專利名稱：工作頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種工作頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量方法及其裝置。
背景技術(shù)：
液體的電導(dǎo)是液體的基本物理參數(shù)之一。液體電導(dǎo)測試技術(shù)廣泛應(yīng)用于含液物系的化工、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保、水利、冶金、電力等行業(yè)的科研與生產(chǎn)過程。
電導(dǎo)測試技術(shù)所針對的被測液體種類繁多，不同的液體的電導(dǎo)特性差異很大。常見的電導(dǎo)測量裝置多為對傳感器施加固定頻率交流激勵的通用型儀器，而液體在不同頻率的信號激勵下的交流響應(yīng)往往不同，所以工作于固定頻率的電導(dǎo)測量裝置對某些種類的液體電導(dǎo)進行測量時靈敏度和分辨率比較低。
由于導(dǎo)電液體在直流電壓作用下會發(fā)生極化現(xiàn)象，電導(dǎo)測量裝置都是對被測液體施加交流激勵來進行測量的。從原理上說，所有測量交流阻抗的方法均可測量電導(dǎo)，常見的有電橋法、分壓法、運放法及脈沖法。工程上應(yīng)用最多的電導(dǎo)測量方法是分壓法，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、量程切換方便、容易構(gòu)成寬測量范圍的裝置等，其缺點是測量精度和靈敏度偏低(1％以上)。交流電橋法常用于高要求的實驗室測量，其缺點是調(diào)整測量范圍不方便。傳統(tǒng)的液體電導(dǎo)測量裝置在測量時工作于固定的工作頻率，但液體的電導(dǎo)在不同頻率信號激勵下是不同的，采用單一頻率的正弦信號對不同液體的電導(dǎo)進行測量很難得到高分辨率的測量結(jié)果。
雖然現(xiàn)有的電導(dǎo)測試系統(tǒng)對提高系統(tǒng)靈敏度提出了很多改進和優(yōu)化措施，如提高激勵信號的幅值、選用高增益的低噪聲放大器、提高A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率等，但由于其設(shè)計原理的局限，對微弱的電導(dǎo)的測量仍然難以勝任。其根本原因在于，當(dāng)傳感器的輸出信號變化非常微弱時，信道噪聲成為顯著的干擾源，信道噪聲的幅值與有用信號的幅值相近或更大的情況下是不可能通過提高放大倍數(shù)來改善系統(tǒng)靈敏度的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種工作頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量方法及其裝置。
它采用直接數(shù)字合成集成電路得到頻率可調(diào)的正弦信號為測量傳感器提供激勵，在對傳感器施加一個幅度穩(wěn)定的正弦信號激勵的情況下，把經(jīng)過放大的傳感器的輸出信號與一個和傳感器激勵信號的載波同頻率的參考信號送到模擬乘法器進行模擬乘法運算，用一個低通濾波器對模擬乘法器的輸出進行濾波得到與被測液體電導(dǎo)對應(yīng)的直流信號。
它具有電導(dǎo)測量電路板和電導(dǎo)探頭，電導(dǎo)測量電路板的電路為振蕩器I依次與低通濾波電路I、放大電路I、測量電橋、放大電路II、模擬乘法器、低通濾波電路II、放大電路III、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機相接，單片機與振蕩器I及振蕩器II相接，振蕩器II依次與低通濾波電路II及模擬乘法器相接。本發(fā)明工作頻率可調(diào)，可在0-1.25MHz頻率范圍內(nèi)對液體電導(dǎo)進行測量。
