（微电子学与固体电子学专业论文）用于路面传感器的盐度检测技术.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名： 强粒l e l期：型f ! ：仝：! 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：伍! 龌导师 摘要 摘要 路面传感器在公路交通领域有着很重要的应用，如可以为公路气象站服务，远程监控特定地点， 全天候、方便、快速、准确的提供路面路况信息。对路面环境状况的全面评估可以大大提高交通安 全系数。随着我国高速公路建设的推进，路面传感器市场前景广阔。国外有很多致力于路面传感器 方面的研究，某些传感器已经商业化生产。目前我国路面传感器市场主要被国外企业垄断，为致力 实现路面传感器国产化的目标，本课题以路面传感器中的盐度检测模块为研究对象。 本文设计的盐度检测模块主要用于路面状况中检测除冰剂的浓度和预测结冰点，可集成于路面 传感器中。由于实际中大量使用的是氯化钠为主要成分的除冰剂，所以我们把对于除冰剂的检测称 为盐度检测。通过检测电路得到盐度值，然后根据不同盐度的溶液结冰温度不同的原理来预测可能 的结冰温度。 模块的控制核定卜一兹控制器( m c u ) 选用s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司的c 8 0 5 1 f 4 1 0 ，它是一款 增强型单片机，有2 7 个i o 作为专用的模拟信号输入口，片内a d 为1 2 位，集成s m b u s ，3 2 k bf l a s h 存储器，能满足系统多功能，高精度，即时通讯，智能编程的需要。 模块的硬件单元包括：温度检测和盐度检测，其中盐度检测是核心单元。根据不同盐溶液的电 导率不同的原理，通过检测盐溶液的电导变化来间接反映盐度的变化。盐度检测电路以电导测量为 目标，采用类似双极性脉冲电压激励的形式，不同之处在于加入了直流偏置，这样即省去了负电源， 又避免了电极的极化。因为温度影响水的电导率，从而影响盐度测量，为了提高盐度测量精度，必 须进行温度补偿技术，设计了基于恒流源激励的p t l 0 0 0 测温电路。 模块软件采用前后台系统，前台程序通过中断来接收上位机请求，前台程序以中断服务子程序 为主；后台程序以查询的方式执行上位机任务，主要包括了微控制器c 8 0 5 1 f 4 1 0 的程序设计以及各 个功能模块的程序设计。这样设计的好处是能最大的保证系统的实时性。软件的开发采用了s i l i c o n l a b o r a t o r i e si d e 集成开发环境，使用k e i lc x 5 1 语言进行程序编译。 通过对标准盐度溶液的测量，采用曲线拟合的方法对盐度模块在四个不同盐度区间内进行数据 的标定，得到了四个拟合公式。采用同样的方法对温度和不同标准盐溶液的结冰点进行数据的标定。 在测量标准温度下盐度的基础上，盐度模块采用插值法进行温度的补偿。 我们对盐度模块做了大量的测试工作，通过对各功能模块和实验样机的整体测试看，盐度模块 的各项性能符合基本指标要求。温度在3 0 ( 2 7 0 测量范围内精度都在士1 以内；盐度检测范围： 0 0 0 p 2 0 o ；盐度检测在高浓度和低浓度的精度都保持在士1 以内，在盐度值为0 o 哆扣1 5 o 区间 内，检测精度达到o 5 以内。预测结冰温度在整个测量范围内的精度在士1 以内。 在本文的最后对所做的工作进行了总结，并提出改进意见。 关键词：路面传感器，c 8 0 5 1 f 4 1 0 单片机，盐度检测，冰点预测，温度补偿 a b s t r a c t a b s t r a c t r o a ds u r f a c es e n s o r sp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fr o a dt r a f f i c ，s u c ha ss e r v i c i n gf o rr o a d w e a t h e rs t a t i o n s ，r e m o t em o n i t o r i n go fs p e c i f i cl o c a t i o n st og e tt h ew e a t h e rp a r a m e t e r sa l l w e a t h e ra n d a c c u r a t e l y a na d e q u a t ea s s e s s m e n to ft h ee n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n so nr o a ds u r f a c