測(cè)量液體電導(dǎo)的兩種新方法

1 引 言

電導(dǎo)測(cè)試技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等領(lǐng)域,是對(duì)含液物系進(jìn)行物性分析或組分測(cè)量的重要測(cè)試手段之一[1,2]。

圖1(a)所示為現(xiàn)有典型電導(dǎo)(率)測(cè)試電路的工作原理。如果僅需要監(jiān)測(cè)被測(cè)含液物系電導(dǎo)的相對(duì)變化,可用標(biāo)準(zhǔn)電阻取代rf。傳統(tǒng)的電導(dǎo)測(cè)量電路采用交流正弦信號(hào)激勵(lì),通過(guò)對(duì)vo放大、整流、濾波得到與被測(cè)電導(dǎo)對(duì)應(yīng)的直流信號(hào),缺點(diǎn)是測(cè)量分辨率低。為了克服這一缺陷,本文提出了一種基于鎖相放大原理的高分辨率液體電導(dǎo)測(cè)量方法。此測(cè)量方法基于專用于小信號(hào)處理的鎖相放大原理,可有效抑制信道噪聲,實(shí)現(xiàn)了液體電導(dǎo)的高分辨率測(cè)量。

許多工業(yè)應(yīng)用要求對(duì)液體電導(dǎo)進(jìn)行高速測(cè)量,如最近工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)領(lǐng)域新出現(xiàn)的工業(yè)電導(dǎo)層析成像(ert)系統(tǒng)就要求對(duì)含液物系內(nèi)部電導(dǎo)率分布進(jìn)行高速檢測(cè)。多電極高速電導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)通常采用四電極電導(dǎo)測(cè)量方案,圖1(b)為其原理圖。四只電極浸入到被測(cè)導(dǎo)電液體中,其中兩只電極組成激勵(lì)電極對(duì),另外兩只組成檢測(cè)電極對(duì)。當(dāng)給激勵(lì)電極對(duì)通入幅值和頻率穩(wěn)定的交流電流時(shí),測(cè)量電極對(duì)上的輸出電壓的幅值與液體的電導(dǎo)有確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系[3~5]。

為了避免直流激勵(lì)下的介質(zhì)電極化現(xiàn)象,傳統(tǒng)的電導(dǎo)測(cè)量方案采用正弦交流激勵(lì)。在正弦交流信號(hào)激勵(lì)下,傳感器的輸出信號(hào)要經(jīng)過(guò)較復(fù)雜的濾波和整流環(huán)節(jié)處理才能得到反映被測(cè)液體電導(dǎo)的直流信號(hào),測(cè)量速度受到限制。針對(duì)需要對(duì)液體電導(dǎo)進(jìn)行高速測(cè)量的應(yīng)用,本文介紹一種基于雙極性脈沖電流技術(shù)的液體電導(dǎo)高速測(cè)量方法并介紹了具體實(shí)現(xiàn)電路。該電路通過(guò)采用新型的雙極性脈沖電流激勵(lì)技術(shù),傳感器輸出信號(hào)在ad采樣前后瞬間具有準(zhǔn)直流特性,對(duì)傳感器輸出信號(hào)的濾波處理得以簡(jiǎn)化,實(shí)現(xiàn)了液體電導(dǎo)的高速測(cè)量。

本文對(duì)兩種測(cè)量方法及其電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入分析,討論了兩種方法各自的特點(diǎn),并對(duì)兼顧高速和高精度兩方面特性的液體電導(dǎo)測(cè)量電路的設(shè)計(jì)提出了一些建議。

2 基于鎖相放大原理的高分辨率液體電導(dǎo)測(cè)量方法

2.1 鎖相放大器工作原理[6~8]

對(duì)含有大量噪聲干擾的微弱信號(hào),常用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)提取。鎖相放大器就是以相關(guān)原理為基礎(chǔ)的,其基本工作原理:對(duì)傳感器施加一個(gè)幅度穩(wěn)定的給定頻率的正弦信號(hào)激勵(lì),傳感器的輸出信號(hào)為一個(gè)幅度調(diào)制的同頻正弦波和各種噪聲成分的復(fù)合信號(hào)。傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后與一個(gè)和激勵(lì)信號(hào)同頻率的參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,信號(hào)中的噪聲成分由于與參考信號(hào)不具有相關(guān)性而在相關(guān)運(yùn)算環(huán)節(jié)被充分抑制,通過(guò)提高傳感器信號(hào)放大電路的增益實(shí)現(xiàn)高分辨率的測(cè)量。

若參考信號(hào)和經(jīng)過(guò)放大的傳感器輸出信號(hào)分別為:

從式(3)可以看出,噪聲成分由于與參考信號(hào)沒(méi)有相關(guān)性所以對(duì)相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果沒(méi)有影響。鎖相放大器就是通過(guò)在信號(hào)處理電路中引入一個(gè)相關(guān)環(huán)節(jié)極大地提高電路的噪聲抑制能力。因?yàn)榉糯箅娐芬氲男诺涝肼暫推渌肼暢煞侄寂c參考信號(hào)沒(méi)有相關(guān)性而被相關(guān)環(huán)節(jié)充分抑制,所以可以通過(guò)提高放大電路的增益來(lái)提高系統(tǒng)分辨率而不需擔(dān)心放大電路引入噪聲。