本發(fā)明的優(yōu)點1)采用鎖定放大技術(shù)，適用于微弱電導(dǎo)測量，本測量裝置采用專門用于微弱小信號處理的鎖定放大技術(shù)，從原理上保證了系統(tǒng)有較高的靈敏度和較大的動態(tài)范圍。鎖定放大電路采用平衡調(diào)幅的交流電壓源作為電導(dǎo)傳感器激勵源，一方面削弱了采用直流信號作為系統(tǒng)激勵源時難以解決的電極化問題，與常規(guī)的電導(dǎo)測量電路相比系統(tǒng)的信噪比大為提高；2)采用直接數(shù)字合成集成電路產(chǎn)生驅(qū)動傳感器的正弦激勵信號和模擬乘法器的正弦參考信號，工作頻率在0-1.25MHz之間調(diào)整。兩片直接數(shù)字合成集成電路采用同一有源時鐘驅(qū)動，以保證激勵信號與參考信號頻率嚴(yán)格一致。


圖1是工作頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是工作頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量裝置電路板方框圖；圖3是本發(fā)明的振蕩器I原理圖；圖4是本發(fā)明的低通濾波器I原理圖；圖5是本發(fā)明的放大器I原理圖；圖6是本發(fā)明的模擬乘法器原理圖；圖7是本發(fā)明的低通濾波器III電路原理圖。
具體實施例方式
本發(fā)明采用鎖定放大原理實現(xiàn)液體電導(dǎo)的高分辨率測量，即是在對傳感器施加一個幅度穩(wěn)定的正弦信號激勵的情況下，把經(jīng)過放大的傳感器的輸出信號與一個和傳感器激勵信號同頻率的參考信號進行模擬乘法運算，由于傳感器輸出信號的有效成分為與參考信號同頻率的正弦信號，二者乘積的差頻部分為直流信號。而各種噪聲信號與參考信號的乘積為高頻信號，通過低通濾波可有效抑制噪聲信號的影響，得到高分辨率的測量結(jié)果。采用鎖定放大原理可以有效抑制信號放大電路的噪聲，傳感器信號放大電路引入的信道噪聲不會惡化測量電路輸出信號的信噪比，從而可以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。
若經(jīng)過放大的傳感器輸出信號和參考信號分別為S(t)＝x(t)+N(t)＝A sin(ωt+θ+Φ)+N(t) (1)y(t)＝B sin(ωt+θ) (2)則它們的互相關(guān)函數(shù)為Rsy(0)=1T∫0TS(t)y(t)dt=12ABcos(Φ)---(3)]]>從(3)式可以看出，噪聲成分由于與參考信號沒有相關(guān)性對相關(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。由于放大電路引入的信道噪聲也因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)的分辨率而不需擔(dān)心放大電路引入噪聲。
如圖1所示，工作頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量裝置具有電導(dǎo)測量電路板和電導(dǎo)探頭。電導(dǎo)測量電路板的電路為振蕩器I依次與低通濾波電路I、放大電路I、測量電橋、放大電路II、模擬乘法器、低通濾波電路II、放大電路III、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機相接，單片機與振蕩器I及振蕩器II相接，振蕩器II依次與低通濾波電路II及模擬乘法器相接。本發(fā)明工作頻率可調(diào)，可在0-1.25MHz頻率范圍內(nèi)對液體電導(dǎo)進行測量。
本發(fā)明采用專門用于強噪聲背景下的小信號提取的鎖定放大技術(shù)把系統(tǒng)信噪比提高80dB以上。鎖定放大電路的核心功能是對傳感器輸出信號進行相敏解調(diào)，相敏解調(diào)可以通過開關(guān)電路、乘法電路及數(shù)字信號處理系統(tǒng)來實現(xiàn)。本發(fā)明采用模擬乘法器集成電路AD835實現(xiàn)解調(diào)，電路實現(xiàn)簡單、實用。
振蕩器I和II分別以一片直接數(shù)字合成集成電路AD7008為核心構(gòu)成。兩片AD7008采用同一有源時鐘驅(qū)動，單片機向兩片AD7008的頻率寄存器寫入相同數(shù)據(jù)，可保證振蕩器I和II的輸出信號頻率嚴(yán)格相同。振蕩器I的輸出經(jīng)過低通濾波器I濾波和放大器I放大后給電導(dǎo)測量傳感器提供激勵。
