电导法检测海水盐度计(硬件部分)

哈尔滨理工大学学士学位论文 I 多参数海水溶液检测传感器多参数海水溶液检测传感器 硬件部分硬件部分 关键词关键词 海洋 盐度测量 传感器不要删除行尾的分节符 此行不会被打印 哈尔滨理工大学学士学位论文 II 目目 录录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 课题的背景和意义 1 1 2 盐度测量相关技术概述 1 1 2 1 盐度的定义 1 1 2 2 盐度测量技术的发展及比较 3 1 2 3 盐度值的影响因素 4 1 2 4 电导率仪工作原理 5 1 3 课题的设计目标 7 1 3 1 系统整体设计方案 8 1 3 2 各部分功能实现规划 8 1 4 本章小结 9 第 2 章 传感电路设计 10 2 1 电导电极 10 2 1 1 电导与电导率 10 2 1 2 盐度传感器探头设计 10 2 2 盐度传感电路 11 2 2 1 测量电源设计 11 2 2 2 整流滤波放大电路设计 16 2 3 温度 压力传感电路 19 2 3 1 温度传感器设计 19 2 3 2 压力传感器设计 22 2 4 本章小结 27 第 3 章 主控电路设计 28 3 1 MCS51 单片机最小系统 28 3 1 1 高性能 8 位单片机 AT89S52 28 3 1 2 系统时钟电路 29 3 1 3 CPU 复位电路 30 3 2 A D 模数转换电路 30 3 2 1 TLC0832 的特点 30 3 2 2 TLC0832 的封装形式和引脚定义 31 3 2 3 TLC0832 与单片机的连接 31 3 3 RS 232 串行通讯接口电路 32 3 3 1 RS 232 串行通讯概述 32 3 3 2 RS 232 串行通讯接口设计 33 哈尔滨理工大学学士学位论文 III 3 4 上位机 M600 型 LCD 触摸屏描述 34 3 4 1 M600 型 LCD 触摸屏基本属性 34 3 4 2 M600 型 LCD 触摸屏连接电路 34 3 5 本章小结 34 结 论 35 致 谢 36 参考文献 37 附录 A 38 附录 B 50 附录 C 59 哈尔滨理工大学学士学位论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 课题的背景和意义课题的背景和意义 盐度是影响海水密度的重要物理量 是研究海洋学的要素之一 测量盐度 不仅在众多的应用科学如盐化工 水产养殖 生态网络调查 气候气象监测 能源探索等方面都有很重要的意义 而且在生物工程方面也有着重要的意义 海洋科学考察需要将探测设备置于水面或水下某一位置 并获取此位置的 相关信息 如盐度 温度 压力 深度以及生物环境等信息 海洋水产品养殖 需要经常监测水环境的各种参数状态 以确保成功养殖 其中海水盐度更是极 其重要的因素 因此如何设计一种检测快捷准确 运行稳定 结构简易并具备 数字接口的新型海洋水环境参数传感探测器便显得十分重要 1 2 盐度测量相关技术概述盐度测量相关技术概述 海水中的含盐量是海水浓度的标志 要精确地测定海水中的绝对盐量是一 件十分困难的事情 长期以来人们对此进行了广泛的研究和讨论 引进了 盐 度 以近似地表示海水的含盐量 1 2 1 盐度的定义盐度的定义 1 2 1 1 基于化学方法的盐度的首次定义基于化学方法的盐度的首次定义 1902 年克纽森 Knudsen 等人基于化学分析测定方法 1 定义盐度为 1kg 海水中的碳酸盐全部转换成氧化物 溴和碘以氯当量置换 有机物全部氧化之 后所剩固体物质的总克数 单位是 g kg 用符号 表示 按上述方法测定盐度相当烦琐 根据 1891 年马赛特发现 海水组成恒定 性 海水中的主要成分在水样中的含量虽然不同 但它们之间的比值是近 似恒定的 据此 如果能测定出海水中某一主要成分的含量 便可推算出海水 盐度 己知海水中的氯含量最多 且可方便地用摘定法加以测定 基于海 3 AgNO 水组成恒定性规律 归纳出用测定海水氯含量的方法来计算盐度的公式 S 0 030 1 8050Cl 1 1 称式 1 1 为 Knudsen 盐度公式 其中 Cl 称为海水的 氯度 即 1kg 海 水中的溴和碘以氯当量置换 氯离子的总克数 单位是克每千克 以 号表示 可见氯度的量值要稍大于海水的实际氯含量 用滴定法测定海水的氯度时 需要知道的浓度 国际上统一 3 AgNO 3 AgNO 使用一种其氯度值精确为 19 374 的大洋水作为标准 称为标准海水 其盐度 哈尔滨理工大学学士学位论文 2 值对应为 35 000 1 2 1 2 盐度的重新定义盐度的重新定义 依式 1 1 计算盐度是很方便的 它一直延续使用到 20 世纪 60 年代 随着 电导盐度计的问世 测定盐度的方法更为方便 且精度大为提高 1 2 考克斯等 人对由大洋和不同海区不深于 100m 水层内采集的 135 个水样 准确地测定其氯 度值计算盐度 同时测定水样的电导比 R15 得出盐度 S 与电导比有以下 15 R 关系式 S 0 08996 28 29720 12 80832 1 2 15 R 2 