e sm a ys i g n i f i c a n t l y c o n t r i b u t et oe n h a n t et r a f f i cs a f e t y t h e r ei sap r o m i s i n gm a r k e tf o rr o a ds u r f a c es e n s o r sw i t ht h e d e v e l o p i n go fc h i n e s eh i g h w a yc o n s t r u c t i o n s al o to ff o r e i g nr e s e a r c h e sh a v ew o r k e da t r o a ds u r f a c e s e n s o r s ，a n ds o m es e n s o r sh a v eb e e nc o m m e r c i a l l yp r o d u c e d a tp r e s e m ，d o m e s t i cr o a ds u r f a c es e n s o r m a r k e t sa r em o s t l ym o n o p o l i z e db yf o r e i g ne n t e r p r i s e s i no r d e rt os t r e n g l h e no u rc o u n t r y ss e n s o r i n d u s t r y , i ti sn e c e s s a r yt om a k eg o o ds e n s o re f f e c t i v e l y t h i ss u b j e c tw a sp r o p o s e dt os t u d yo ns a l i n i t y d e t e c t i o nm o d u l e ，w h i c hi so n ep a r to f r o a ds u r f a c es e n s o r a sap a r to ft h er o a ds u r f a c es e n s o r ，s a l i n i t yd e t e c t i o nm o d u l ed e s i g n e do ft h i sw o r ki sm a i n l yu s e d f o rr o a ds u r f a c ec o n d i t i o nt od e t e c tc o n c e n t r a t i o no fd e - i c i n ga g e n ta n dt op r e d i c tt h ei c i n gp o i n t b e c a u s e s o d i u mc h l o r i d ei sw i d e l yu s e da sm a i nc o m p o n e n to fd e - i c i n ga g e n t , w ec a l lt h ed e t e c t i o no fd e i c i n g a g e n t 雒s a l i n i t yt e s t i n g s a l i n i t yv a l u e sa r eo b t a i n e dw i t h t h ed e t e c t i o nc i r c u i t , a n dt h e nt h ep o s s i b l e f r e e z i n gt e m p e r a t u r ec a r lb ep r e d i c t e da c c o r d i n gt o t h ep r i n c i p l et h a td i f f e r e n ts a l i n i t ys o l u t i o n sh a v e d i f f e r e n tf r e e z i n gp o i n t t h ew h o l em o d u l ei sc o n t r o l l e db yc 8 0 51f 410s o cs i n g l ec h i pp r o c e s s o r a c c o r d i n gt ot h ee l e m e n t o fs a l i n i t ym e a s u r e m e n tb yc o n d u c t a n c em e t h o d ，t om e a s u r es a l i n i t y , s a l i n i t yt e s t i n gc i r c u