測量液體電導(dǎo)的兩種新方法

　　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(duì)含液物系進(jìn)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(duì)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(hào)激勵(lì)，通過對(duì)vo放大、整流、濾波得到與被測電導(dǎo)對(duì)應(yīng)的直流信號(hào)，缺點(diǎn)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(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)的高分辨率測量。

　　許多工業(yè)應(yīng)用要求對(duì)液體電導(dǎo)進(jìn)行高速測量，如最近工業(yè)自動(dòng)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(duì)含液物系內(nèi)部電導(dǎo)率分布進(jìn)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(lì)電極對(duì)，另外兩只組成檢測電極對(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(hào)，測量速度受到限制。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(shí)現(xiàn)電路。該電路通過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)的濾波處理得以簡化，實(shí)現(xiàn)了液體電導(dǎo)的高速測量。

　　本文對(duì)兩種測量方法及其電路實(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)高分辨率的測量。

　　若參考信號(hào)和經(jīng)過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)沒有相關(guān)性所以對(duì)相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果沒有影響。鎖相放大器就是通過在信號(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(gè)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(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)，簡化了電路設(shè)計(jì)，實(shí)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(lì)信號(hào)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(gè)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(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)幅值與被測液體的電導(dǎo)成近似線性關(guān)系。測量電極對(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)過低通濾波成為直流信號(hào)。單片機(jī)系統(tǒng)通過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)來說相當(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(hào)［9］。

　　2.3 基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量電路的特點(diǎn)

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

　?。?）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)的高分辨率測量。

　?。?）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)簡單、易于實(shí)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(duì)純凈水（電導(dǎo)率小于15μs/cm）的電導(dǎo)進(jìn)行監(jiān)測，在被測液體電導(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(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)無法克服的缺點(diǎn)：從測量電極對(duì)得到的交流電壓信號(hào)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(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(jì)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(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)測量周期內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)測量電極對(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(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)格控制在測量電極對(duì)輸出信號(hào)波形前、后半周期的80%處。測量電極對(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)位于測量電極對(duì)上的電

　　壓波形穩(wěn)定后的平坦部位，在這一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)相當(dāng)于受到了一個(gè)恒定的直流電流信號(hào)的激勵(lì)。測量電極對(duì)的輸出不再需要復(fù)雜的處理，濾波環(huán)節(jié)就可以大為簡化，這樣極大地提高了數(shù)據(jù)的采集速度，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

　　作者已將采用雙極性脈沖電流源激勵(lì)的液體電導(dǎo)測量技術(shù)成功應(yīng)用于電導(dǎo)層析成像系統(tǒng)多電極液體電導(dǎo)數(shù)據(jù)采集模塊中。數(shù)據(jù)采集模塊采用一對(duì)電極激勵(lì)，多對(duì)檢測電極檢測工作方式，可以每秒鐘采集150幀以上圖像的原始電導(dǎo)分布數(shù)據(jù)，每幀圖像的原始電導(dǎo)測量數(shù)據(jù)包含104個(gè)測量值，平均每采集一個(gè)電導(dǎo)數(shù)據(jù)用時(shí)約6.4μs。該數(shù)據(jù)采集模塊在全速工作時(shí)的有效測量分辨率在0.5%以內(nèi)。

　　4 關(guān)于兩種液體電導(dǎo)測量方法的進(jìn)一步討論

　　按照本文所介紹的液體電導(dǎo)測量的兩種新方法設(shè)計(jì)的測量電路分別具有高分辨率和高速測量的特點(diǎn)，有沒有可能對(duì)它們加以改進(jìn)得到同時(shí)具有高分辨率和高測量速度的方法呢？下面就對(duì)本文所介紹的兩個(gè)測量方法進(jìn)一步改進(jìn)的可能性做一些討論?；阪i相放大原理的電導(dǎo)測量方法是基于相關(guān)測量原理的，該方法采用單一頻率的恒幅正弦電壓源為傳感器提供激勵(lì)，而鎖相放大電路的窄帶濾波特性有效抑制了傳感器輸出信號(hào)中激勵(lì)信號(hào)頻率以外的頻率成分，這是該方法實(shí)現(xiàn)高分辨率電導(dǎo)測量的基礎(chǔ)。嚴(yán)格地講，基于鎖相放大原理的液體電導(dǎo)測量方法不能象基于雙極性脈沖電流技術(shù)的電導(dǎo)測量方法那樣實(shí)現(xiàn)極高速度的測量，但其測量速度仍有進(jìn)一步提高的潛力。提高基于鎖相放大原理的液體電導(dǎo)測量電路的測量速度主要有以下途徑：

