1 引 言
電導(dǎo)測試技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等領(lǐng)域,是對含液物系進行物性分析或組分測量的重要測試手段之一[1,2]。
圖1(a)所示為現(xiàn)有典型電導(dǎo)(率)測試電路的工作原理。如果僅需要監(jiān)測被測含液物系電導(dǎo)的相對變化,可用標(biāo)準(zhǔn)電阻取代rf。傳統(tǒng)的電導(dǎo)測量電路采用交流正弦信號激勵,通過對vo放大、整流、濾波得到與被測電導(dǎo)對應(yīng)的直流信號,缺點是測量分辨率低。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)測量方法。此測量方法基于專用于小信號處理的鎖相放大原理,可有效抑制信道噪聲,實現(xiàn)了液體電導(dǎo)的高分辨率測量。
許多工業(yè)應(yīng)用要求對液體電導(dǎo)進行高速測量,如最近工業(yè)自動化檢測領(lǐng)域新出現(xiàn)的工業(yè)電導(dǎo)層析成像(ert)系統(tǒng)就要求對含液物系內(nèi)部電導(dǎo)率分布進行高速檢測。多電極高速電導(dǎo)測量系統(tǒng)通常采用四電極電導(dǎo)測量方案,圖1(b)為其原理圖。四只電極浸入到被測導(dǎo)電液體中,其中兩只電極組成激勵電極對,另外兩只組成檢測電極對。當(dāng)給激勵電極對通入幅值和頻率穩(wěn)定的交流電流時,測量電極對上的輸出電壓的幅值與液體的電導(dǎo)有確定的對應(yīng)關(guān)系[3~5]。
為了避免直流激勵下的介質(zhì)電極化現(xiàn)象,傳統(tǒng)的電導(dǎo)測量方案采用正弦交流激勵。在正弦交流信號激勵下,傳感器的輸出信號要經(jīng)過較復(fù)雜的濾波和整流環(huán)節(jié)處理才能得到反映被測液體電導(dǎo)的直流信號,測量速度受到限制。針對需要對液體電導(dǎo)進行高速測量的應(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)高速測量方法并介紹了具體實現(xiàn)電路。該電路通過采用新型的雙極性脈沖電流激勵技術(shù),傳感器輸出信號在ad采樣前后瞬間具有準(zhǔn)直流特性,對傳感器輸出信號的濾波處理得以簡化,實現(xiàn)了液體電導(dǎo)的高速測量。
本文對兩種測量方法及其電路實現(xiàn)進行了深入分析,討論了兩種方法各自的特點,并對兼顧高速和高精度兩方面特性的液體電導(dǎo)測量電路的設(shè)計提出了一些建議。
2 基于鎖相放大原理的高分辨率液體電導(dǎo)測量方法
2.1 鎖相放大器工作原理[6~8]
對含有大量噪聲干擾的微弱信號,常用相關(guān)檢測技術(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:對傳感器施加一個幅度穩(wěn)定的給定頻率的正弦信號激勵,傳感器的輸出信號為一個幅度調(diào)制的同頻正弦波和各種噪聲成分的復(fù)合信號。傳感器的輸出信號經(jīng)過放大后與一個和激勵信號同頻率的參考信號進行相關(guān)運算,信號中的噪聲成分由于與參考信號不具有相關(guān)性而在相關(guān)運算環(huán)節(jié)被充分抑制,通過提高傳感器信號放大電路的增益實現(xiàn)高分辨率的測量。
若參考信號和經(jīng)過放大的傳感器輸出信號分別為:
從式(3)可以看出,噪聲成分由于與參考信號沒有相關(guān)性所以對相關(guān)運算的結(jié)果沒有影響。鎖相放大器就是通過在信號處理電路中引入一個相關(guān)環(huán)節(jié)極大地提高電路的噪聲抑制能力。因為放大電路引入的信道噪聲和其它噪聲成分都與參考信號沒有相關(guān)性而被相關(guān)環(huán)節(jié)充分抑制,所以可以通過提高放大電路的增益來提高系統(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)鍵部分是一個相關(guān)解調(diào)環(huán)節(jié),該環(huán)節(jié)可以通過開關(guān)電路、乘法電路或數(shù)字式解調(diào)電路實現(xiàn)。常規(guī)的鎖相放大電路為基于數(shù)字信號處理器(dsp)的設(shè)計,系統(tǒng)設(shè)計復(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)專用集成電路實現(xiàn)開關(guān)鎖相放大器設(shè)計,簡化了電路設(shè)計,實現(xiàn)了低成本、高分辨率測量。
2.2 基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量電路
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,此正弦波作為激勵信號施加到傳感器上。傳感器由浸入被測液體中的兩電極探頭與一個20ω取樣電阻串聯(lián)組成。被測液體的電導(dǎo)變化反映為測量電極對上等效阻抗的變化。在恒幅值正弦信號激勵下,當(dāng)取樣電阻阻值相對于測量電極對上等效阻抗足夠小時,取樣電阻上的信號幅值與被測液體的電導(dǎo)成近似線性關(guān)系。測量電極對的輸出是一個幅度調(diào)制的正弦信號,此信號經(jīng)過小信號放大電路放大后輸入到開關(guān)解調(diào)器的信號輸入端,開關(guān)解調(diào)器的參考信號由振蕩電路輸出的1 khz正弦信號經(jīng)過移相得到。當(dāng)開關(guān)解調(diào)器的參考信號與輸入信號相位一致時,開關(guān)解調(diào)器的輸出經(jīng)過低通濾波成為直流信號。單片機系統(tǒng)通過a/d轉(zhuǎn)換電路對此直流信號進行采集并送遠程計算機進一步處理。
2.2.2 正弦振蕩電路設(shè)計
圖3所示為電導(dǎo)測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起自動恒幅作用。