i ti sd e s i g n e df o r t e s tt h ec o n d u c t a n c e a f t e ra d d i n gd cb i a s ，t h ep r o p o s e dc i r c u i ti se x c i t e db ys i n g l ev o l t a g es o u r c eb u t a c t i n gl i k e 雒e x c i t e db yb i d i r e c t i o n a lp u l s ev o l t a g es o u r c e ，w h i c ha b o r t e dm i n u sv o l t a g es o u r c ea n d v o i d e de l e c t r o d ep o l a r i z a t i o ne f f e c t a st e m p e r a t u r ea f f e c t st h ec o n d u c t i v i t yo fw a t e ra n ds e q u e n t i a l l y a f f e c t st h es a l i n i t y , t oi m p r o v et h ea c c u r a c yo fm e a s u r e m e n t , t h ei n s t r u m e n ta l s om e a s u r e si n s t a n t a n e o u s t e m p e r a t u r ea n dr e m o v e so f fi t si n f l u e n c eo ns a l i n i t y t h e r e f o r e ，ac i r c u i tw a sd e s i g n e dt om e a s u r e t e m p e r a t u r eu s i n gp t l 0 0 0t h e r m o e l e c t r i cr e s i s t a n c e a f t e ri m p l y i n gc u r v ef i t t i n gt ot h es e g m e n to ft h e e x p e r i m e n t a ld a t a , t h er e s u l t sw e r ep r e s e n t e d t h em o d u l es o f t w a r eu s e st h ef r o n t b a c ks y s t e m t h es o f t w a r ed e s i g ni n c l u d e ss y s t e mc o n t r o l p r o g r a md e s i g na n df u n c t i o n a lm o d u l e s s o f t w a r ed e s i g n 1 1 1 es o f t w a r ed e v e l o p m e n tt o o l sa r es i l i c o n l a b o r a t o r i e si d ea n dk e i lc x 51l a n g u a g e t h o u g hm e a s u r e m e n t so fs t a n d a r ds a l t ys o l u t i o n s ，s a l i n i t ym o d u l ew a sc a l i b r a t e db ya d o p t i n gc u r v e f i t t i n gm e t h o da n df o u rc a l i b r a t i o nf i t t i n gf o r m u l a sw e r eo b t a i n e di nd i f f e r e n tm e a s u r e m e n ta r r a n g e t h e c a l i b r a t i o no ft e m p e r a t u r ea n dp o s s i b l ei c i n gp o i n tw a sa p p l i e dt h es a m em e t h o d a f t e ra c q u i r i n ga m e a s u r e dv a l u e ，am e t h o d ，w h i c hc a l li m p l e m e n tt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nt