鎖相放大器的關(guān)鍵部分是一個(gè)相關(guān)解調(diào)環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)可以通過(guò)開關(guān)電路、乘法電路或數(shù)字式解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)。常規(guī)的鎖相放大電路為基于數(shù)字信號(hào)處理器(dsp)的設(shè)計(jì),系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高,不方便與傳感器系統(tǒng)集成。本文提出采用開關(guān)調(diào)制/解調(diào)專用集成電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)鎖相放大器設(shè)計(jì),簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了低成本、高分辨率測(cè)量。

2.2 基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測(cè)量電路

2.2.1 電路工作原理

基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測(cè)量電路的工作原理如圖2所示。由文氏電橋振蕩電路產(chǎn)生幅度穩(wěn)定的頻率為1 khz的正弦波,此正弦波作為激勵(lì)信號(hào)施加到傳感器上。傳感器由浸入被測(cè)液體中的兩電極探頭與一個(gè)20ω取樣電阻串聯(lián)組成。被測(cè)液體的電導(dǎo)變化反映為測(cè)量電極對(duì)上等效阻抗的變化。在恒幅值正弦信號(hào)激勵(lì)下,當(dāng)取樣電阻阻值相對(duì)于測(cè)量電極對(duì)上等效阻抗足夠小時(shí),取樣電阻上的信號(hào)幅值與被測(cè)液體的電導(dǎo)成近似線性關(guān)系。測(cè)量電極對(duì)的輸出是一個(gè)幅度調(diào)制的正弦信號(hào),此信號(hào)經(jīng)過(guò)小信號(hào)放大電路放大后輸入到開關(guān)解調(diào)器的信號(hào)輸入端,開關(guān)解調(diào)器的參考信號(hào)由振蕩電路輸出的1 khz正弦信號(hào)經(jīng)過(guò)移相得到。當(dāng)開關(guān)解調(diào)器的參考信號(hào)與輸入信號(hào)相位一致時(shí),開關(guān)解調(diào)器的輸出經(jīng)過(guò)低通濾波成為直流信號(hào)。單片機(jī)系統(tǒng)通過(guò)a/d轉(zhuǎn)換電路對(duì)此直流信號(hào)進(jìn)行采集并送遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理。

2.2.2 正弦振蕩電路設(shè)計(jì)

圖3所示為電導(dǎo)測(cè)量電路所采用的正弦振蕩電路。該正弦振蕩電路采用文氏電橋結(jié)構(gòu),以運(yùn)算放大器ua741為核心構(gòu)成。r1、c1及r2、c2決定振蕩電路的工作頻率,按圖3中數(shù)據(jù)構(gòu)成的振蕩電路工作頻率為1 khz左右。二極管d1、d2起自動(dòng)恒幅作用。

此振蕩電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)整,可輸出幅度、頻率穩(wěn)定的正弦信號(hào)。

2.2.3 移相器設(shè)計(jì)

移相器電路如圖4所示。移相器以運(yùn)算放大器op07為核心構(gòu)成。c1和r3的取值根據(jù)輸入信號(hào)的頻率確定,按圖中參數(shù)構(gòu)成的移相器通過(guò)調(diào)整r1可以對(duì)頻率為1 khz的正弦信號(hào)實(shí)現(xiàn)0°~180°相移,具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)整的特點(diǎn)。

2.2.4 開關(guān)解調(diào)電路的設(shè)計(jì)

電路中的開關(guān)解調(diào)器由專用集成電路ad630實(shí)現(xiàn),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)參考信號(hào)vref>0時(shí),ad630內(nèi)部的放大器ampa與amp c連接,vout=vin;vref<0時(shí),ad630內(nèi)部的放大器amp b與amp c連接,vout=-vin。vref頻率與vin的載波頻率一樣,當(dāng)它們的相位也嚴(yán)格一致時(shí),該開關(guān)解調(diào)器對(duì)vin中的有用信號(hào)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于一個(gè)理想檢波器。其它頻率的信號(hào)(如各種噪聲)則在參考信號(hào)的正半周期正向積分、在vref負(fù)半周期反向積分,前后半周期的積分值大體相互抵消,因而噪聲會(huì)被有效抑制。vout信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波處理即可得到與被測(cè)液體電導(dǎo)值相關(guān)的直流信號(hào)[9]。

2.3 基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測(cè)量電路的特點(diǎn)

本文提出的基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測(cè)量電路與傳統(tǒng)的電導(dǎo)測(cè)量電路相比有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)在采用交流激勵(lì)模式避免介質(zhì)電極化現(xiàn)象的同時(shí),基于鎖相放大原理的測(cè)量電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)液體電導(dǎo)的高分辨率測(cè)量。