　　（1）提高激勵(lì)信號(hào)的頻率。

　?。?）改進(jìn)小信號(hào)放大電路的高頻特性。

　?。?）用dsp電路實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算。

　　目前，已經(jīng)有科研人員通過以上途徑開發(fā)成功較高速度的液體電導(dǎo)測量系統(tǒng)并將其應(yīng)用在電阻層析成像系統(tǒng)中，但從發(fā)表的文獻(xiàn)看類似電路仍有一些局限性：

　　（1）基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量電路具有的高分辨率特性沒有得到較好的保持。

　?。?）電路復(fù)雜、成本高。

　　（3）受原理限制，其數(shù)據(jù)采集速度仍遠(yuǎn)不及基于雙極性脈沖電流技術(shù)的電導(dǎo)測量電路，而且提高測量速度的潛力不大。

　　基于雙極性脈沖電流技術(shù)的電導(dǎo)測量方法其最主要的特點(diǎn)是在采樣時(shí)間點(diǎn)附近測量電極對(duì)上的信號(hào)具有準(zhǔn)直流特性。采樣電極對(duì)上信號(hào)輸出的準(zhǔn)直流特性允許信號(hào)在不經(jīng)過復(fù)雜濾波環(huán)節(jié)的處理而直接被a/d轉(zhuǎn)換器件采樣。這是該電導(dǎo)測量方法可以完成高速電導(dǎo)測量的關(guān)鍵所在，但也正是這一點(diǎn)限制了該測量方法的電導(dǎo)測量精度。嚴(yán)格地講，在給激勵(lì)電極對(duì)上施加交變激勵(lì)的情況下，采樣電極對(duì)上的信號(hào)輸出一定含有某些非直流成分。因而基于雙極性脈沖電流技術(shù)的電導(dǎo)測量電路中測量電極對(duì)上的輸出總是包含交流成分的，而這些交流成分 如果不能被濾波環(huán)節(jié)濾除就會(huì)限制電路的測量精度。對(duì)測量電極對(duì)的輸出信號(hào)進(jìn)行最基本的濾波處理可以提高基于雙極性脈沖電流技術(shù)的電導(dǎo)測量電路的電導(dǎo)測量精度（a/d采集數(shù)據(jù)的有效分辨率），但所選用的濾波電路應(yīng)具有比較快的響應(yīng)速度，否則就可能成為限制整體電路測量速度的瓶頸。

　　5 結(jié) 論

　　本文介紹了兩種用于液體電導(dǎo)測量的新方法，給出了其電路實(shí)現(xiàn)并具體分析了兩種測量方法各自的特點(diǎn)?；阪i相放大原理的電導(dǎo)測量方法能在低速測量的情況下實(shí)現(xiàn)液體電導(dǎo)的高分辨率檢測。而基于雙極性脈沖電流技術(shù)的電導(dǎo)測量方法能在保證一定測量精度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高速度的電導(dǎo)測量。在選擇液體電導(dǎo)測量電路的設(shè)計(jì)方案時(shí)，測量電路的分辨率和測量速度兩方面的性能指標(biāo)始終是一對(duì)矛盾，電路設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用的要求并綜合考慮成本、電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度等因素進(jìn)行取舍。具體到在本文所述的兩個(gè)測量方案之間進(jìn)行選擇，則應(yīng)注 意發(fā)揮它們各自的優(yōu)點(diǎn)。若具體應(yīng)用特別強(qiáng)調(diào)高分辨率測量，應(yīng)當(dāng)選擇基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量方法;若要求高速測量，宜選用基于雙極性脈沖電流激勵(lì)技術(shù)的電導(dǎo)測量方法。本文所提出的兩種液體電導(dǎo)測量方法可以為電導(dǎo)測試技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一些有益的借鑒。