h r o u g hm i c r o c o m p u t e r s i n t e r p o l a t i o n , i sa d o p t e d w em a d em a n yt e s t sf o rt h em o d u l e ，a n dt h er e s u l ts h o w sg o o dp e r f o r m a n c eo ft h em o d u l e ：t h e a c c u r a c yo ft e m p e r a t u r es e n s o ri s 士1 i n 3 0 c 一7 0 c t i 舱s a l i n i t yt e s tr a n g ei sf r o m0 0 2 0 0 ， a c c u r a c yi s1 1 1 1 ep r e d i c t i n go f f r e e z i n gp o h na c c u r a c yi s 士1 i nt h ew h o l et e s i n gr a n g e k e y w o r d s ：r o a ds u r f a c es e n s o r c 8 0 5 1 f 4 1 0s i n g l ec h i pp r o c e s s o r , s a l i n i t yd e t e c t i o n ，p o s s i b l ei c i n gp o i n t ， t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n 目录 目录 摘 要一i a b s t r a c t ：i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 课题的背景和意义1 1 2 路面传感器概述1 1 2 1 路面传感器简介1 1 2 2 路面传感器产品介绍2 1 3 盐度检测概述3 1 3 1 盐度检测的研究概况3 1 3 2 盐度与结冰点5 1 3 3 盐度检测在路面传感器中应用6 1 4 本课题方案j 7 1 5 论文的主要研究工作7 第二章电极电导率法测定原理及方法9 2 1 电导概述9 2 1 1 电导与电导率9 2 1 2 影响溶液电导率大小的因素9 2 2 电解质溶液的导电机理1 0 2 3 影响电导率测量的因素l l 2 4 几种常见的电导率测量方法1 3 2 4 1 相敏检波法1 3 2 4 2 动态脉冲法1 4 2 4 3 频率法1 6 2 5 本章小结1 6 第三章盐度模块总体设计1 8 3 1 双极性脉冲电压激励测量电导原理1 8 3 2 硬件总体设计1 8 3 3 模块软件设计1 9 3 3 1 模块操作系统1 9 3 3 2 模块主程序流程2 0 3 3 3 中断服务程序2 l 3 4 盐度测量电路2 1 3 4 1 控制芯片选择2 l 3 4 2c 8 0 5 1 f 4 1 0 端口设置2 2 3 4 3 脉冲方波激励2 3 3 4 4 测量电路2 5 3 5a d 转换2 6 3 5 1a d c 的通道和精度2 6 3 5 2a d c 的速率和工作方式2 7 3 5 3a d c 的数据和控制2 7 3 6 模块外围电路设计2 8 l 目录 3 6 1 温度检测电路2 8 3 6 2 电源管理3 0 3 6 3 与上位机通信3 0 3 7 本章小结3 2 第四章数据处理与分析3 3 4 1 曲线拟合原理3 3 4 1 1 最小二乘法3 3 4 1 2 回归分析方法3 5 4 2 数据标定3 5 4 2 1 温度标定3 5 4 2 2 温度补偿3 6 4 2 3 盐度标定3 8 4 2 4 结冰点的标定4 2 4 3 测试与分析4 2 4 3 1 盐度测试4 3 4 3 2 冰点检测4 4 4 4 本章小结4 5 第五章工作总结和展望4 6 5 1 工作总结4 6 5 2 工作展望4 6 参考文献4 7 作者简介5 0 作者攻读硕士期间论文发表5 1 致谢5 2 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 第一章绪论 目前中国高速公路建设快速发展，中国2 0 0 8 年新修通高速公路6 4 3 3 公里，高速公路通车总里 程达到6 0 3 万公里，继续居世界第二位。根据交通部的规划，到2 0 2 0 年，我国将建成国家骨架公 路网，全国高速公路总里程预计将达到7 万公里 1 l 。随着交通运输业的飞速发展，天气条件对交通 运输的影响也越来越广泛。恶劣的天气条件尤其是冰冻雨水天气，可能会降低运输效率，给交通运 输带来巨大的损失，甚至威胁人们的生命财产安全。