七電極電導(dǎo)率傳感器測量電路設(shè)計與實現(xiàn)

摘要 針對七電極電導(dǎo)率傳感器的基本原理和特點進行了闡述，根據(jù)傳感器本身物理特性以及高精度測量的要求，設(shè)計了能夠滿足低溫漂、高精度、速度快的測量電路。采用D/A、A/D等集成電路芯片去實現(xiàn)對傳感器的精確驅(qū)動和高速采樣，相比于傳統(tǒng)方式，驅(qū)動的頻率和電壓更加準確，并且容易更改，采用高速采樣可以避免信號在調(diào)理過程中出現(xiàn)的失真。通過實驗驗證了電路的測量效果。

電導(dǎo)率測量在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測、海洋資源開發(fā)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，準確快速地電導(dǎo)率測量方法對海洋研究、環(huán)境保護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)原理進行測量，通過感應(yīng)電動勢的變化反應(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)電原理進行測量，通過被測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)計了測量電路。

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，同時具備了三電極與四電極的優(yōu)點。七電極電導(dǎo)率傳感器的電導(dǎo)池實現(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)時間快，實現(xiàn)了電導(dǎo)率的快速測量;七電極電導(dǎo)率傳感器的電導(dǎo)池兩端有兩個接地電極，可以有效屏蔽電導(dǎo)池外的影響，使測量結(jié)果不受電導(dǎo)池外界的干擾，而且測量過程中無需水泵，同樣能夠保證高精度測量。

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個鉑金屬環(huán)組成，電極1～4、電極4～7分別組成兩組測量單元，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)池時會在電極2、3和電極5、6產(chǎn)生電壓。在電極4和地之間加上一個恒定的電壓，通過測量流經(jīng)公共電極的電流的變化就可以反映出電阻的變化，進而計算出電導(dǎo)池內(nèi)溶液的電導(dǎo)率。

1.2 測量系統(tǒng)概述

為實現(xiàn)高精度的七電極電導(dǎo)率傳感器測量電路，在設(shè)計電路時主要考慮以下幾個方面：(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的信息并進行相關(guān)計算。(2)A/D和D/A使用同一基準，因為電導(dǎo)率是通過驅(qū)動電壓和取樣電阻兩端電壓的比值計算出來的，即使基準有一定的變化，也不會對測量結(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)動七電極的運放和取樣電阻。

測量電路系統(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，通過由積分電路和減法電路形成的恒壓源，對七電極電導(dǎo)率傳感器進行驅(qū)動，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個定時器、2個ADC、9個通信接口，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制系統(tǒng)、測量儀表等。

2 測量電路分析及實現(xiàn)

2.1 驅(qū)動電路分析

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的矩形波進行驅(qū)動，驅(qū)動電壓為-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，提供雙極性±5～±10 V輸出，而在單電源電壓為12～15 V時，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芯片基準的輸入端，該基準由本電路系統(tǒng)中的A/D產(chǎn)生，以實現(xiàn)A/D和D/A使用統(tǒng)一個基準，避免因基準的差異影響測量的精度。OUT是D/A的輸出引腳。為提高驅(qū)動能力，產(chǎn)生的矩形波驅(qū)動信號要經(jīng)過由一個高精密運放組成的電壓跟隨器。

2.1.2 驅(qū)動電路分析

如圖4所示，驅(qū)動信號經(jīng)過一個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，形成負反饋，實現(xiàn)對七電極的恒壓驅(qū)動，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算放大器的輸入端;R13確定放大器放大倍數(shù)，因為A/D采樣速率較高，所以模擬信號在輸入到A/D之前需要經(jīng)過差分驅(qū)動器，放大器輸出經(jīng)過差分驅(qū)動器后輸入到A/D進行采樣。

選取亞德諾半導(dǎo)體公司的一款差分驅(qū)動器，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ADC，同時提供驅(qū)動最高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)動包括工業(yè)儀器儀表等各種應(yīng)用中的ADC。該差分驅(qū)動器在精度和驅(qū)動能力上能滿足本電路的需要。

本電路設(shè)計的核心思想之一就是高速采樣去還原信號本身的特點，避免因不必要的模擬信號的調(diào)理引入誤差，所以A/D的選擇對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責向微處理器傳輸數(shù)據(jù)，VIN+、VIN-是模擬信號輸入端口，VREF是5 V基準。

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

3 測量數(shù)據(jù)分析及標定

在數(shù)據(jù)處理方面，首先對單個周期內(nèi)的波形進行Ⅳ次采樣，之后用得到的A/D值計算出每個驅(qū)動周期內(nèi)的平均A/D值;在采集M個周期后，對M個平均后的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采樣結(jié)果的影響。在本次標定過程中，每個周期內(nèi)有128個采樣點，對32個周期的平均A/D值進行FFT變換。

在標定過程中，首先用采集到的擬合A/D值和對應(yīng)的電導(dǎo)率值，利用最小二乘法進行擬合，得到求電導(dǎo)率的公式，最后進行測量和復(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)。

在標定的過程中，采用海鳥公司的溫鹽深儀(CTD)作為對比，直接對電導(dǎo)率進行讀取，相對于傳統(tǒng)測鹽度溫度進行電導(dǎo)率測量，這樣更方便快捷，多用于對實驗階段儀器的標定，得到行業(yè)內(nèi)的認同。文中分別對35℃，25 ℃，15 ℃，5℃的海水電導(dǎo)率進行測量。實驗結(jié)果見表1～表2所示。

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

4 結(jié)束語

設(shè)計了一款七電極電導(dǎo)率傳感器測量電路，并進行了標定和復(fù)檢驗證了電路的穩(wěn)定性和高精度。在設(shè)計過程中，主要利用了減少模擬電路、直接對原始信號采樣進行處理的思想，使電路本身更加穩(wěn)定和可靠，避免因為一些不必要的處理引入新的噪聲，從而提高了系統(tǒng)的測量精度。