此振蕩電路結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整,可輸出幅度、頻率穩(wěn)定的正弦信號。
2.2.3 移相器設(shè)計
移相器電路如圖4所示。移相器以運算放大器op07為核心構(gòu)成。c1和r3的取值根據(jù)輸入信號的頻率確定,按圖中參數(shù)構(gòu)成的移相器通過調(diào)整r1可以對頻率為1 khz的正弦信號實現(xiàn)0°~180°相移,具有電路結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整的特點。
2.2.4 開關(guān)解調(diào)電路的設(shè)計
電路中的開關(guān)解調(diào)器由專用集成電路ad630實現(xiàn),其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)參考信號vref>0時,ad630內(nèi)部的放大器ampa與amp c連接,vout=vin;vref<0時,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,該開關(guān)解調(diào)器對vin中的有用信號來說相當(dāng)于一個理想檢波器。其它頻率的信號(如各種噪聲)則在參考信號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,因而噪聲會被有效抑制。vout信號經(jīng)過低通濾波處理即可得到與被測液體電導(dǎo)值相關(guān)的直流信號[9]。
2.3 基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量電路的特點
本文提出的基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量電路與傳統(tǒng)的電導(dǎo)測量電路相比有以下優(yōu)點:
(1)在采用交流激勵模式避免介質(zhì)電極化現(xiàn)象的同時,基于鎖相放大原理的測量電路設(shè)計實現(xiàn)了對液體電導(dǎo)的高分辨率測量。
(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,相對于常規(guī)的以數(shù)字信號處理(dsp)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的鎖相放大器而言,電路結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、成本低。
2.4 測試結(jié)果
本文提出的測量電路采用具有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)用本測量電路在常溫下對純凈水(電導(dǎo)率小于15μs/cm)的電導(dǎo)進行監(jiān)測,在被測液體電導(dǎo)池等效阻抗為1 kω時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)高速測量方法
傳統(tǒng)的液體電導(dǎo)測量電路均采用交流電流源激勵,其主要目的是為了消除直流電流激勵下不可避免的介質(zhì)極化現(xiàn)象。但交流激勵系統(tǒng)有一個無法克服的缺點:從測量電極對得到的交流電壓信號須經(jīng)過較為復(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。復(fù)雜的濾波環(huán)節(jié)存在較嚴(yán)重的延時效應(yīng),限制了交流激勵的液體電導(dǎo)測量電路的數(shù)據(jù)采集速度[3~5]。
針對需要對液體電導(dǎo)進行高速測量的應(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)測量方法,根據(jù)該方法設(shè)計的電導(dǎo)測量電路結(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的波形,如圖7所示。在激勵信號的前半個周期和后半個周期,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。由于在激勵信號的前、后半周期,激勵電流同值反向,直流激勵情況下必然出現(xiàn)的介質(zhì)極化現(xiàn)象得以避免。在每個測量周期內(nèi),系統(tǒng)對測量電極對上的電壓采樣兩次,一次a/d采樣在激勵信號的正半周期內(nèi),另一次a/d采樣在激勵信號的負(fù)半周期內(nèi),兩次a/d采樣結(jié)果的差值作為一個測量數(shù)據(jù)。由于兩次a/d采樣的間隔非常短(小于10μs),可以認(rèn)為在此期間被測介質(zhì)內(nèi)的電導(dǎo)率分布未發(fā)生變化。通過取兩次a/d采樣的差值可以消除直流激勵系統(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采樣的時刻是由單片機內(nèi)部的一個定時器準(zhǔn)確控制的,兩次a/d采樣時刻被嚴(yán)格控制在測量電極對輸出信號波形前、后半周期的80%處。測量電極對上的電壓信號在被采樣時已經(jīng)穩(wěn)定,可以被高速a/d采樣電路作為直流信號處理。
如圖7(a)所示,當(dāng)給激勵電極對通入圖中所示的雙極性脈沖電流信號后,電極對上的電壓波形為一近似的方波信號,產(chǎn)生這種信號的原因在于當(dāng)電流激勵施加到激勵電極對上時,電場的存在導(dǎo)致了介質(zhì)中電荷的移動,在電極的表面聚集了大量的電荷,引起邊界層效應(yīng)。激勵電極對上的電壓波形與電流的強度、介質(zhì)中電荷種類、電極的形狀等因素有關(guān)。而在測量電極對上,由于介質(zhì)和電極表面間的電流可以忽略,不會造成邊界層效應(yīng),其電壓波形為一方波信號,其電壓幅值與驅(qū)動電流及介質(zhì)中的電導(dǎo)分布成正比,如圖7(b)所示。由于a/d采樣點位于測量電極對上的電
下載文檔