据2 0 0 5 年公安部全国交通事故统计白皮书，发 生在雨，雪，雾等不利气候引发的交通事故约占事故总数的2 2 5 6 【2 】o 我们的交通运输及公路管理 部门都非常的清楚，湿滑甚至结冰的道路路面条件，将会使道路的安全性变得非常的危险，而这些 可能带来危险的路面条件，也会给交叉路口带来严重的交通延误，甚至交通事故。因此充分的了解 道路路面状况将有助于我们积极而有效的采取管理措施，如交叉口信号的配时、冬天道路防结冰维 护人员的安排、建筑施工项目的计划，以及路面铺设工作的进行等，这一切将变得更有计划性，更 为容易! 气象对交通的影响是无法阻止的，但是了解和掌握气象的规律可以为交通运输更好的发展 提供科学决策的依据i 川。 目前西方发达国家已经为此建立气象传感系统，通常称为道路气象信息系统( r w i s ，r o a d w e a t h e ri n f o r m a t i o ns t a t i o n s ) 。r w i s 由许多部分组成，不同于一般的气象站，除提供传统的气象信 息( 风速，温度，湿度，气压等) 以外，还提供公路的路面信息( 路表温度，实时预测和检测霜， 冰和盐的出现) 。正是这些实时的路面信息给予了公路管理部门和出行者更多的便利。作为r w i s 的核心部分，路面传感器实时监测当前路面信息，监测水，冰，霜，雪的出现，和冰的形成等【4 1 。 路面作为一种新型传感器，应用前景广阔，市场需求大，但市场上销售的路面传感器都是被欧美国 家所主导，而且高昂的价格限制了其在国内大范围的推广。实现路面传感器的自主产权化，打破国 外技术对其产品的垄断，有着深刻的现实意义和经济背景。盐度检测，作为路面传感器的关键技术 之一，解决这个技术难关是实现路面传感器国有化的所要求的。 1 2 路面传感器概述 1 2 1 路面传感器简介 路面传感器，设计用于检测路面的各种参数，以进行成功的道路气象管理。具体来讲，该类传 感器检测道路表面的当前温度和可能的结冰温度以及积水、积冰的厚度，远程监控特定地点，如桥 梁、问题路段、机场、高速公路等等，能够全天候得到路面温度等一系列路面路况的报告，以便于 决策和更有效的维护运营。在危险情况多发的冬季和整年气候复杂的地区，路面状态的参数是决策 中必不可少的重要参考依据。目前西方发达国家为此建立的r w i s 由许多部分组成。埋在路面中的 路面路况传感器检测路面及地表的各种信息( 如：温度、冰雪比例，甚至氯化物的浓度比例) 。传感 器信息发送到路边的远端处理单元( r p t 0 ，进行计算、存储、发送，如数据发生明显变化，则立即 发送。一台中央服务器组织并汇总由各个r p u 来的信息，用户可查询利用系统的所有数据。系统也 可增加视频图像对天气现象进行验证确认【5 1 。路面传感器是r w i s 的重要组成部分。路面传感器的 特殊用途决定其为智能传感器，具有能够同时测量多种物理量和化学量并给出能够较全面反映物质 运动规律的信息，具备自补偿和计算功能、自检和自诊断功能、信息存储和传输、数字输出等智能 传感器的共同功能【6 j 。除此之外，路面传感器还应具备以下的功能特点： 1 准确探测路面温度和干湿状态情况； ， 东南大学硕士学位论文 2 能够采集特殊路段的状态数据； 3 能够提供预防道路结冰的重要预测数据； 4 通过一个专用接口和通讯协议组成网络，能与上位机进行通讯； 5 最大限度的减小其对交通运输的影响； 6 适合长年运行，基本免维护。 1 2 2 路面传感器产品介绍 路面传感器市场被欧美国家所主导。它们通过几十年的技术积累，已经形成了成熟的产品线。 知名产品包括：全得技术交通公司旗下的s e n s i t 主动式路面传感器和f p 2 0 0 0 被动式路面传感器，以及 l u f f t 公司的i r s 2 1 路面传感器。 s e n s i t 主动式路面传感器能够精确的检测路面状况，道路真实冰点的测量，不受路面上的化学物 质类型、混合物及浓度的影响，见下图1 1 。它采用主动元件来冷却、加热路面上的任何液体或溶液 来精确的测量并报告结冰点温度。s e n s i t 具有多个数据点采集功能，提供更精确的结冰点信息。s e n s i t 传感器可以直接获得路面冰雪融化所需要化学物质多少的信息，避免过量喷洒融雪剂，节约成本， 更重要的是减少了对环境的影响。s e n s i t 采用高强度外壳保护传感器，使其可以用专用工具非常方 便快捷的进行安装和升级与回收。这最大限度的保护了投资者的投资，由于长期无需维护，所以可 以节省长期维护的费用。s e n s i t 所采集的数据已经成功的应用于道路管理部门，并且它可以与r w l s 系统完美的结合，达到冰雪预警等目的1 7 j 。 