電導(dǎo)傳感器電路的結(jié)構(gòu)為兩個有效阻抗的串聯(lián)分壓電路，由電導(dǎo)探頭連接導(dǎo)線、電極、被測溶液的等效阻抗構(gòu)成的綜合阻抗和一個采樣電阻串聯(lián)而成。電導(dǎo)傳感器的有效輸出是一個微弱的正弦信號，由于傳感器在高頻信號激勵下不能視為一個純電阻以及熱噪聲的影響，傳感器的實際輸出包含一些噪聲成分。傳感器的輸出經(jīng)過放大器II放大后送到模擬乘法器的輸入端I。
如圖3所示，振蕩器I是以直接數(shù)字合成集成電路AD7008為核心構(gòu)成。以直接數(shù)字合成集成電路AD7008核心構(gòu)成，AD7008第3腳、第17腳、第28腳、第39腳接5V電源，AD7008第7腳、第18腳、第29腳、第37腳、第43腳、第8腳、第9腳、第10腳、第11腳、第12腳、第13腳、第14腳、第15腳接數(shù)字地，AD7008第1腳、第2腳、第4腳、第31腳分別通過電阻(R1)、(R2)、(R3)及(R5)接數(shù)字地，AD7008第5、6引腳分別通過電容(C1)、(C2)接5V電源，AD7008的第19腳、第20腳、第21腳、第22腳、第23腳、第24腳、第25腳、26腳分別與單片機數(shù)據(jù)總線的AD0、AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7相接，AD7008的第16腳與單片機的/WR腳相接，AD7008的第27腳與單片機第1腳相接，AD7008第32腳、第33腳、第34腳、第35腳、第36腳、第38腳分別與單片機第2腳、3腳、4腳、5腳、6腳、7腳相接，AD7008的第30腳與有源時鐘的第5引腳相接，AD7008其它腳懸空。有源時鐘的第4腳接電源地，有源時鐘的第8腳接5V電源，有源時鐘其它腳懸空。R1、R2為50歐姆金屬膜電阻，R3、R6為1000歐姆金屬膜電阻，C1、C2為0.1uF瓷片電容。
振蕩器II是以直接數(shù)字合成集成電路AD7008為核心構(gòu)成，其工作原理與振蕩器I相同。
經(jīng)過放大的傳感器的輸出信號與一個和傳感器激勵信號的同頻率的參考信號進行模擬乘法運算，由于傳感器輸出信號的有效成分為與參考信號同頻率的正弦信號，二者乘積的差頻部分為直流信號，而各種噪聲信號與參考信號的乘積為高頻信號。模擬乘法器的輸出端與低通濾波器III的輸入端相接，低通濾波器III的輸出為其幅度與傳感器的有效輸出成線性關(guān)系的直流信號。此直流電壓信號的大小反映了被測液體電導(dǎo)的大小。此直流信號被模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的輸出的數(shù)字量由單片機存儲、數(shù)字濾波并通過RS232接口傳送到上位計算機。
如圖4所示，低通濾波器I的電路結(jié)構(gòu)為電阻R1的第一腳接輸入信號，R1的第2腳與C1的第一腳及L1的第一腳相接，L1的第二腳與L2的第一腳及C2的第一腳相接，L2的第2腳與C3的第1腳、R2的第1腳相接，C1的第2腳、C2的第2腳、C3的第2腳、R2的第2腳接地。L2的第2腳同時做為濾波器的輸出引線。
低通濾波器II與低通濾波器I電路結(jié)構(gòu)及元件參數(shù)相同。
如圖5所示，放大器I以集成電路芯片NE592為核心構(gòu)成。NE592的第14腳接輸入信號正端，第1腳接輸入信號的負(fù)端；第4腳依次通過電阻R核電感L與第12腳相接；第10腳接+5V電源，第5腳接-5V電源；第8腳接電容C16的第1腳，C16的第2腳與電阻R19的第1腳相接；第10腳接電容C17的第1腳，C17的第2腳與電阻R20的第1腳相接；電阻R19的第2腳及電阻R19的第2腳接地；C16的第2腳為濾波器的正輸出端，C17的第2腳為濾波器的正輸出端。
放大器II、放大器III的電路結(jié)構(gòu)與放大器I相同。
