（检测技术与自动化装置专业论文）微弱电容电导检测技术在过程工业中的应用.pdf

浙江人学硕士学位论文 摘要 过程工业中存在大量参数需要测量，但是往往很多信号比较微弱，难以用传 统测量方法直接获得，这就需要研究微弱信号检测技术。因为很多参数的测量可 以通过检测相应的电容或电导值来间接实现，所以研究微弱电容电导检测技术 在过程工业中的应用具有重要意义。 本文对微弱信号检测技术进行了研究，并尝试将微弱电容电导检测技术应 用于过程工业中。主要工作如下： 1 基于电荷转移法的测量原理，研制了一套微弱电容测量系统。该系统能 有效抑制杂散电容对测量结果的影响，而且电路实现方式简单。开关控制信号由 专门的电路产生；时序控制完全通过硬件电路实现，不需要软件参与：测量电路 可直接输出与电容值相对应的电压值；而且通过跳线可实现选频，以满足不同应 用场合对于测量频率的要求。本文将电容测量技术应用于雷公藤多苷柱层析工 段，对溶液的电容值和雷公藤内酯醇及雷公藤内酯二醇含量之间的关系进行了分 析，采用电容测量结果来指示溶液中雷公藤内酯醇及雷公藤内酯二醇的含量，实 现了雷公藤多苷柱层析工段的在线监控。设计的电容在线检测系统能够准确地指 导前段的结束，有效地控制雷公藤内酯醇在多苷中的含量，并使得中段可以提前 4 6 小时开始，从而把雷公藤多苷的收率从原来的2 7 5 提高到约2 8 5 。 2 研究了基于双极性脉冲电流激励原理的微弱电导测量技术。该方法由于 激励源正负周期电平幅值相等，极性相反，避免了采用直流激励时易产生的电极 极化现象。又由于在激励的任一半个周期内，电极可以看作受到直流信号的激励， 检测电极上直接输出直流信号，省去了传统交流激励方式中复杂费时的信号处理 环节，可以满足某些对于实时性要求较高的应用场合。该测量技术采用四电极测 量方式，既可以测量溶液的单点电导率，又可以通过改进传感器，实现溶液多点 电导率的测量。本文将该测量技术应用于1 6 电极的电阻层析成像系统，在不同 电极对上依次施加双极性脉冲电流，然后测量其它电极对上的电压信号，采用合 适的图像重建算法获得了反映被测介质分布的截面图像。实验表明，基于该原理 的e r t 技术是可行有效的。在1 1 5 2 k b p s 的波特率下，系统实时成像的速度大 约为每秒2 0 幅；若不进行实时成像，数据采集速度大约为每秒8 0 幅。同时电荷 释放电路的引入提高了系统的稳定性和分辨率。 关键词：微弱信号检测，电容，电导，电荷转移法，双极性脉冲电流 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r ea r el a r 2 en u m b e r so fp a r 锄c t e r sw h i c hs h o u l db em e a s u r e di np m c e s s i n d u s t r i e s h o w e v e r ，t h er e l a t e ds i g n a l sa r eo f t e nt o ow e a kt ob em e a s u r e db v c o n v e n t i o n a lm e t l l o d s t h e r e f o r e ，t h es t u d yo nt l l ew e a ks i 譬i l a lm e a s u r e m e m t e c l h l 0 1 0 9 yb e c o m e si n c r e a s i n 9 1 yp o p u l 孔a sm a i l yp a r a m e t e r sc a i l b eo b t a i n e d i i l d i r e c t l yb ym e a s 晡n gt 1 1 e i rc o i t e s p o i l d i n gc 印a c “a n c eo rc o n d u c 协n c ev a l u e ，t o s t u d y w e a kc a p a c i t a 】eo rc o n d u c t a n c em e a s u r c m e n t t e c l l i l i q u e s i so ff e a t s i 髓m c a n c e t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sa t t e m p t st op r o p o s ea p p l i c a t i o n so fw e a kc a p a c i t a l l c e a 1 1 dc o n d u c t a l l c em e a s l l r e m e n tt e c 蜥q u e si 1 1p r o c e s si n d u 嘶e s t h em a i nw o r k sa r e s h o w na sf o l l o w s ： 1 aw e a kc a p a c i t a i l c em e a s u r e m e ms y s t e mb a s e do nt l l ep r i n c i p l eo fc h a r g e 仃趴s f c rh a sb e e nb u i h ni ss n 。