15 R 10 67869 5 98624 1 32311 3 15 R 4 15 R 5 15 R 式 1 2 中为 在 15 一个标准大气压 101325Pa 下 水样的电导率 15 R 与盐度精确为 35 000 Cl 19 374 的标准海水电导率 15 0 C S 之比值 依此方法测定盐度的精度高且速度快 因此 国际 海洋 35 15 0 C 学常用表和标准联合专家小组 JPOTS 于 1969 年推荐该式为海水盐度的新定 义 为使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖 JPOTS 又提出了 1978 年实用盐度 标度 theP racticalSalinityScale 1978 并建立了计算公式 编制了查算表 自 1982 年 1 月起在国际上推行 1 建立实用盐度的固定参考点 实用盐度仍然是用电导率测定的 为使海水的盐度值与氯度脱钩 所以选 择一种精确浓度的氯化钾 KCl 溶液作为可再制的电导标准 用海水相对于 KCl 溶液的电导比来确定海水的盐度值 为保持盐度历史资料与实用盐度资料的连续性 仍采用原来氯度为 19 374 的国际标准海水为实用盐度 35 000 的参考点 配制一种浓度为 32 4356 高纯度的 KCl 溶液 它在 一个标准大气压力 下 温度为 15 时 与氯度为 19 374 盐度为 35 000 的国际标准海水在同压同温条件下的电导率 恰好相同 它们的电导比 1 3 15 35 15 0 32 4356 15 0 C K C 也就是说 当 1 时 标准 KCl 溶液的电导率对应盐度为 35 000 把 15 K 这一点作为实用盐度的固定参考点 2 实用盐度的计算公式 1 4 5 1 2 15 0 i i Sa K 式 1 4 中是在 一个标准大气压力 下 温度 15 时 海水样品的电 15 K 导率与标准 KCl 溶液的电导率 之比 在 15 一个标准大气压力下 等 于 42 896 这虽不是世界公认的数值 目前还没有公认的数值 但只 mS cm 哈尔滨理工大学学士学位论文 3 要传感器在定标和测量时使用的是同一数值 该数值就不妨碍海水盐度的计算 式中 a0 0 0080 a1 0 1692 a2 25 3851 a3 14 0941 a4 7 0261 a5 2 7081 适用范围为 5 0 35 i i a 242S 由于海水的绝对盐度 SA 海水中溶质的质量与海水质量之比值 是无 法直接测量的 它与测定的盐度 S 显然有差异 因此也称 S 为实用盐度 PSU 实用盐度不再使用符号 因而实用盐度是旧盐度的 1000 倍 1 2 2 盐度测量技术的发展及比较盐度测量技术的发展及比较 盐度测定 就方法而言 有化学方法和物理方法两大类 1 2 2 1 化学方法化学方法 化学方法又简称硝酸银滴定法 其原理是 在离子比例恒定的前提下 采 用硝酸银溶液滴定 通过麦克伽莱表查出氯度 然后根据氯度和盐度的线性关 系 来确定水样盐度 此法是克纽森等人在 1901 年提出的 在当时 不论从操 作上 还是就其滴定结果的精确度来说 都是令人满意的 1 1 2 2 2 物理方法物理方法 物理方法可分为比重法 折射法和电导法三种 1 1 比重法测量是海洋学中广泛采用的 即一个大气压下 单位体积海水的 重量与同温度同体积蒸馏水的重量之比 由于海水比重和海水密度密切相关 而海水密度又取决于温度和盐度 所以比重计的实质是 从比重求密度 再根 据密度 温度推求盐度 2 折射率法是通过测量水质的折射率来确定盐度 以上几种测量盐度的方法存在误差较大 精度不高 操作复杂 不利于仪 器配套等问题 尽管还在某种场合下使用 但逐渐被电导测量所代替 3 电导法是利用不同盐度具有不同导电特性来确定海水盐度 1978 年的实用盐标解除了氯度和盐度的关系 直接建立了盐度和电导率比 的关系 由于海水电导率是盐度 温度和压力的函数 因此 通过电导法测量 盐度必须给予温度和压力对电导率的影响进行补偿 采用电路自动补偿的这种 盐度计为感应式盐度计 采用恒温控制设备 免除电路自动补偿的盐度计为电 极式盐度计 感应式盐度计以电磁感应为原理 它可在现场和实验室测量 因而得到广 泛的应用 在实验室测量中精度可达 0 003 该仪器对现场测量来说是比较好 的 特别对于有机污染含量较多 不需要高精度测量的近海来说 更是如此 然而 由于感应式盐度计需要的样品量很大 灵敏度不如电极式盐度计高 并 需要进行温度补偿 操作麻烦 这就导致感应式盐度计又转向电极式盐度计的 发展 哈尔滨理工大学学士学位论文 4 最先利用电导测盐的仪器是电极式盐度计 由于电极式盐度计测量电极直 接接触海水 容易出现极化和受海水的腐蚀 污染 使性能减退 这就严重限 制了在现场的应用 所以主要用在实验室内做高精度测量 加拿大盖德莱因 Guildline 仪器公司采用四极结构的电极式盐度计 8400 型 解决了电极易受污 染等问题 于是电极式盐度计得以再次风行 目前广泛使用的 STD CTD 等剖 面仪均是电极式结构的 1 2 3 盐度值的影响因素盐度值的影响因素 1 2 3 1 