f p 2 0 0 0 被动式路面传感器，已经有超过6 0 0 0 多套在用的成功业绩，遍布整个北美，其中有的检 测单元已经服务1 5 年以上了，为路面传感器行业开创了更高的标准! f p 2 0 0 0 拥有专利技术的温度、 电容及四点探测电极网点结构，采用独特的锯齿状容水槽，强大的收集路面潮气的能力；能够检测 路面温度、潮湿存在及类型、融雪剂浓度、结冰点温度、冰晶百分比含量、积水深度等。f p 2 0 0 0 无 可拆卸部件，不需要维护，采用经久耐用的电极，安装位置与路面齐平，使其能够多年经受重型车 辆、防滑链、扫雪机及极端温度的严峻考验。传感器可以布置在关键位置，连接线缆的长度可达1 5 0 多米。通过计算，可以获得路面冰雪融化所需要化学物质的信息，避免过量喷洒融雪剂，节约成本， 更重要的是减少了对环境的影响1 8 j 。 图1 1 s e n s i t 主动式路面传感器 l u f l t 公司出品的i r s 2 1 智能型路面信息传感器采用全被动工作方式，内嵌在路面之中，能够为 用户提供路面温度、路面积水、路面干湿情况等实时信息。同时，它也是c a m m p b e l l 道路气象站的 重要组成部分。通过r s - 4 8 5 数据接口可将i r s 2 1 接入观测系统。每一套道路气象站包含2 个i r s 2 1 。 它能够自动检测路面情况，并将所测量数据实时传输给系统控制端，方便用户对可能发生的路面变 化及时作出反应【9 1 。 2 第一章绪论 图1 2f p 2 0 0 0 被动式路面传感器( 左) 和i r s 2 1 路面传感器( 右) 1 3 盐度检测概述 1 3 1 盐度检测的研究概况 盐度检测对于工业领域非常重要，例如海洋环境的检测，季节性气候预测和海洋养殖业，工业 废水处理，特别是对于保护海洋环境和水资源检测有着广泛的应用背景和显著的实际意义【l0 1 。盐度 检测是一个复杂的主题有着渊远的历史。各种不同的方法和检测技术被不断的提出，例如：zjm i n ， jp l i 等人，提出一种使用超声波测量其在太阳池中的传播时间来达到测量太阳池中盐度的技术f 1 1 】。 a d a m o w s k i 等人通过测量超声波在有机玻璃棒和液体表面处的反射率和渡越时间来求得液体的盐 度，测量误差小于1 5 【l 到。一种化学的方法使用聚苯胺涂覆在电极上来测量盐度，测量范围达到 0 0 1 0 ot o7 5 o i l 3 】。但是，上面提到的方法还处于试验阶段，与常见的盐度测量的方法比较，无论 是测量速度，测量范围，长期性以及成本，实时性等方面都是比不过常见的盐度测量技术。最常见 的盐度测量方法有折射率法，电导率法和比重法【l4 - 。下面介绍折射率法和电导率法。 一 j1 3 1 1 折射率测量法 一 j ：- | ： 。 一 o ：f 光学折射率是物质的一种内在特性，可以根据不同盐度的溶液的折射率的差别来测量盐度。光 ：。二 ，一：学测量的手段很容易在实验室实现，而且光学的方法精度都很高，这种方法可以用于在线测量和高 + ：。精度的盐度测量。通过研究海水的盐度和折射率的关系可以总结为：1 ) 在常温下，盐度每变化l ， 。7 j 。折射率变化2 x1 0 4 。2 ) 在同一盐度下，折射率随着温度升高而升高，但是变化趋势在不同温度下 一_ 。确是不同的。在2 c 3 ，每升高一度折射率升高5 1 0 ；在2 0 附近，温度升高一度，折射率升 j 。一： j 。高l 1 矿【1 5 1 【1 6 】【1 7 】1 1 8 】。所以在测量时，为了获得更可靠的结果必须对温度的影响进行补偿。测量原 j3 。t 一理是，被测盐水浓度的改变，会引起入射光线折射角的变化，通过测量的光线折射角变化( 这一变 化几乎与盐度成正比) ，经过分析计算可以求得海水的盐度。 一 测量水槽分为两部分，一部分装有参考液体( 蒸馏水) ，另一部分就是待测的盐水，中间用一块 倾斜放置的光学透射窗隔开。这样，光线的折射角度就会随两部分液体折射率差值的变化而不同。 当光线如图i 3 所示的情况入射，那么两种液体折射率之差丹与光线偏移量d ( 相对于参考液体和 被测液体都是蒸馏水的情况) 之间存在下列关系： 血t = r t - - r l o = k ：) c o t 硼+ 丢k d 3 其中，q 为光线出射角，p 为光线入射角，七为与结构有关的常量。基于上面的原理，提出了一种 3v 东南大学硕士学位论文 一。新颖的盐度检测试验装置， 。 ： j t ： - ： 。：二：。 。 一： 0 i n c i d c n l i g h t 如图1 - 4 所示【2 0 j 。 d i s t i l l e dw a t e r s a l tw a t e r 图1 3 折射率法测量盐度原理图 4 5 。o b l i q u ep l a t 掌 li c - n ti 冀 l 图l - 4 盐度测量装置 系统采用6 3 2 8 n m 的h e - n e 激光器作为系统的光源。