a y - i m m l l i l ea 1 1 ds i m p l e t h es i g n a l s ，w h j c ha r eu s e dt o c o n t r 0 1 协es w i t c h e so f t l l ec h a j 翟e 订趾s f e rc i r c u i t ，a r ep r o d u c e db yas p e c i f i e dc i r c u j t a n dt l l ec o n h d lt i m i n gi si m p l c m e r l t e dt o t a l l yb yh a r d w a r ea n dn os o f t w a r ei sn e e d e d t h ev o l t a g ev a l u er e l a t e dt oi t sc a p a c i t a i l c ev a l u ec a nb eo u t p md i r e c u yb yt 1 1 e m e a 账m e n tc i r c u i t i na d d i t i o n ，d i 腑r e n tf k q u e n c i e sc a nb es e l e c t c db ys w i t c h e si n o r d e rt om e e tr e q u i r e m e n t so fd i r e n ta p p l i c a t i o n s h e r e ，t h em e a s u r e m e n ts y s t e m p r o p o s e di sa i ) p l i e dt o 协ec o l u m nc 1 1 r o m a t o g r a p h yp r o c e s so f 丹驴把哆罾mw 帕瑚f m u l t i g l y c o s i d e e x p e r i m e m a lr c s l l l t ss h a wt 1 1 a t 廿1 e r ei sc e r t a i nr e l a t i o n s h i pb c t w e e n t 1 1 ec a p a c i t a i l c ev a l u eo ft 1 1 em e a s u r e ds o l 埘o na n d 恤ec o n c e n 廿a t i o no f 埘p t o l i d eo r 埘p d i 0 1 i d e ，s oi ti sp o s s i b l e 恤tt l l ep r o c e s sc a nb em o n i t o r e do n - l i n eb ya i l a l y z i n gt l e m e a s u r e dca 1 口a c i t a n c ev a l u e s p m c t i c a lr e s u l t ss h o wn l a tt l l ec o n c e 时a t i o no f 埘p t o l i d ei sc o n t r 0 1 1 e de a e c t i v e ly ，a i l dt h ep r o d u c to f t r i p d i o l i d ei si n c r e a s e dt o2 8 5 f 而m2 7 5 2 s t u d yo fm e a s 谢n gw e a l ( c o n d u c t a l l c eb a s e do n t h ep r i n c i p l eo ft 1 1 e b i - d i r e c t i o n a lc u r r e n tp u l s et e c l l l l i q u ei sc 删e do u t t h ee x c i t a t i o ns o u r c ei ss i m i l a rt o as q u a r ew a v es i g n a l d u r i n ge a c hh a l fc y c l e ，m em a g i l i t u d eo f 也es i 弘a li st 1 1 es a l t l e w h i l et l l ep o l a r i t yi so p p o s 沁s op o l a r i z a t i o ne f r e c t so nt l l ee l e c 仃o d e sa r ee l i m i n a t e d m o r e o v e r ，“v ee l e c t r o d e ss e e mt ob ee x c i t e db yd i r c c tc u r r e m ( d c ) i ne a c hh a l f c y c l e 锄dd cv o l t a g es i g m lc a l lb