如圖6所示，模擬乘法器以集成電路AD835為核心構(gòu)成。AD835的第3腳接-5V電源，第6腳接+5V電源；第1腳和第2腳分別接放大器II的正輸出端、負(fù)輸出端；第8腳和第7腳分別接放大器III的正輸出端、負(fù)輸出端；第5腳接電阻R1的第1腳，R1的第2腳接電阻R2的第1腳并與AD835的第4腳相接，電阻R2的第2腳接地。
如圖7所示，低通濾波器III的電路為典型的三階巴特沃斯低通濾波器，截止頻率為20Hz.。
權(quán)利要求
1.一種工作頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量方法，其特征在于，它采用直接數(shù)字合成集成電路得到頻率可調(diào)的正弦信號為測量傳感器提供激勵，在對傳感器施加一個幅度穩(wěn)定的正弦信號激勵的情況下，把經(jīng)過放大的傳感器的輸出信號與一個和傳感器激勵信號的載波同頻率的參考信號送到模擬乘法器進行模擬乘法運算，用一個低通濾波器對模擬乘法器的輸出進行濾波得到與被測液體電導(dǎo)對應(yīng)的直流信號。
2.一種工作頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量裝置，其特征在于它具有電導(dǎo)測量電路板和電導(dǎo)探頭，電導(dǎo)測量電路板的電路為振蕩器I依次與低通濾波器I、放大器I、傳感器、放大器III、模擬乘法器、低通濾波器III、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機相接，單片機與振蕩器I、振蕩器II相接，振蕩器II依次與低通濾波器II、放大器II及模擬乘法器相接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量裝置，其特征在于所說的振蕩器I以直接數(shù)字合成集成電路AD7008為核心構(gòu)成，AD7008第3腳、第17腳、第28腳、第39腳接5V電源，AD7008第7腳、第18腳、第29腳、第37腳、第43腳、第8腳、第9腳、第10腳、第11腳、第12腳、第13腳、第14腳、第15腳接數(shù)字地，AD7008第1腳、第2腳、第4腳、第31腳分別通過電阻(R1)、(R2)、(R3)及(R5)接數(shù)字地，AD7008第5、6引腳分別通過電容(C1)、(C2)接5V電源，AD7008的第19腳、第20腳、第21腳、第22腳、第23腳、第24腳、第25腳、26腳分別與單片機數(shù)據(jù)總線的AD0、AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6、AD7相接，AD7008的第16腳與單片機的/WR腳相接，AD7008的第27腳與單片機第1腳相接，AD7008第32腳、第33腳、第34腳、第35腳、第36腳、第38腳分別與單片機第2腳、3腳、4腳、5腳、6腳、7腳相接，AD7008的第30腳與有源時鐘的第5引腳相接，AD7008其它腳懸空。有源時鐘的第4腳接電源地，有源時鐘的第8腳接5V電源，有源時鐘其它腳懸空。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種工作頻率可調(diào)的液體電導(dǎo)測量方法及其裝置。方法采用直接數(shù)字合成集成電路得到頻率可調(diào)的正弦信號為測量傳感器提供激勵，在對傳感器施加一個幅度穩(wěn)定的正弦信號激勵的情況下，把經(jīng)過放大的傳感器的輸出信號與一個和傳感器激勵信號的載波同頻率的參考信號送到模擬乘法器進行模擬乘法運算，用一個低通濾波器對模擬乘法器的輸出進行濾波得到與被測液體電導(dǎo)對應(yīng)的直流信號。裝置具有電導(dǎo)測量電路板和電導(dǎo)探頭，本發(fā)明采用鎖定放大技術(shù)，適用于微弱電導(dǎo)測量，工作頻率可調(diào)，可在0－1.25MHz頻率范圍內(nèi)對液體電導(dǎo)進行測量。
文檔編號G01R27/22GK1696716SQ200510050428
公開日2005年11月16日 申請日期2005年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月24日
發(fā)明者黃志堯, 何潮洪 申請人:浙江大學(xué)