(2)采用開關(guān)調(diào)制/解調(diào)集成電路ad630為核心的鎖相放大電路設(shè)計(jì),相對(duì)于常規(guī)的以數(shù)字信號(hào)處理(dsp)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的鎖相放大器而言,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低。

2.4 測(cè)試結(jié)果

本文提出的測(cè)量電路采用具有16位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路ad7715與鎖相放大電路配合,具有較高的系統(tǒng)分辨力。應(yīng)用本測(cè)量電路在常溫下對(duì)純凈水(電導(dǎo)率小于15μs/cm)的電導(dǎo)進(jìn)行監(jiān)測(cè),在被測(cè)液體電導(dǎo)池等效阻抗為1 kω時(shí)電路可分辨出液體電導(dǎo)0.05%的變化。

3 基于雙極性脈沖電流技術(shù)的液體電導(dǎo)高速測(cè)量方法

傳統(tǒng)的液體電導(dǎo)測(cè)量電路均采用交流電流源激勵(lì),其主要目的是為了消除直流電流激勵(lì)下不可避免的介質(zhì)極化現(xiàn)象。但交流激勵(lì)系統(tǒng)有一個(gè)無(wú)法克服的缺點(diǎn):從測(cè)量電極對(duì)得到的交流電壓信號(hào)須經(jīng)過(guò)較為復(fù)雜的濾波環(huán)節(jié)的處理才能轉(zhuǎn)換為適合數(shù)據(jù)采集單元采集的直流信號(hào)。復(fù)雜的濾波環(huán)節(jié)存在較嚴(yán)重的延時(shí)效應(yīng),限制了交流激勵(lì)的液體電導(dǎo)測(cè)量電路的數(shù)據(jù)采集速度[3~5]。

針對(duì)需要對(duì)液體電導(dǎo)進(jìn)行高速測(cè)量的應(yīng)用,本文介紹一種基于雙極性脈沖電流技術(shù)的液體電導(dǎo)測(cè)量方法,根據(jù)該方法設(shè)計(jì)的電導(dǎo)測(cè)量電路結(jié)構(gòu)方框圖參見圖6。

電路中雙極性脈沖電流源的輸出電流波形類似于方波信號(hào)的波形,如圖7所示。在激勵(lì)信號(hào)的前半個(gè)周期和后半個(gè)周期,雙極性脈沖電流源的輸出為幅值相同、極性相反的直流信號(hào)。由于在激勵(lì)信號(hào)的前、后半周期,激勵(lì)電流同值反向,直流激勵(lì)情況下必然出現(xiàn)的介質(zhì)極化現(xiàn)象得以避免。在每個(gè)測(cè)量周期內(nèi),系統(tǒng)對(duì)測(cè)量電極對(duì)上的電壓采樣兩次,一次a/d采樣在激勵(lì)信號(hào)的正半周期內(nèi),另一次a/d采樣在激勵(lì)信號(hào)的負(fù)半周期內(nèi),兩次a/d采樣結(jié)果的差值作為一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。由于兩次a/d采樣的間隔非常短(小于10μs),可以認(rèn)為在此期間被測(cè)介質(zhì)內(nèi)的電導(dǎo)率分布未發(fā)生變化。通過(guò)取兩次a/d采樣的差值可以消除直流激勵(lì)系統(tǒng)存在的低頻噪聲,從而提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度。a/d采樣的時(shí)刻是由單片機(jī)內(nèi)部的一個(gè)定時(shí)器準(zhǔn)確控制的,兩次a/d采樣時(shí)刻被嚴(yán)格控制在測(cè)量電極對(duì)輸出信號(hào)波形前、后半周期的80%處。測(cè)量電極對(duì)上的電壓信號(hào)在被采樣時(shí)已經(jīng)穩(wěn)定,可以被高速a/d采樣電路作為直流信號(hào)處理。

如圖7(a)所示,當(dāng)給激勵(lì)電極對(duì)通入圖中所示的雙極性脈沖電流信號(hào)后,電極對(duì)上的電壓波形為一近似的方波信號(hào),產(chǎn)生這種信號(hào)的原因在于當(dāng)電流激勵(lì)施加到激勵(lì)電極對(duì)上時(shí),電場(chǎng)的存在導(dǎo)致了介質(zhì)中電荷的移動(dòng),在電極的表面聚集了大量的電荷,引起邊界層效應(yīng)。激勵(lì)電極對(duì)上的電壓波形與電流的強(qiáng)度、介質(zhì)中電荷種類、電極的形狀等因素有關(guān)。而在測(cè)量電極對(duì)上,由于介質(zhì)和電極表面間的電流可以忽略,不會(huì)造成邊界層效應(yīng),其電壓波形為一方波信號(hào),其電壓幅值與驅(qū)動(dòng)電流及介質(zhì)中的電導(dǎo)分布成正比,如圖7(b)所示。由于a/d采樣點(diǎn)位于測(cè)量電極對(duì)上的電