em e a s u r e dd i r e c t l yo nt 1 1 es c n s ee l e c t r o d e s s on o c o m p l i c a f e da n dt i 埘l c c o n s u m i n gs i g n a lc o n d i t i o n i n gc i r c u i t s ，s u c ha sf i l t e r s ，a r e n e e d e d ，a n di tc a nb eu s e df o rh i g l l s p e e dm e a s u r e m e n t s t h i st e c h n i q u ea d o p t sf o u r e l e c 仃d d e s i tc a l lb eu s e dt om e a s u r en o to n l yt l l ec o n d u c t i v i t yo fo n ec e n a i np o i n t 。 b u ta l s ot h o s eo fm u l t i p l ep o i n t s h e r e ，t h et e c l l l l i q u em e n d o n e da b o v ei sa p p l i e dt o t 1 es t u d yo fa ne l e c m c a lr e s i s t a n c et o m o g r a p h y ( e r t ) s y s t e mw i t ha1 6 一e l e c t r o d e s e n s o le i 盯 t e c h n i q u ep r o d u c e s c r o s s s e c t i o n a ls l i c e i m a g e sd e p i c t i n gs p a t i a l v 碰a t i o n si nc o n d u c t i v i t yb a s e do ns e t so fb o u n d a r ym e a s u r e m e m s e x p e r i m e n 诅j r e s u l t ss h o wt h a te r rt e c h n i q u eb a s e do nm ep r i n c i p l ep m p o s e di se h b c t i v e t b s t s s h o wt h a tt h eo n l i n ei m a g i n gs p e e dc a nb e2 0f r a r n e sp e rs e c o n dw “l et h eo m l i n e i i 浙江大学硕士学位论文 摘要 第一章绪论 本章主要介绍了微弱信号检测技术的相关知识和微弱电容电导 检测技术的研究意义，最后介绍了本文的主要工作和意义。 本章主要内容 微弱信号检测技术简介 微弱电容电导检测技术的研究意义 本文的主要工作和意义 浙江人学硕上学位论文 1 1 微弱信号检测技术简介 微弱信号检测技术运用近年来迅速发展起来的电子学、信息论和物理学方 法，分析噪声产生的原因和规律，采用一系列信号处理方法，达到检测被背景噪 声覆盖的微弱信号的目的【l 卫】。目前，微弱信号检测方法已经在物理、化学、生 物医学、地质、磁学等领域得到广泛应用l 】j 。 研究微弱信号检测的原理及方法，可以测量传统观念认为不能测量的微弱量 ( 例如：小电容、微电导、微电流、弱光、小位移、微振动、微温差、弱磁、弱 声等) ，使微弱信号测量精度得到很大的提高。因此，它是发展高新技术、探索 及发现新的自然规律的重要手段，对推动科技及生产发展均有重要应用价值。 微弱信号检测技术研究被测信号的特点与相关性，检测被噪声淹没的微弱有 用信号。微弱信号检测的宗旨是研究如何从噪声中提取有用信号的问题。所谓“有 用信号”就是能传递信息的物理量。如电信号的振幅、相位、频率、波形；光学 信号的光强、波长；力学中的位移、压力、流速；溶液中的成分浓度、介质分布 等等。在实际测量时，常采用不同的传感器把非电量的物理量、化学量或生物量 变换成模拟电信号再进行测量【2 】。 所谓“微弱信号”，一方面指有用信号的幅度相对于噪声或背景显得很微弱， 甚至于完全被噪声或背景淹没，如用电容法分析中药溶液某成分的浓度时，电容 变化非常缓慢，用普通方法测量几乎不变；另一方面指有用信号的幅度绝对值极 小，如在过程工业中有时需要检测p f 、f f 级的微弱电容值。因此，微弱信号检 测的原理、方法和仪器已成为现代科学研究不可或缺的理论和手段。研究微弱信 号检测技术，对提高检测信号的灵敏度具有重大意义1 2 j 。 噪声中微弱信号的检测方法包括：噪声中信号波形的恢复，噪声中信号判决， 噪声中信号参量估计，以及噪声中信号功率谱估计等川。 常用的微弱信号检测仪器有：低噪声放大器，锁定放大器，取样积分器，光 子计数器和光学多道分析仪等u j 。 1 2 微弱电容、电导检测技术的研究意义 物质的某些物理或化学特性往往与电量信号有着紧密联系，例如溶液中某种 成分的浓度与电容或电导存在一定的对应关系。