温度对盐度测量的影响温度对盐度测量的影响 温度影响水溶液的电导率 因此温度与盐度有着紧密的关系 1 对于某一 固定的水溶液其电导率几乎随温度线性地增加 但是 不同溶液 不同的电导 率 不同温度下其温度系数是不同的 依据实验 在任意温度 的条件下测定电t 导比 由可计算此时溶液的盐度 计算公式如下 t R t R t R 1 5 0 35 0 t r s t R rt 其中是仪器在 t 下 测量得到的电导率值 由下面的经 0 r s t 35 0 rt 验公式计算 1 6 2 35 0 0 00330 879328 988rttt 在任意温度 t 下 计算盐度的公式为 1 7 0 SSS 其中 1 8 5 1 2 0 0 it i Sa R 1 9 5 2 0 15 1 15 i it i t SbR K t 是温度变化引起的盐度修正值 式 1 8 中系数 a 的值与式 1 4 中相同 S 系数 b 分别为 b0 0 0005 b1 0 0056 b2 0 0066 b3 S 0 0375 b4 0 0636 b5 0 0144 0 0000 K 0 0162 5 0 i i b 由式 1 5 1 6 1 7 1 8 和 1 9 我们可以得出结论 用电测法测量某 温度下水溶液的盐度时 需要知道的参数有 温度 t 和此时溶液的电导率与标 准海水电导率的值 公式的适用范围是 温度 2 35 盐度 2 42 1 2 3 2 压力对盐度测量的影响压力对盐度测量的影响 压力的不同使水溶液的浓度 粘度不同 致使电导率发生变化 3 但是压 力对电导率的影响十分复杂 它与溶液的温度 压力 电导率都有关系 尤其 是在压力为 10 至 20 个大气压 水深为 100 至 200 米的深海精确测量海水电导 率时 则要考虑压力的影响 乘以适当的压力系数 海洋工作者根据各自测量 哈尔滨理工大学学士学位论文 5 的数据拟合了经验公式 压力对海水电导的影响表现在压力能改变海水密度 从而改变单位体积海 水中离子浓度 同时压力也影响着海水中的一些化学平衡 使平衡向一定方向 移动 从而改变海水的离子组成 这些都将影响海水绝对电导率的变化 海水 电导率的压力系数虽然很小 但由于海深可达万米 总的压力效应是很可观的 对于深海水的现场测定资料 若不考虑压力因素校正将会有很大误差 1965 年 布雷德少 Bradshaw 等人测定了海水电导的压力系数 测定结果优于 0 01 盐 度值 并给出了一个与观测值误差在 0 005 盐度值以内的内插公式 由于他 们提出的公式过于复杂 因而后来就有人提出了一些简化的公式 费多罗夫 提出了一个形式十分简化的计算公式 电导率的压力 系数 1 10 3462 1 0 984 100 269 10 15 0 510 10 15 100 t t RpP tt R 式中 P 为压强 单位为分巴 t 为摄氏度温度值 此时在压强为 2000 分巴 S 的范围内 对计算盐度带来的误差约为 S 本课题设计3139至0 010 03至 将应用此拟合公式进行电导率压力系数的计算 1 2 4 电导率仪工作原理电导率仪工作原理 电导率仪将电导池产生的电导信号转变并放大为电信号 通过表头或显示 器指示出来 将电导池信号转变为电信号可通过多种方法 总体可分为三类 交流分压原理 电流测量原理和交流电桥原理 4 5 1 2 4 1 交流分压原理交流分压原理 EEm Rm Rx 图 1 1 交流分压原理示意图 交流分压电导率仪原理 4 如图 1 1 所示 当交流电压作用于电导池时 电导 池可视为一纯电阻 由原理图可得如下关系式 1 11 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 式中为溶液电阻 为分压电阻 为测量信号 为测量信号在分 x R m RE m E 压电阻上的分压值 当 和一定时 随着溶液电导率的变化而变化 通过测量的E m RJ m E m E 大小 就可得到溶液电导率的大小 1 2 4 2 电流测量原理电流测量原理 A Rf V0 Rx E Ix If 电导池 图 1 2 电流测量原理示意图 电流测量电导率仪原理 4 如图 1 2 所示 由原理图可得下式 1 12 0 x xf VEEK IEG RJR 式中为流经电导池的电流 为加在电导池两端的电压 为溶液的电 x IE x R 阻 为溶液的电导 为运算放大器输出电压 为反馈电阻 G 0 V f R 上式说明 把一定幅度的电压加在电导池两端 流过溶液的电流大小取决 于溶液的电导率大小 电流的测量可通过输出电压得到 通过变换可得下式 1 13 0 f VJ K RE 因此 当外加电压 电极常数及放大倍数一定时 溶液的电导率与运算E 放大器输出电压成正比 只要测量的大小 就可以反映出被测溶液的电导 0 V 0 V 率的大小 1 2 4 3 交流电桥原理交流电桥原理 交流电桥电导率仪原理 4 如图 1 3 所示 图中为电导池电阻 为标准 x R s R 交流电阻 为线性比例臂 当电桥平衡时 有以下关系式成立 ADB 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 1 14 