而在單電源電壓為12～15 V時(shí)，提供單極性5～10 V輸出。MAX5312具有極佳的線性度，該器件還具有10μs快速的建立時(shí)間至0.5 LSB，硬件關(guān)斷特性將電流消耗降低至3.5 μA。本電路中MAX5312工作在3.3 V，采用SPI通信方式。

如圖3所示，SCK、MOSI、MISO是和微控制器的通信接口，執(zhí)行SPI協(xié)議，/CS2是MAX5312的片選端，VREF是D/A芯片基準(zhǔn)的輸入端，該基準(zhǔn)由本電路系統(tǒng)中的A/D產(chǎn)生，以實(shí)現(xiàn)A/D和D/A使用統(tǒng)一個(gè)基準(zhǔn)，避免因基準(zhǔn)的差異影響測(cè)量的精度。OUT是D/A的輸出引腳。為提高驅(qū)動(dòng)能力，產(chǎn)生的矩形波驅(qū)動(dòng)信號(hào)要經(jīng)過由一個(gè)高精密運(yùn)放組成的電壓跟隨器。

2.1.2 驅(qū)動(dòng)電路分析

如圖4所示，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)過一個(gè)積分電路后加在七電極兩端，七電極的2、3兩端電壓和5、6兩端電壓經(jīng)過減法電路后反作用與積分電路，形成負(fù)反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)七電極的恒壓驅(qū)動(dòng)，R3是取樣電阻。

2.2 采集電路

如圖5所示，R3是取樣電阻;R3兩端電壓加到儀器運(yùn)算放大器的輸入端;R13確定放大器放大倍數(shù)，因?yàn)锳/D采樣速率較高，所以模擬信號(hào)在輸入到A/D之前需要經(jīng)過差分驅(qū)動(dòng)器，放大器輸出經(jīng)過差分驅(qū)動(dòng)器后輸入到A/D進(jìn)行采樣。

選取亞德諾半導(dǎo)體公司的一款差分驅(qū)動(dòng)器，用于輸入范圍最大為±10 V的16～18位ADC。它采用易于使用的單端至差分配置，無需外部元件就能驅(qū)動(dòng)ADC，同時(shí)提供驅(qū)動(dòng)最高18位分辨率ADC所需的低失真和高信噪比(SNR)等重要特性，廣泛用于驅(qū)動(dòng)包括工業(yè)儀器儀表等各種應(yīng)用中的ADC。該差分驅(qū)動(dòng)器在精度和驅(qū)動(dòng)能力上能滿足本電路的需要。

本電路設(shè)計(jì)的核心思想之一就是高速采樣去還原信號(hào)本身的特點(diǎn)，避免因不必要的模擬信號(hào)的調(diào)理引入誤差，所以A/D的選擇對(duì)于電路的整體性能起著重要的作用。

圖6是A/D采集電路的示意圖，其中并行通信端口負(fù)責(zé)向微處理器傳輸數(shù)據(jù)，VIN+、VIN-是模擬信號(hào)輸入端口，VREF是5 V基準(zhǔn)。

該A/D不僅能滿足電路對(duì)于精度和速度的要求，并且能夠產(chǎn)生5 V基準(zhǔn)提供給D/A，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和采集使用相同的基準(zhǔn)，即使基準(zhǔn)因溫漂等產(chǎn)生了微小的變化，也不會(huì)對(duì)采樣結(jié)果產(chǎn)生影響，避免了因基準(zhǔn)不穩(wěn)定造成的誤差。

3 測(cè)量數(shù)據(jù)分析及標(biāo)定

在數(shù)據(jù)處理方面，首先對(duì)單個(gè)周期內(nèi)的波形進(jìn)行Ⅳ次采樣，之后用得到的A/D值計(jì)算出每個(gè)驅(qū)動(dòng)周期內(nèi)的平均A/D值;在采集M個(gè)周期后，對(duì)M個(gè)平均后的A/D值做FFT，求出直流分量即為擬合用A/D值。用FFT可以較好地濾除噪音對(duì)采樣結(jié)果的影響。在本次標(biāo)定過程中，每個(gè)周期內(nèi)有128個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)32個(gè)周期的平均A/D值進(jìn)行FFT變換。

在標(biāo)定過程中，首先用采集到的擬合A/D值和對(duì)應(yīng)的電導(dǎo)率值，利用最小二乘法進(jìn)行擬合，得到求電導(dǎo)率的公式，最后進(jìn)行測(cè)量和復(fù)檢。擬合公式如下

C=a0+a1×D+a2×D2+a3×D3 (1)

其中，c為電導(dǎo)率;D是A/D值;a0、a1、a2、a3是擬合系數(shù)。

在標(biāo)定的過程中，采用海鳥公司的溫鹽深儀(CTD)作為對(duì)比，直接對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行讀取，相對(duì)于傳統(tǒng)測(cè)鹽度溫度進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量，這樣更方便快捷，多用于對(duì)實(shí)驗(yàn)階段儀器的標(biāo)定，得到行業(yè)內(nèi)的認(rèn)同。文中分別對(duì)35℃，25 ℃，15 ℃，5℃的海水電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1～表2所示。

通過標(biāo)定和復(fù)檢可以發(fā)現(xiàn)，在25℃，15 ℃，5℃，0℃的4點(diǎn)效果較好，最大誤差在0.005 mS·cm-1以下，但在高溫35 ℃點(diǎn)誤差較大，擬合誤差達(dá)到了0.018 mS·cm-1，原因可能是在高溫點(diǎn)某些模擬器件進(jìn)入了非線性區(qū)，或者是由于傳感器本身的物理特性在高溫點(diǎn)存在一些不足。

4 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一款七電極電導(dǎo)率傳感器測(cè)量電路，并進(jìn)行了標(biāo)定和復(fù)檢驗(yàn)證了電路的穩(wěn)定性和高精度。在設(shè)計(jì)過程中，主要利用了減少模擬電路、直接對(duì)原始信號(hào)采樣進(jìn)行處理的思想，使電路本身更加穩(wěn)定和可靠，避免因?yàn)橐恍┎槐匾奶幚硪胄碌脑肼?，從而提高了系統(tǒng)的測(cè)量精度。