当物质的特性发生变化时，与它 相关的电信号也会发生变化。因此，可以根据这种电量与非电量之间的关系进行 测量，获得期望的非电量信号，如通过测量电导率获得水的纯度；通过检测中药 溶液的电容值，获得与之对应的某种成分的浓度信息，以实现中药生产过程的实 浙扛大学硕士学位论文 摘要 第二章文献综述 本章主要介绍了有关电容、电导的基本知识，分析比较了多种基 于不同工作原理的电容、电导测量方法，并指出了微弱电容、电导测 量存在的问题。 本章主要内容 电容基本知识概述及其测量方法介绍 电导基本知识概述及其测量方法介绍 微弱电容、电导测量存在的问题 浙江人学硕上学位论文 2 1 电容基本知识概述及其测量方法介绍 2 1 1 电容基本知识概述 电容的物理意义是使导体每升高单位电势所必需给予的电量4 ，5 1 。孤立导体 电容的大小，反映了该导体在给定电势的条件下储存电量的能力。式2 1 给出了 电容的定义1 4 ，5 】： n c = 詈 ( 2 1 ) u 电容的单位为库仑伏特( c v ) ，称为法拉( f ) 。法拉是非常大的单位，所 以实际使用中经常用到微法( uf ) 或皮法( p f ) 等单位h ，5 1 ，其换算关系为 l u f = 1 0 6 f 1 p f = 1 0 - 1 2 f 影响电容的因素有导体的面积、导体间的距离和导体问的介电常数。以平 行板电容器为例，具体有以下关系【5 j ： 1 电容值正比于电极板的面积； 2 电容值反比于电极板间的距离； 3 电容值依赖于电极板间绝缘介质的介电常数。 任何两个绝缘的导体之间都存在电容，例如仪器设备中的接线、元件和机壳 等相互间有电容，输电线之间或输电线与地之间也有电容，这种电容称为分布电 容。分布电容一般比较小，在通常情况下可以略去不计【4 1 。但是在测量微弱电容 时，分布电容往往要比有用的待测电容大很多，所以要尽可能消除分布电容对于 微弱电容测量的影响。 2 1 2 电容测量方法介绍 电容检测技术在工业中应用已有几十年了，现已研制出许多基于不同原理的 传感检测系统以满足不同领域的应用要求i “。 1 交流法测电容 交流法的原理如图2 1 所利6 ，7 ，8 1 。 图中c 。为被测电容，c 。和c b 。为电极与地之间的杂散电容，v 。( t ) 为施加的 正弦激励信号。理想状况下输出v 。( t ) 可表示为式2 2 ： 哪) - - 豢等w ) ( 2 2 ) 6 浙江大学硕+ 学位论文 其中，m 为激励电压v i 的角频率。当r f 足够大使得l ，葩，q 1 1 时，式2 2 可简化为式2 3 ： 哪) - _ 导呻) ( 2 3 ) 即输出电压的幅度正比于c 。，但是这样做的后果是使得运算放大器构成的 电路过渡时间增加，从而降低了测量速度。 、( o牛 c 睢l 口 图2 1 交流法电路原理图 因此也有人提出令i ，出c ，r ，l 7 ，此时输出则为式2 4 ： 圪0 ) = 一，m c ，五r k ( f ) ( 2 4 ) 此时输出电压仍正比于c 。，而且可以减小电路的过渡时间，提高了测量速 度。但是输出比较容易受激励源频率变化的影响，因此需要频率稳定的激励源。 如图2 1 所示的电路中，c 。与激励信号v 。( t ) 并联，它的存在并不产生通过 c ；流向运放的电流，对输出的影响可以忽略不计；c b 。与运放的反向端相连，始 终处于虚地状态，它的存在也不会对输出产生影响。所以该电路可抑制杂散电 容的干扰。 基于交流法的电容测量电路分辨率高，并且由于其信号放大为交流放大， 因而可以有效抑制直流漂移的发生。但系统结构复杂，成本高，高频激励信号 产生较为困难，难以适用于有较高激励频率要求的场合，9 1 。 2 有源差分法 基于有源差分原理的电容电压转换电路，如图2 ，2 所示f 6 ，1 0 l 。 图 玎了 浙江大学碗士学位论文 a 一l 昌 卜邑_ l 占一 r 。一 一 o 口卜i = 一 | 一 尚叭i 舞i 一八lh 1 可八v 。 丫 。 7 0 2h 主r 1 7 寺 寺o p l寺o p 2 宁c 3o p 3o p lo p 2 l 3 o p 3 图2 2 有源差分原理图 被测电容为c 。，o p l 及其外围电路构成了激励源。当输入为方波信号时，信 号发生跳变，激励源会输出斜率近似为定值的信号，上升时间由r 2 c l 决定，其 输出产生对c ) 【的充电电流为： ，：c 当( 2 5 ) y 0 p 2 的输出为： 忙一e 等马 ( 2 6 ) 在a 点信号的上升沿和下降沿，v 0 2 输出正好相反。这两个相反的电压分别 存于c 2 和c 3 中，由o p 3 得到： = _ 2 e 等玛 ( 2 7 ) 即得到与c 。成正比的电压。 该电路的特点主要有f 6 ，1o 】： 1 高速度。在整个电容测量过程中，只需经历两次充放电过程，时间极短， 而其他测量电路( 例如交流法) 需要经历多次充放电过程输出电压才能 达到稳定。 2 低噪声。该电路中无电子开关与c ；相连，不会因为电子开关的切换产 生噪声( 这是限制许多电容测量电路的重要因素) ，因而噪声水平较低。 3 但是该电路没能完全消除杂散电容的影响。 3 差分采样法 差分采样法其电路结构如图2 3 所示”。