sAD x DB RL R L 1 15 11 x sAD x DB G RL R L 因此 当电桥平衡时 通过测量比例臂的比值 就可得到溶液的电导值 C Rx Rs C A B 图 1 3 交流电桥原理示意图 1 3 课题的设计目标课题的设计目标 本课题欲设计一种检测快捷准确 运行稳定 结构简易并具备数字接口的 海洋水环境盐度 温度和压力参数传感探测器 并通过某些数据运算求得深度 等数据信息 再通过 RS 232 串行通讯接口将数据传送给上位机 做进一步的数 据处理和图形化显示 本课题具体设计要求如表 1 1 所示 表 1 1 课题设计要求 测量范围测量精度检测频率 盐度355ppm至6 1ppm 10 次 秒 温度 4055 至 0 625 5 次 秒 压力202000kkPa至0 25 FS 5 次 秒 本设计主要涉及课题的整体设计 传感器电路设计以及单片机系统设计的 硬件部分 不涉及上位机的数据处理和图形化显示部分 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 1 3 1 系统整体设计方案系统整体设计方案 图 1 4 传感器系统框图 系统框图如图 1 4 所示 系统从结构上分析有下位机检测部分 和上位机 显示部分 1 3 2 各部分功能实现规划各部分功能实现规划 1 3 2 1 传感器部分传感器部分 本课题主要涉及盐度传感器 压力传感器和温度传感器 1 盐度传感器 测测量量电电源源 分分压压电电阻阻 滤滤波波放放大大差差分分放放大大 图 1 5 盐度传感器结构图 盐度传感器的设计是本课题的重点内容 在充分考虑应用环境和对盐度测 量技术的细致分析的基础上 本设计选用电导法原理电流测量方式测量盐度 以两根平行安置的黄铜镀金表面的金手指做探头 具有抗腐蚀耐用 不易 损坏等特点 由于盐度不同 电导率不同 从而探头两端电阻值不同 电桥将 电阻的变化转换为输出电压的变化 或者采用串连电阻分压法 接着经滤波 放大 补偿 整流再放大后送 A D 转换芯片 最后由 MCS51 单片机系统读出 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 A D 转换值 经计算处理核算出盐度值 核算的依据是一系列试验数值的处理 结果 并通过 RS 232 串行通讯接口将盐度数据传送给上位机 2 压力和温度传感器 本系统由于不需要极高精度的温度和压力测量 所以选用目前技术比较先 进 精准度较高或具有数字接口的传感器 这样不仅可以简化设计 而且还可 以提高检测速度和精度 压力传感器选用 MPM380 型压阻式压力传感器 温度传感器选用单总线智 能温度传感器 DS18B20 1 3 2 2 单片机部分单片机部分 传感器的核心 MCU 采用通用的 MCS51 系列的 AT89S52 微控制器 辅助 配以 A D 转换模块 RS 232 串行通讯模块 系统供电和复位等模块 实现对采 集的温度 盐度 压力等信号进行综合处理的功能 1 4 本章小结本章小结 本章首先讨论了课题的背景和实际意义 认为研制此类新型传感器是十分 必要和可行的 然后深入分析了各种盐度测量的相关技术 确定了使用电导法 测量海水盐度的方案 最后为课题制定了设计目标和整体规划 哈尔滨理工大学学士学位论文 10 第第 2 章章 传感电路设计传感电路设计 传感器电路设计的优劣直接关系到测量的精度和稳定性 这里分三部分来 讨论 一是盐度传感器电导电极设计 二是盐度传感器电路设计 三是温度 压力传感器电路设计 同时温度的测量还用于盐度值标定时的补偿 2 1 电导电极电导电极 电导电极是电导率仪的测量元件 电导电极与电导率仪配套使用测量电解 质溶液的电导率 2 1 1 电导与电导率电导与电导率 任何一种均匀导体 他的电阻 R 是由下式决定 2 1 l R A 式 2 1 中 为导体的长度 为导体的横截面积 为电阻率lcmA 2 cm 它是导体的一个电气特性参数 当 为 1 为 1时 则有cm lcmA 2 cm 所以电阻率的物理意义是一个体积为 1的正方形导体的电阻值 R 3 cm 上述关系适用于金属 固体物质和液体 不过在衡量液体这种物质时 往 往不用电阻率 而使用它的倒数 即所谓电导率 电导比 以表示 同1 时溶液的电阻也往往用其倒数表示 称为电导 其原因是 对于金属导1 RG 体来说 电阻或电导率一般都与温度成 正向 的关系 即温度升高 电阻率 就增大 反之则减少 而液体则相反 温度升高 电阻和电导率就减小 反之 则增大 所以是 负向 的关系 为了运算的方便和概念一致 引入电导和电 导率的概念 溶液的电导为 2 2 1A G lK 式 2 2 中 电导率表示体积为 1的导体的电导 单位为 或 3 cm 1 cm S cm 电导的单位为西门子 为电导池常数 单位为 S 11 11SA V K 它是电导电极两极片之间的距离 与极片面积之比值 5 1 cm lA 2 1 2 盐度传感器探头设计盐度传感器探头设计 按照电磁场理论 直径为 长度为 的两根金属导体 在介质中平行间2al 距为时 如果满足 可推导出其电阻与介质的电导率d2al 2ad R 的关系为 