此外，系统还包括装有蒸馏水的参考水槽， 装有待测盐水的测量水槽，两水槽之间通过倾斜放置的光学投射窗隔开，这个光学投射窗同时对水 平入射的光线在进入待测盐水区域时产生一个入射角p 。在测量水槽装有一个直角反射棱镜，光线 经过棱镜的反射后，通过窄带滤光片投射在位置敏感器件的光敏面上，当盐度发生变化，投射到位 置敏感器件光敏面上的光斑位置也会发生变化，位置敏感器件的输出就会现行的对应这一变化，从 而实现盐度的测量。加入滤光片的目的是为了滤除大部分环境杂散光对测量的影响。直角反射棱镜 和位置敏感器件分别装在五维调节架上，在测量之前需要对光路进行调整，以使出射光线刚好投射 到位置敏感器件的光敏面的中心位置上，并且在盐度变化时光线的偏移方向沿着位置敏感器件的轴 线方向。 1 3 1 2 电导率测量法 电导率测量法的基本原理是溶液的导电能力的大小通过电导率来表示，所以溶液的浓度的变化 可以通过测量电导率的方式来检测，这也是最普遍采用的测量盐度的方法【2 l l 。几种溶液电导率与浓 度的关系如下图所示。 罨 矍。 。 a j l 图1 - 5 几种溶液电导率与浓度的关系 4 第一章绪论 电导率的测量常用的方法有电极电导率法，电磁电导率法和超声波电导率法，以前两种应用更 为普遍。电磁电导率的测型2 2 】【2 3 l 实质上是通过电磁感应方法测量溶液的电导率，通过一个线圈在液 体回路中产生感应电压，通过另一个线圈接收因感应电压而在液体回路中产生的电流。只要保持每 一个线圈的圈数恒定，根据欧姆定律，则液体回路中的电流与电导率成正比。这种测量方法由于不 使用电极，不存在电极极化问题，也不存在电极表面涂镀耐腐蚀材料和堵塞问题，可在强酸强碱， 高温高压灯恶劣的条件下使用。该方法的测量原理决定了它只能测量高电导率的溶液，测量范围窄， 而且使用该方法研制的电导率仪造价高，体积大。相对而言，电极电导率法采用的电极结构简单， 造价低廉，测量范围广，本课题盐度测量的原理就是采用电极电导率法。 电极电导率法根据电解导电原理，采用电阻测量法间接测量电导率1 2 4 1 。电导测量电极在测量过 程中表现为一个复杂的电化学系统，存在着一些测量的特殊性，表现为： ( 1 ) 极化现象【2 5 1 。测量电解质溶液电导与测量金属电阻不同，一般不使用直流电源，因为若 用直流电源进行测量，电极会发生极化现象，严重影响测量精度。极化现象可分为化学极化和浓差 极化两种，分别介绍如下： 化学极化的产生是由于电解产生物在电极和溶液之间造成一个电势，其方向与# l - 力n 电势相反， 使得电极间的电流减少，等效的溶液电阻增加，结果产生了误差。 浓差极化的产生是由于主体溶液在没有搅拌或搅拌不匀的情况下，由于电化学反应，使得电极 表面离子浓度降低，而主体溶液的离子又来不及迁移至电极上，造成极差电位。浓差极化的存在也 影响测量精度。 ( 2 ) 寄生电容【2 6 】【2 7 l 。当交流电通过电极和溶液时，除呈现电阻外，还呈现电容。其中，电极 和溶液接触处的两层电荷之间的电容与溶液电阻相串联，形成静电容：此外，因电荷的相互迁移及 电荷对于电极的迁移所形成的电容，与溶液电阻相并联，形成电解质电容。电极引线分布电容可以 并入电解质电容一起考虑。电容的存在不仅改变了两个极片间的电阻值，还会造成相移，引起误差。 ( 3 ) 温度对测量的影响。温度直接影响溶液中电解质的电离度，溶解度，离子迁移速度，溶液 的粘度和溶液的膨胀等，从而影响了溶液电导率的准确测量。 目前，国内外电极电导测量方法有很多种，按电极在测量电路中的位置可以分为四种t 2 9 ) d 9 3 0 l ： ( 1 ) 电桥法。这使电极作为电桥的一臂。这种方法常用于高要求的实验室分析。( 2 ) 电流法。电极 一般在运放的输入端，激励源在电极中产生一正比于被测电导率的电流，该电流经标准采样电阻产 生于电导率的交流电压，再经放大，整流，滤波将交变电压转换成正比于电导率的直流电压。( 3 ) 分压法。电极与分压电阻相串联，从电极两侧或电阻两侧取电压。分压电阻分档可调，后接放大， 检波和滤波电路，这是一种相当成熟且应用广泛的测量方法。( 4 ) 频率法。用电阻- 频率变换电路， 或用时基电路与电导电极传感器构成多谐振荡电路将电导率转化频率信号，电极作为振荡电路的一 部分。这种方法提供了高精度远距离的传输方式，且结构简单，成本低，易做成便携式电导仪。 由于温度影响电导率的准确测量，因此电导检测应采取合理的温度补偿措施，这方面也是国内 外学者研究的重点之一，已商品化的仪器温度补偿方法主要有以下三种 3 j 3 2 j ： ( 1 ) 恒温法。将被测溶液的温度预先恒温到基准温度条件下再进行测量。但恒温法需要价格昂 贵的精密恒温装置，条件也很难控制，所以在现场很少被采用。 ( 2 ) 手动温度补偿法。如日本的c m 5 b 型电导仪，上海雷磁仪器厂的d d s - 3 0 4 型电导仪。这 种方法需先测出水温，溶液温度系数只考虑为0 0 2 ，误差较大。 ( 3 ) 自动温度补偿法。包括热敏电阻温度补偿法，参比法和逐点逼近温度补偿法。 1 3 2 盐度与结冰点 盐度是指单位体积中所含盐分的数量，海水的凝固点低于淡水，并且随着盐度的增加而降低。 水加了盐，冰点温度可以降到零度以下，在一定的范围盐度内，随加盐量的增加，盐水的温度可以 降到更低的温度才会结冰，但是在到达某个盐度后，随盐度增加，盐水的结冰温度反而升高。常用 的盐水主要有氯化钠水溶液和氯化钙水溶 液【3 3 1 。冰点( f r e e z i n gp o i n t ) 定义为物质由液体转化为固 5 东南大学硕士学位论文 体时的温度，也称凝固点和结冰点，会受到外界条件的影响( 如大气压) 。表1 1 t 3 4 1 是实测的不同浓 度的食盐水溶液的冰点。 表1 1 是实测的不同浓度的食盐水溶液的不同冰点 盐水的性质与溶液中含盐量的多少有关。盐水的冰点取决于盐水的浓度。图1 - 6 中的曲线表示 盐水溶液的结冰点与浓度的关系。 质量分敦 图1 - 6 盐水溶液的结冰点与浓度的关系 盐水的结冰点和质量分数的关系可用图1 - 6 中的冻结曲线m b e 表示。图中a 点表示温度为 1 0 、质量分数为1 5 的c a c l 2 盐水溶液，如将其冷却，则在温度达到质量分数为1 5 时的冻结点 一1 0 6 c 前，其质量分数不变，仅是温度降低，只有达到冻结点b 后才开始冻结。这时冻结的是盐水中的 水，一部分水结冰析出，而c a c l 2 仍保留在有冰析出的液体状态的盐水中。因此，剩下的盐水浓度 变大，盐水的冻结点下降。以后从b 点再继续冷却，仍可析出冰，浓度再进一步增加，同时温度也进一步 下降，其变化可由曲线b c e 表示。图1 6 中冻结点曲线和饱和溶液质量分数曲线在图中e 点处汇合。 当盐水被冷却达到e 点时，冰的结晶与盐的结晶一起析出集聚在一起，这个e 点叫做共晶点，其温度 叫做共晶温度。从图1 - 6 中可以看出，1 5 的氯化钙盐水的共晶点是5 5 。c 。盐度和冰点相对应，冰点 的检测可以归结到盐度的检测，盐度检测完成后，可以根据检测到的盐度值，推测相应的冰点。 1 3 3 盐度检测在路面传感器中应用 根据道路交通气象环境路面状况检测器征求意见稿中明文规定，路面状况检测器至少能检 测八种路面气象状态中有两种状况：路面微湿且有除冰剂，路面潮湿且有除冰剂。意见稿还规定路 面状况检测器应至少能进行测量量检测中包括：除冰剂检测，冰点。目前国内使用的氯盐类融雪剂 一 6 p 】玛霉 第一章绪论 ( 氯化钠、氯化钙、氯化镁等) 和工业盐同属一个氯盐家族，在国外通称作“化冰盐”。国外使用最 早、用量最大的是氯化钠。由于实际中大量使用的是氯化钠为主要成分的除冰剂，所以我们把对于 除冰剂的检测称为盐度检测。从征求意见稿中可以发现，盐度检测在路面传感器中功能有两个：除 冰剂检测和结冰点的检测。这也是路面传感器区别于传统气象传感器的主要区别之一。 1 4 本课题方案 使用成熟的电导测量盐度技术，有精确度高、速度快、计算密度可靠和便于现场测量等优点。 首先通过硬件电路检测电导率和温度值，通过软件补偿和计算获得盐度值，再通过盐度值推得可能 的结冰点温度。系统检测方案如下图： 1 5 论文的主要研究工作 图1 7 系统检测方案 在比较国内外常用盐度检测技术的基础上，结合路面传感器的特殊应用要求，选定使用电极电 导率测量盐度的方法，并对传统的交流激励的电导率测量方法所面临的问题进行了分析并改进，本 文研发了一种基于类似双极性脉冲激励方法的盐度检测模块。它内部有完整的电源模块，通信模块， 盐度检测模块，温度检测模块，数据采集和控制模块，这些都可以无缝集成到路面传感器系统中去。 该模块完成了路面传感器中盐度检测及预测结冰点的任务，测量盐度范围达到0 0 o - 2 0 。通过盐度 值，推算得到可能结冰点。为实现路面传感器的自主研发提供了有利的技术支撑。 一 论文的主要内容如下： ” 第一章绪论。主要介绍了路面传感器概念，研制路面传感器的重要意义以及简单介绍了国外成 熟的路面传感器产品；简述了国内外盐度检测技术研究概况；介绍了盐度检测技术在路面传感器中 的应用。 第二章电极电导率法。介绍了使用电极电导率法测量盐度中关于电导的一些基本概念和电解质 影响电导率大小的因素。通过对电解质溶液导电机理的阐述，进一步对传统溶液电导测量系统采用 交流激励时，所面临的问题做了详尽分析。对常用的几种电导率方法，从原理和特点分析，讨论了 各自的优势和不足。 第三章盐度模块总体设计。介绍了模块硬件的总体设计，模块软件设计。盐度测量电路采用特 殊的电压