图中c ；为被测电容，c 。和c b 。 为杂散电容。与交流法测电容一样，该电路也具有抑制杂散电容影响的能力。 c 。与v i 并联，它的存在并不产生通过c ；流向运放的电流；c b 。与运放的反向端 相连，始终处于虚地状态，它的存在也不会对输出产生影响。 浙江大学硕士学位论文 图2 t 3 差分采样法电路原理图 图2 3 中u 1 为运算放大器，s 2 、c h l 和u 2 ，s 3 、c i l 2 和u 3 分别构成两个采样 保持器，u 4 是差分放大器。 v i s l 龟 v l v 2 v j l ：s w i t c hc l o s e d 0 ：s 蛹t c h o p 朗 图2 4 差分采样法时序图 开始时，s l ，s 2 ，s 3 均处于闭合状态，v 1 电压为零；t l 时刻s l 断开，v 1 在理 想情况下会继续保持电压为零，但是由于电荷注入效应，会有q 。的电量注入c f ， 从而使v l 逐渐变成负值v l ；t 2 时刻u l 输出稳定，u 3 的输出电压v 3 等于v l ， 此时s 3 断开，v 3 被保持；在t 3 时刻v i 变为低电平，此时c ；左侧极板上的电荷 为： q = 巧c j( 2 8 ) u l 的输出为： = k 一芋 t 4 时刻，u 1 输出稳定后，将s 2 断开，v 2 被保持，u 4 的输出为： k ：一屹：竺篮 v ， 即得到与被测电容成正比的电压信号。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 浙江大学硕士学位论文 该电路在一个周期内只需充放电一次就可以完成对电容的测量，且不产生脉 动噪声，不需要滤波器，大大提高了数据采集速率。但是对于开关时序控制要求 较高，实现较为困难。 2 2 电导基本知识概述及其测量方法介绍 2 2 1 电导基本知识概述 物质按照其在电场作用下导电与否可分为导体、半导体和绝缘体。导体又可 按导电方式分为两大类。第类导体依靠自由电子在电场作用下作定向运动而导 电，故称之为电子型导体；第二类导体则依靠离子的定向移动而导电，故称之为 离子型导体。在工程技术上，通常用电阻来衡量第一类导体的导电能力，用电导 来衡量第二类导体的导电能力【1 2 - 1 6 】。本文主要研究第二类导体的测量技术，常见 的离子型导体为各种电解质溶液。 当电流通过任何一种导体时，都会受到阻力的作用。对于第二类导体，我们 用电导和电导率来表示这个阻力的大小。原因在于：电子型导体的电阻温度系数 一般是正的，而离子型导体的电阻温度系数一般是负的。当采用电阻的倒数即电 导来表示离子型导体的导电能力时，电导的温度系数也是正的，给实际应用带来 很多方便【1 2 - ”j 。 导体的电阻可表示为： r = p 丢 ( 2 1 1 ) 式中，为导体的有效长度；爿为导体的截面积；p 为电阻率；r 为电阻 i 5 ，l6 1 。 式2 1 1 不仅适用于金属导体，对于溶液在交变电场下也是同样适用的。因 为电导是电阻的倒数，所以电导可以定义为： g = 去= 丢孚= 盯孚 c z ，z ， r 口， 式中g 为电导，单位为西门子( s ) ；爿为导体的有效横截面积：盯为电导 率旧。 影晌电导测量的主要因素【1 4 l ： 1 激励电源的问题。在电导测量方法中，电源不能使用直流。因为直流电 源会引起溶质在电极上发生电解，引起一系列的极化作用，从而使溶液 浙江大学硕十学位论文 的实际电阻发生变化，影响测量精度。 2 电容的影响。因为溶液的电导测量是两个电极加上电压之后，测量两个 极片间的电阻。但是由于外加电压是交流，整个电极系统实际上是一个 比较复杂的电阻与电容串、并联的结构，如图2 5 所示。 ( a ) 电导池 z 1z 2 ( b ) 等效电路 图2 5 电导池的等效电路 图中存在三个电容，其中c d l i 和c d l 2 是由电极表面与溶液间的双电层 形成的，所以称之为双电层电容，与溶液的电阻r x 串联。电解质电容 c 。是在流过溶液的电流变化时，由于电荷的相互位移和电荷相对于电 极的位移形成的。它与电阻r x 并联。r l l 和r l 2 是电极极片的引线电阻， z l 和z 2 是由于极化作用引起的法拉第阻抗 1 2 _ 1 5 ，1 7 1 9 j 。电导池的实际阻 抗可表示为： z = 月一去 ( 2 1 3 ) 式中r 为各个电阻之和，c 为回路中的总电容值，为电源的频率。由 于电容的存在，不仅改变了两个极片间的电阻值，而且会造成相移，严 重地影响测量结果。一般r l l 和r l 2 比较小，在使用交流激励源时，z ， 和z 2 也不大，关键是电容的影响。由式2 1 3 知激励频率愈高，则电容 项的影响愈小，电路的特性基本反映溶液的电阻r x 。但是频率过高会 给仪器的制造、安装、调整以及使用带来困难。 3 温度的影响。溶液的导电借助离子的运动。当温度升高时，离子运动更 为自由，离子能量也会加大，所以电导会随温度升高而迅速加大，严重 影响电导的测量。 2 2 2 电导测量方法介绍 目前存在的电导测量方法有电桥法、分压法、运放法、脉冲法、电磁法、频 率法和相敏检波法等。