与 和无关 根据以上理论 设计本课题的电导率传 1 R a ld 感器如图 2 1 所示 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 图 2 1 盐度传感器电导探头 图 2 1 所示的电导率传感器 用耐腐蚀的黄铜镀金做电导探头 其直径为 长为 中心距为 用这种电导探头 可以算出在不同盐度0 6mm20mm16mm 时所测得的电阻值 并可试验得对应的极间电容 两根相同的铜棒镀金作电极 在水溶液中 两极加以交流信号 不构NaCl 成原电池 电解池或电镀池的条件 理论上不会发生氧化还原反应 但是 在 海洋复杂水环境中 由于腐蚀性较强会致使电极产生氧化反应 为了保证使用 寿命和测量精度 必须每隔一段时间清洗之 2 2 盐度传感电路盐度传感电路 对于盐度传感器电路的设计主要考虑测量电源 即振荡电路设计 的频率 和幅值 要求能够抑制传感器电极的电解并保证测量的精度 整流滤波放大电 路主要完成对测量信号的处理 得到稳定的直流对地信号 送 A D 转换芯片 2 2 1 测量电源设计测量电源设计 本设计的测量电源 即设计一个正弦信号发生器 产生一定频率和幅值的 正弦信号 由于正弦信号的频率和幅值都将直接影响到测量的精度和稳定性 而且波形失真会对测量精度和传感器寿命造成影响 因此 测量电源的设计主 要考虑这两个方面 2 2 1 1 测量电源频率的选择测量电源频率的选择 交流电导法的测量电源工作频率的高低 主要由电导池的极间电容和电阻 决定 5 6 在测量低电阻 小于 时 如果频率太低 则会由于电流密度大1k 而产生一定的极化效应 因此这时应采用较高的频率 如 以使在电极表1kHz 面的氧化和还原反应迅速交替进行 可以消除或减小极化效应而产生的测量误 差 但在测量高电阻电导池时 由于电导池电容的影响而不能用较高的工作频 率 否则会产生容抗误差 电导池的等效电路如图 2 2 所示 哈尔滨理工大学学士学位论文 12 RL1 Z1 RSOLRL2 CDL1 Z1 CDL2 Cr 图 2 2 电导池等效电路 在交流法电导测量中 采用交流电源后 电导电极的极间电容对测量结果 造成误差为 2 3 32 p RRC 式 2 3 中 为极间电容 p C 电导测量仪器通常是把电导池系统看作一个纯电阻元件 没有考虑电导池 电容的影响 但在测量电源为交流时 电导池不再是一个纯电阻 而是包括容 抗在内的总阻抗 其总的电导值为两者的矢量和 造成电导仪在实际测量中的 误差 如图 2 2 所示 图中和代表电导电极的引线电阻 通常忽略不计 1L R 2L R 和是两个电极片双层电容 是由两个电极表面上的双电层形成的 1DL C 2DL C 是极间电容 是电极之间的溶液电阻 和表示的元件代表在两个 p C SOL R 1 Z 2 Z 电极片上感应电的阻抗 当电导池两端施加一个交流电时 它将流经和 同时也流过 DL C SOL R p C 由于对交流电而言提供了一个低阻通路 和分别被和所短路 DL C 1 Z 2 Z 1DL C 2DL C 因此 如果很小和很大时 电导池的阻抗就近似为 通常都较 p C DL C SOL R DL C 大 因此 在测量高电阻溶液时仅仅有效 等效电路可以简化为和的 p C p C SOL R 并联 其等效阻抗为 2 4 1 p R Z j C R 从式 2 4 中可以看到 当即时 至少差 100 倍 1 p C R 21 p fC R 才近似地等于 而项中和一定时 的值越高 将使测量带来ZR p C R p CR 误差 因此 当测量电阻一定时 电导电极的极间电容愈大 则测量电源的频率 就应愈低 反之则相反 同样道理 当电导电极的极间电容一定时 测量电阻 愈大 则测量电源的频率也应愈低 反之亦相反 这就要求在进行电导测量时 哈尔滨理工大学学士学位论文 13 正确选择测量电源的频率 否则可能造成严重的测量误差 由上面的分析可知 交流电导法的测量电源工作频率的高低 主要由电导 池的极间电容和电阻决定 在测量低电阻 小于 时 如果频率太低 则500 会由于电流密度大而产生一定的极化效应 因此这时应采用较高的频率 如 以使在电极表面的氧化和还原反应迅速交替进行 可消除或减小极化效2kHz 应而产生的测量误差 但在测量高电阻电导池时 由于电导池电容的影响而不 能用较高的工作频率 否则会产生容抗误差 因此这时采用较低的工作频率 根据以上分析 本设计测量属中低阻电导池 正常工作时 盐度的测量范 围要求在 30 65ppm 之间 如果以 45ppm 时的电阻和极间电容来计算测量电源 的最高频率 f 的话 如式 2 5 2 5 96 11 1100 22 3 14 1 5 100 1 10 p fHz C R 因此 本设计的电源最高工作频率不要超过 1500Hz 否则会在测量低浓度 的海水时 由于极间电容的影响而产生较大的测量误差 2 2 1 2 正弦波振荡电路设计正弦波振荡电路设计 正选波振荡的稳定与否 是整个系统的能否稳定的 精准的检测溶液盐都 信号起着至关重要的作用 7 8 9 10 正选波的产生目前主要有两个方法 分别为 RC 桥式正弦波振荡电路和专 门的正选波信号发生器 