这些方法对于解决电导测量中的极化效应、电容效应各有 特点，本节将介绍这些方法的工作原理，并对它们进行比较和总结陋1 6 ，2 0 。2 6 1 。 浙江人学硕士学位论文 1 电桥测量法 电桥是测量电阻的一种最基本的也是精度较高的一种方法。根据读取测量结 果时桥路所处的状态不同，又分为平衡电桥测量法和不平衡电桥测量法1 1 4 ，1 6 】。 ( 1 ) 图2 6 是平衡电桥测量法的原理图。被测电阻r x 作为电桥的一个桥臂， r l 、r 2 及r 3 则分别是电桥的其它三个桥臂。r 2 及r 3 是一个滑线电阻通 过中间触点a 分成的。当电桥处于平衡状态时，检流计指示为零。当r x 发生变化时，电桥失去平衡，检流计就会有电流流过，指示不为零。此 时，调整a 的位置，改变r 3 和r 2 的比值，使电桥恢复平衡。从电桥的 平衡关系可以得到： p b = 詈蜀 ( 2 1 4 ) 如 因为r l 是固定的，r 3 ，r 2 可根据触点a 的位置计算，所以由式2 1 4 可以 确定被测电阻r x 。 平衡电桥测量法的特点是对电源要求不高，即电源的波动对测量没有影 响，测量结果比较精确。在实际应用中，一般把不平衡信号送给电子自 动平衡电桥，通过它的可逆马达推动a 运动自动找平衡点，而不用检流 计，但是配备电子自动平衡仪表造价较高。 u 图2 6 平衡电桥测量法原理图 ( 2 ) 图2 7 是不平衡电桥测量法的原理图。被测电阻r 。与r 4 并联构成电桥 的一个桥臂，r l 、r 2 和r 3 为另外三个桥臂。当r x 趋向于无穷大时，r 4 和r l 、r 2 及r 3 为正好使电桥处于平衡。一旦r x 不为无穷大，电桥就失 去平衡。不平衡信号通过桥式整流器整流后直接送入指示仪表显示测量 结果。r x 与心并联是为了便于调整零点。 这种测量方法比较简单，但要求电源稳定，电源的任何波动都将影响测 浙江大学硕上学位论文 量结果。 桥式整流器 仪表 图2 7 小半衡电桥测量法原理图 2 分压法 用交流电压作用于电导池，可以将电导池视为一个纯电阻霞，用一个分压电 阻r ，与之串联，并接入交流激励源e 构成分压式的电导测量电路，如图2 8 所示 【1 2 _ 1 4 ，。分压电阻尼上的电压降可以表示为： 虬= 志e ( 2 1 5 ) 当r 足时，则有： u = 等e = 咄e ( 2 “) e 图2 8 分压测量法原理图 e 和足均为己知常数，所以分压电阻上的压降和被测电导成正比。由于忽 略了分母部分的胄，实际测量结果存在一定的误差，一般要求r ，小于r 最低值 的l 2 0 0 。 浙江人学硕士学位论文 3 运放法 图2 9 所示为运放式电导测量法的工作原理【1 2 ，3 1 。e 为交流信号源，r 为充 满被测液体的电导池的等效阻抗，r f 为标准电导池的等效阻抗。采用交流正弦 信号激励，通过对k 放大、整流、滤波后，得到反映被测含液物系电导的直流 信号。运放式电导测量电路在量程范围内线性度较好，输出信号的幅值与被测电 导成正比： = 一等e = 一砟e g ( 2 1 7 ) 上式是理想情况下得到的结果，具体设计电路时要选择合适的运算放大器， 考虑运算放大器的开环增益、输入阻抗和通带带宽等因素。因为采用交流激励， 应注意引线电容等造成的阻抗变化。 r r e 图2 9 运放式电导测量法原理图 另外也有采用双极性脉冲电压源代替该电路中的交流激励源的测量方法，如 图2 1 0 所示例。 e r 图2 1 0 采用双极性脉冲电压技术的运放式电导测量原理图 图2 1 0 中正、负恒压源e 1 、e 2 幅值均为e ，通过模拟开关s 的切换 产生所需的双极性脉冲电压。g 。是被测介质的等效电导，与量程电阻r 和运算放大器u 构成电导电压转换电路。 系统采用差动测量方式，即在一个激励周期内，进行两次测量，并将 两次测量结果的差值作为一个测量数据，这可以消除直流系统中低频噪声 的影响，最终测得的电压信号为： = 一2 e r g 。 ( 2 1 8 ) 浙江人学硕j 学位论文 其中v 。可以看作是单向脉冲电压激励时测量结果的两倍。 4 电磁法 电磁式电导测量实质是通过电磁感应方法测量溶液回路导电能力，图2 1 l 是 它的原理示意图1 6 ，2 t 2 6 1 。 激鼍缝瓣 惑馥线簟 图2 1 l 电磁式电导测量原理图 如图所示，它主要由两个环形变压器励磁变压器t l 和检测变压器t 2 以 及液体回路d 三部分组成。两个变压器t l 和t 2 由一个液体闭合回路藕合起来。 在t l 的原边绕组( w l 匝) 通以交流电，设电压为，由于电磁感应，在溶液回 路d 的w 5 上就产生一感应电压地，其值为： ：乳 ( 2 1 9 ) 2 访 ( 2 1 9 ) 式中w 5 是溶液回路在t 1 上的匝数。 故回路中的感应电流为： ，：黑 o ) 足 、 式中足为溶液回路的等效电阻。 j 在检测变压器t 2 的w 6 上产生的励磁安匝数为 轩筹 “ 足1 式中w s 是溶液回路在t 2 上的匝数。 在检测变压器副边( 其匝数为w 2 ) 产生的电压与4 。成比例。 则w 2 上的电压为： 铲2 器铲华q ( 2 2 1 ) 设比例系数为k ( 2 2 2 ) 浙江大学硕士学位论文 k 是与变压器结构有关的常数。由式2 2 2 知，k 、w 5 、w 6 、w l 和电源电压地都 是已知常数，所以检测变压器的副边电压输出与溶液电导成正比。 电磁式电导测量方法利用电磁感应的原理来测量溶液电导，感应元件不直 接与溶液接触，属于非接触式测量，不存在污损和极化现象，因此它的精度比较 高，稳定性也比较好。但是温度对于测量结果同样存在严重的影响，而且这种方 法仅适用于高浓度溶液的测量。 5 频率法 频率法的设计思路是将溶液电导作为振荡电路的一部分，振荡电路所产生的 振荡信号频率随着溶液的电导率变化而变化，从而通过测量振荡信号的频率确定 被测溶液的电导值。 该方法直接把溶液电导转换为振荡信号的频率，输出信号容易实现远传或光 电隔离，可以实现较高的分辨率。 但是本质上，这种方法仍把溶液视为具有理想的纯电阻特性，而没有考虑双 电层电容的影响，所以仍有原理性误差的存在2 ，1 5 0 5 1 。 6 相敏检波法 r x c 1 叫r _ i 振荡器卜_ 1 卜一 引相敏检波l c p f 图2 1 2 相敏检波法原理 如图2 1 2 所示，振荡器产生正弦交流电压加到电导池电极的两端。溶液电 阻r x 和双电层电容c x 构成一个信号通路，引线分布电容c p 也构成一个信号通 路。如果溶液的电阻r x 很大或信号频率很高，以至于c x 的容抗可以忽略，则 可以将电阻r x 和电容c p 看作简单的并联电路。正弦信号通过电容将产生9 0 。 的相移，丽通过电阻却没有相位偏移。根据这一特点，利用相敏检波器，用与输 入激励源信号同频同相的开关信号控制整流电路，将通过电容的一路信号转化为 纯交流信号，同时将通过电阻的一路信号正常整流，再通过低通滤波器滤除交流 成份。引线分布电容的影响可以被消除，而滤波得到的直流信号只与溶液的电阻 f 电导率) 有关。 浙江大学硕士学位论文 该方法的关键部分是相敏检波器。在具体设计电路时，相敏检波器可以通过 电子开关、模拟乘法器或软件来实现。 相敏检波器可以滤除通过引线分布电容的电压信号，得到的直流输出信号不 受引线分布电容的影响，只与溶液的电阻有关。但相敏检波法要求忽略双电层电 容的影响，视溶液为纯阻性，这种从原理上引入的测量误差是不可能从根本上消 除的。只有通过提高激励信号的频率，使得双电层电容的容抗尽可能变小，才能 将这一误差控制在允许的范围之内旧1 5 ，2 0 1 。 7 脉冲式测量法 目前广泛采用交流而不用直流的目的是为了消除溶液离子极化作用的影响。 本质上，交流电是直流电的某一特定组合。交流法消除极化是因为正半周期的极 化被负半周期的等量反向极化抵消，宏观上交流激励没有极化现象。 经研究确认，用正负等电量真流脉冲法也可以消除溶液中的极化现象，而且 在某些方面具有交流法无法比拟的优点【1 2 ，1 3 ，1 5 ，2 1 之3 1 。 e 图2 1 3 脉冲法电导测量原理图 要保证宏观上消除极化现象，必须使正负脉冲周期的电量相等。如图2 1 3 所示为脉冲式电导测量原理图，图中r x 为被测溶液等效电阻值。 该电路实际为一r c 高通滤波网路，对充电回路来说，其传递函数为： 螂) = 鬻= 羔 ( 2 - 2 3 ) 式中：k ( s ) 和_ ( s ) 分别为k ( f ) 和k ( ，) 的拉氏变换；f 为时间常数：f = ( 五+ e ) c ( 2 2 4 ) 该网络对于阶跃输入信号的响应为： k ( f ) = e p 7 佗2 5 ) 一般在工程条件下，当， 4 6 r 时，可以认为 v l = 0 。 在图2 1 3 的电路中，假设r = o 0 1 月，则电容c 的充电时间常数满足 浙江人学硕上学位论文 ( r + 足) c z c b ；放电时间常数满足( 2 r + 足) c z c b 。设开关s 接通时间为丁i ， 断开时间为疋，只要恰当地选择不和正的值就可以保证在一个周期内电容的充 放电量相等，流经电导池的j f 负电量也相等，电导池内的极化现象可以被消除。 设z 足够大，电容充电完成后，可获得一个经过电导池的平顶脉冲，该脉冲 可以看作幅度为e 的直流信号，依分压定律可知： = 熹点 ( 2 2 6 ) 由于假设r * 0 0 1 置，上式可以简化为： = 善e = 避 ( 2 2 7 ) 式中g ；为被测溶液等效电导，e 和r 为常数。电路的输出与被测电导成正比。 动态脉冲法通过调整脉冲幅度和对响应的稳态监视消除了电导池的极化效 应。由于是在稳态时测量，因此不必进行电容补偿，测量原理简单。 2 3 微弱电容、电导测量存在的问题 微弱电容检测的困难之处在于阶2 8 】： 1 系统中除了存在电极间电容外还存在大量的杂散电容，并且这些电容往 往比电极间电容大得多。例如： 将电极连接至检测线路的屏蔽电缆中心线与屏蔽层间的电容( 大约为 1 0 0 p f m ) ； 电容测量对外部干扰非常敏感，所以实际采用的电容传感器具有个 接地的屏蔽罩以减少外部电场对测量的影响，如图2 1 4 所示。图中c ， 为欲测量的电极间的电容，激励电极a 、检测电极b 与屏蔽罩也会分别 形成电容c 。和c b 。这三个电容构成了一个三端电容网络，且c 。和c b 。 往往大于c ；。检测电路必须从三端网络中检测出c 。，同时抑制c 。和c b 。 对测量结果的影响。 