鉴于 RC 桥式正弦波振荡电路调试周期时间较长 且对输出阻抗要就较严 格 所以本系统放弃了该方案 使用了专用的 ICL8038 信号发生器芯片 2 2 1 2 1 ICL8038 的特点的特点 1 电源电压范围宽 9V 至 12V 均可驱动 2 振荡频率范围宽 频率稳定性好 频率范围是 1kHz 300kHz 频率温漂 仅 50ppm 1ppm 10 6 3 输出波形的失真小 正弦波失真度 5 经过仔细调整后 失真度还 可降低到 0 5 三角波的线性度高达 0 1 4 矩形波占空比的调节范围很宽 D 1 99 由此可获得窄脉冲 宽脉 冲或方波 5 外围电路非常简单 通过调节外部阻容元件值 即可改变振荡频率 6 该函数发生器是一种可以同时产生方波 三角波和正弦波的专用集成电 路 当调节外部电路参数时 还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波 哈尔滨理工大学学士学位论文 14 2 2 1 2 2 ICL8038 芯片引脚图芯片引脚图 图 2 3ICL8038 管脚图 如图 2 3 所示 ICL808 有 8 根引脚 引脚的功能简要分类说明如下 1 引脚 1 正弦波失真度调整 2 引脚 2 正选拨输出 3 引脚 3 三焦波输出 4 引脚 4 频率 占空比调节 5 引脚 5 频率 占空比调节 6 引脚 6 VCC 7 引脚 7 调频偏置电压输出 8 引脚 8 调频偏置电压输入 9 引脚 9 矩形波输出 10 引脚 10 外接调置电容 11 引脚 11 GND 12 引脚 12 正弦波失真度调节 13 引脚 13 NC 14 引脚 14 NC 哈尔滨理工大学学士学位论文 15 2 2 1 2 3 ICL8038 芯片工作电路图芯片工作电路图 图 2 4 ICL8038 管脚图 输出频率和波形线性度调节方式 1 电阻与电位器用来确定 8 脚的直流电位 通常取 2 3VCC 1 R 1p R 8 V 8 V 越高 输出频率越低 反之亦然 因此 ICL8038 又称为压控振荡器 8 V 或频率调节器 可调节的频率范围为 20Hz 至 20kHz 还可以由 7 1p R 8 V 脚提供固定电位 此时输出频率仅由 及电容 C 决定 0 f A R B R 2 当调节处于中间值时 3 脚输出三角波 否则为锯齿波 2p R 哈尔滨理工大学学士学位论文 16 2 2 2 整流滤波放大电路设计整流滤波放大电路设计 本系统采用线性分压测量电路 因为最终的信号要送到数字电路 A D 芯片 转换 所以要把分压后输出的交流信号进行放大 整流滤波再放大 或缩小 处理 送数字系统处理 2 2 2 1 线性分压测量电路线性分压测量电路 由于本设计要把和电导率变化相关的交流电压信号最终转化为直流电压信 号 因此不宜采取平衡电桥测量电路 而采用线性分压式测量电路 如图 2 5 所示 其中 E 为测量电源电压峰值 为电导池 为分压电阻 为分压 x R m R m E 输出值 正弦波发生电路 Rx EEm Rm 图 2 5 线性分压测量原理图 本控制系统所测盐度范围为 所对应的电导率传感器测得的电355ppm至6 阻范围是 0 37MM 至0 25 m m xm R EE RR 当时 2 6 xm RR m mxm x R EEG R E R 由式 2 6 可见 当和为常数而且时 测量电路输出电压与E m R xm RR m E 电导池电导之间成线性关系 通过测量的大小 就能测出溶液的电导率 x G m E 改变的数值 就可改变仪器的量程 m R 线性分压式测量电路 只有满足或的条件时 与之 m EE xm RR m E x G 间才有线性关系 如果满足以上线性条件 则值将会很小 其最大峰值也只 m E 有 0 8V 这样后面的电路很难处理 鉴于此 不要求分压值对是绝对线性的 m E 可考虑在后面的数值处理中 选择合适的数值处理方法 对进行软件线性化 m E 处理 以简化电路设计 同时为了尽可能使电极两端的电压较小 选取标准值 哈尔滨理工大学学士学位论文 17 150 m Rk 2 2 2 2 一介有源放大电路一介有源放大电路 因通过电导液及电阻分压后所输出的交流信号振幅较低 为了能够顺利 m R 通过后续整流环节二极管 且不至于因二极管自身的压降而导致电压输出为 0 有必要对分压后输出的交流电压进行放大 并且集成运放的开环电压增益和 输入阻抗均很高 输出阻抗又很低 构成有源放大器后还具有一定的电压增益 和缓冲作用 7 运算放大器采用经典 741 系列 EWB 仿真后如图 2 6 所示 图 2 6 信号放大电路原理图 经过放大电路调理后输出交流信号有效电压值约为 3 1V 2 2 2 3 整流和滤波处理整流和滤波处理 放大后的交流信号 经整流滤波后 输出直流信号如图 2 7 所示 0 E 0 V C R D1 4 E0 V0 V0 哈尔滨理工大学学士学位论文 18 图 2 7 整流滤波电路原理图 由于桥式整流电路带电阻负载 而不加电容滤波时的整流输出电压为整 0 V 流输出电压在一个周期内的平均值 即 0 V 2 00000 00 112 sin0 64 2 Vv d tEtd tEE 如果输出端空载 没有电阻时 当电容充电到的最大值后 由于二极R 0 E 管的反向截止 电容无放电回路 输出电压保持最大值恒定不变 0 E 测量电源产生的正弦信号周期为 取 11 0 001256 796 18 Ts f 如果选择电容 则电阻应为 20 002512Ts 0 1Cf R 6 0 0025 25000 0 1 10 R C 根据标准电阻值系列选用 2Rk 0 1Cf 重新计算时间常数 36 2 100 1 100 0002RCs 2 2 2 4 差分放大电路设计差分放大电路设计 前面经整流滤波 7 后输出的直流电压反映的是分压电阻两端的差分信号 0 V 其大小正比于被测溶液的电导率 也即正比于被测溶液的离子浓度 所以把此 信号送 A D 芯片经过数字量化后 其转换值的大小正比于被测溶液离子浓度 考虑到后面的数字电路选用 A D 芯片 TLC0832 如果采用非差分输入的方法 那么输入的每一路信号必须是对地信号 所以在整流滤波之后 加入差分放大 电路 既可以得到对地的信号 还可以抑制噪声干扰 差分电路原理图如图 2 8 所示 R1 R2 R3 R4 V1 V2 Vyd 图 2 8 差分放大电路原理图 图 2 8 中 利用叠加原理求输出电压 首先令 则图 2 8 就成为一 0 V 2 0V 哈尔滨理工大学学士学位论文 19 个反相比例运算电路 由产生的输出电压为 1 V 2 7 2 01 2 R VV R 然后令 则图 2 8 就成为一个同相比例运算电路 考虑到同相输入端 1 0V 的电压为 2 8 4 2 34 p R VV RR 因此 由产生的输出电压为 2 V 2 9 224 02 1134 1 1 p RRR VVV RRRR 根据叠加原理可知 总的输出电压为 2 10 224 00012 2134 1 RRR VVVVV RRRR 当满足时 有 2 11 32 14 RR RR 2 021 1 R VVV R 由式 2 11 可以看出 电路的输出信号只与差模信号 成比例 即当 21 VV 时 输出为零 这样就有效地抑制了共模信号 21 VV 由前面的分析计算可知 差分放大电路的差分输入值必须在以下 才能5V 送 TLC0832 转换 所以必须进行缩小处理 如果选择 那么当时 输出的盐度信号值 32 14 2 3 RR RR 21 7 5VVV 2 021 1 2 7 55 3 R VVVV R 因此 选择电阻值分别为 24 20RRk 13 30RRk 2 3 温度 压力传感电路温度 压力传感电路 温度和压力参数的测量 选用目前技术比较先进 精准度较高或具有数字 接口的传感器 这样不仅可以简化设计 而且还可以提高检测速度和精度 2 3 1 温度传感器设计温度传感器设计 2 3 1 1 温度传感器选型温度传感器选型 1 目前常用的温度监测方法主要有以下几种 1 感温电缆式测温 11 将感温电缆与电缆平行安放 当电缆温度超过固 定温度值时 感温电缆被短路 2 热敏电阻式测温 利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的特性 哈尔滨理工大学学士学位论文 20 来测量温度 可以根据电阻变化值来显示温度值 3 热电偶式测温 根据热电效应原理 将两个成分不同的导体连接在一起 由温度差产生电动势来测量温度 4 数字温度传感器测温 数字温度传感器是在 20 世纪 80 年代中期问世 的 目前 数字温度传感器已成为集成温度传感器中最具活力和发展前途的一 种新产品 数字温度传感器内部包含温度传感器 A D 转换器 存储器 或寄 存器 和接口电路 2 下面对上述四种方法进行比较 感温电缆式测量方法 一方面造价高 另一方面系统仅能一次性使用 不 能测出电缆的实际温度值 同时电缆数量多 系统安装及维护工作不够方便 设备易损坏 热敏电阻式和热电偶测温方式 虽然已可以进行在线测量设备温度值 但 每个元件都需要独立的接线 布线复杂且热敏电阻易损坏 维护量大 传感器 不具备自检功能 需要经常校验 不适于总线布置 数字温度传感器 它不仅可实现温度测量的实时性 更由于它有较高的集 成度 能将温度信号直接转换成串行数字信号 直接与数字控制设备接口 适 合于总线布置 因此可以大大降低系统设计和布置的复杂性 它是当前温度传 感器中最为先进的一种 因此 本系统选用数字温度传感器 2 3 1 2 单总线智能温度传感器单总线智能温度传感器 DS18B20 本系统采用的是美国 DALLAS 半导体公司生产的单线总线式数字温度传 感器 DS18B20 它是在 20 世纪 90 年代中期问世的 单线数字温度传感器 DS18B20 可把温度信号直接转换成串行数字信号供微机处理 每片 DS18B20 含有唯一的系列号 在一条总线上可挂接任意多个 DS18B20 芯片 从 DS18B20 读出的信息或写入 DS18B20 的信息 仅需要一条数据线 单线 来 传输 读写及温度变换功率来源于单线 下面对 DS18B20 的特性和工作原理作 以简要介绍 11 1 DS18B20 的技术特性 DS18B20 内部使用了专利技术 12 全部传感元件及转换电路集成在形如一 