浙江大学硕士学位论文 充电完毕后，s l 、s 4 断开。延时t d ，s 2 、s 3 闭合，此时g 上的电荷通过s 2 、 s 3 放电，流入检测器l 的电量为： q l = 一k e ( 3 2 ) 当电子开关以一定的频率f 不断对c 。充放电时，流入检测器l 、2 的平均电 流分别为： = 徊( 3 3 ) 厶= ，q 2 最后得到检测器1 、2 的输出分别为： k = 吩形e + 吃- + 墨l ，+ q k = 一髟形e + 吃：+ 髟l ：+ e z 其中v 。l 、v 。2 为运放的失调电压；i 。卜 由于开关引起的电荷注入效应产生的输出。 ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) i 。2 为运放的失调电流；e 卜e 2 是 所谓电荷注入效应是由于电子开关的两端与其控制端之间存在寄生电容，控 制信号发生跳变时通过它会对开关注入电荷6 ，”】。由此产生的电压等效为： q = 月，k cf = 1 ，2( 3 7 ) 其中k 是电子开关的控制信号；c 是电荷注入效应产生的等效电容，它只是根 据电荷注入效应对电流检测器输出的影响而计算得到的等效电容，并非客观存在 的电容郾5 1 。e 的值一方面取决于电子开关的物理特性，另一方面又受到相对于 供电电压的输入输出通道信号电平高低的影响。当输入输出信号处在供电电压 的低电平时，电荷注入效应是最小的；当信号电平处于供电电压高低电平之间时， 电荷注入效应就要大很多。 这里电子开关的供电电压低电平端接地，而s 3 和s 4 又处于虚地状态，因此 电荷注入效应的影响比较小f 3 5 。 为了提高c 转换的灵敏度，电路采用差动测量方法，以两个检测器的输 出电压之差来求取电容值，可表示为： 矿= k 一砭= 2 月，k c ，+ 1 一2 + 月r ( ，。一l 2 ) + p 1 一巳( 3 8 ) 比较式3 5 、3 6 和3 8 ，可以看出差分结构具有以下优点5 】： 1 测量的灵敏度增大为采用单独检测器时的两倍。 2 如果所选用的两个运放被封装在同块芯片中，那么运放的失调电压和 浙江大学硕士学位论文 失调电流就会非常匹配，相减之后几乎为零。 3 假如开关s 3 和s 4 具有相似的电荷注入效应( 采用的电子开关也被封装 在同一块芯片中) ，那么e 1 和e 2 的影响也可以由于差分作用而得到减弱。 3 1 2 杂散电容对测量的影响 该电路能够克服杂散电容c 。和c b 。的干扰。当v 。通过s i 、s 4 对c ；充 电时，也对c 。充电。但c 。与c 。处于并联状态，所以对c 。的充电电流只 流过s l ，即c 。的存在不影响流过s 4 的电荷总量；当c 。通过s 2 、s 3 放电时， c 。也通过s 2 放电，但放电电流同样不流过s 3 ，并不会对流过s 3 的电荷总 量产生影响。因此c 。的存在不影响测量电路的输出。c b 。在整个充放电的过 程中其两端始终处于虚地状态，没有电流从它上面流过，因而它的存在也不 会对输出产生影响，3 4 ，”1 。 为了确保运放的反向端电位始终为虚地，用c i 。对充放电过程中产生的 尖峰电流进行滤波，提高测量精度。c i 。( 0 1 u f ) 的选择应远大于c 。【6 ，3 3 。3 卦。 3 1 3 电路参数的选择 c 厂v 转换器输出的灵敏度可由下式估算t 3 4 1 ： 等= 2 乃屹 ( 3 9 ) 理论上，f 、r f 和v 。的取值越大，灵敏度越高。但是，反馈电阻r f 对噪声具 有同样的放大效果，而且检测器时间常数t = r f c f 的选择应使得滤波器既可以滤 掉系统产生的噪声，以得到稳定的直流信号，又不使得响应速度太慢。v 。的最 大值取决于开关器件所能承受的电压范围。同时开关的高速切换会在检测电极一 端产生振荡，所以f 的最大值会受到该过渡过程的稳定时间的限制。 3 1 4 开关控制信号发生电路 控制电子开关s l 、s 2 、s 3 和s 4 的信号通过图3 3 、3 4 和3 5 所示的电路实 现。最后图3 5 输出的信号就可以按照图3 2 的时序来控制开关的打开和闭合， 配合图3 1 所示的c v 转换电路实现微弱电容的测量。 浚测量系统的优点是时序控制完全由数字电路实现，而不需要编写程序来参 与控制。 浙江大学预上学位论文 1 方波发生电路 图3 - 3 为并联型晶体多谐振荡电路，可产生方波脉冲信号。为了使输出 波形边沿陡峭，所以u 1 3 a 输出的信号再经一个非门u 1 3 b 整形后输出频率 为厂的方波信号。 怼 图3 3 石英晶体方波发生电路 图中i 也为偏置电阻，一般情况下，对t t l 门，通常取i 匕= o 7 2 k q ； 对于c m o s 门，则取i 也= 1 0 5 0 m q 。电阻r 8 起限流作用。电路的工作频 率位于串联谐振频率z 和并联谐振频率l 之间( 工和兀非常接近) ，使晶 体呈电感性，和c 3 3 和c 3 4 一起构成一个c m o s 反相器所组成的电容三点 式振荡器。一般c 3 4 取1 0 p f ；c 3 3 为半可调电容，范围为1 0 3 0 p f ，用来 对振荡频率进行微调【3 6 】。 2 选频电路 为了满足测量时对不同频率的需求，设