个三极管的集成电路内 封装形式如图 2 8 所示 其中 供电端 接地端 数据输入 输出端 DD VGNDDQ 哈尔滨理工大学学士学位论文 21 图 2 8 DS18B20 的封装形式 与其它温度传感器相比 DS18B20 具有以下技术特性 1 具有独特的单总线接口方式 DS18B20 在与微处理器连接时仅需一条 I O 口线就可实现微处理器与 DS18B20 的双向通信 2 支持多点组网功能 一条总线上可以同时挂接多个 DS18B20 很方便 地实现多点温度的检测 3 数字信号输出 不需要信号放大和 A D 转换等外围辅助电路 4 测温范围 在时测温准确度为 55125 至 1085 至 0 5 5 能提供位二进制温度值输出 可通过编程决定输出位数 912至 6 其工作电源既可采用寄生电源方式产生 也可在远端引入 电源电压范 围为 3 05 5VV 至 7 用户可自行设定非易失温度报警上下限值和 DS18B20 在完成温 H T L T 度转换后 所测得的温度值将自动与贮存在和内的触发值相比较 如果测 H T L T 温结果高于或低于 DS18B20 内部的警告标志就会被置位 表示温度值超 H T L T 出了测量范围 同时还有报警搜索命令可以识别出温度超限的 DS18B20 8 具有电源反接保护电路 2 DS18B20 的工作原理 DS18B20 的测温原理 12 如图 2 9 所示 它没有采用传统的 A D 转换原理 如逐次逼近法 双积分法和算术 A D 等 而是运用了一种将温度直接转换为频 率的时钟计数法 斜率累加器 预置 减法计数器 2 低温度系数震荡器预置 高温度系数震荡器减到 0 计数比较器 温度寄存器减到 0 减法计数器 1 增加 停止 图 2 9 DS18B20 测温原理框图 图 2 9 中低温度系数振荡器的振荡频率受温度影响很小 用于产生固定频 率的脉冲信号送给减法计数器 1 高温度系数振荡器随温度变化其振荡频率明 显改变 所产生的信号作为减法计数器 2 的脉冲输入 计数器 1 和温度寄存器 被预置在 55 所对应的基数值 计数器 1 对低温度系数振荡器产生的脉冲信号 进行减法计数 当计数器 1 的预置值减到 0 时 温度寄存器中的值将加 1 计 数器 1 的预置将重新被装入 计数器 1 重新开始对低温度系数振荡器产生的脉 哈尔滨理工大学学士学位论文 22 冲信号进行计数 如此循环 直到计数器 2 计数到 0 时 停止温度寄存器值的 累加 此时温度寄存器中的数值即为所测温度 斜率累加器用于补偿和修正测 温过程中的非线性 其输出用于修正减法计数器 1 的预置值 2 DS18B20 的供电方式 DS18B20 两种供电方式 12 寄生电源和外接电源方式 连接方法如图 2 10 所示 a 寄生电源方式 b 外接电源方式 图 2 10 DS18B20 的供电方式连接图 寄生电源方式下 DS18B20 的 VDD端和 GND 端都接地 只用一根单总线 和主机通信及获取电源 单总线上接的上拉电阻 和 DS18B20 芯片的寄4 7k 生电容形成充放电电路 外接电源方式下 DS18B20 的 VDD端外接一个 电源 GND 端接地 15 可见寄生电源方式可以省掉一根电源线 大大35V 较低了布线的成本 但是当总线上节点较多且同时进行温度转换时 容易造成 供电不足且所需的转换时间较长 外接电源方式稳定可靠 测量速度较快 所 以本系统采用外接电源供电方式 2 3 2 压力传感器设计压力传感器设计 压力传感器采用全介质固态压阻压力传感器 MPM380 这种传感器为线性 输出 温度补偿特性在 范围内可保证满量程 2 以上的精度 具有灵敏070至 度高 可靠性好 体积小 不锈钢膜片隔离的结构设计更适用于有腐蚀性的海 洋环境 2 3 2 1 固态压阻压力传感器固态压阻压力传感器 1 工作原理 半导体单晶硅材料在受到外力作用 13 14 产生肉眼根本察觉不到的极微小 应变时 其原子结构内部的电子能级状态发生变化 从而导致其电阻率剧烈的 变化 由其材料制成的电阻也就出现极大变化 这种物理效应叫压阻效应 这 时 由得 式中为电阻 为电阻率 为比例系数 l R A R R R 为应力 该式表示电阻率与应力成正比 用传感器的校验确定系数 人们是在本世纪五十年代才开始发现和研究这一效应的应用价值的 利用 压阻效应原理 采用三维集成电路工艺技术及一些专用特殊工艺 在单晶硅片 哈尔滨理工大学学士学位论文 23 上的特定晶向 制成应变电阻构成的惠斯顿检测电桥 并同时利用硅的弹性力 学特性 在同一硅片上进行特殊的机械加工 集应力敏感与力电转换检测于一 体的这种力学量传感器 称为固态压阻传感器 以气 液体压强为检测对象的则称为固态压阻压力传感器 它诞生于六十 年代末期 显然 它较之传统的膜合电位计式 力平衡式 变电感式 变电容 式 金属应变片式及半导体应变片式传感器技术上先进得多 目前仍是压力测 量领域最新一代传感器 2 主要特点 1 灵敏度高 硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高倍 13 14 故相应的传感器50100至 灵敏度很高 一般满量程输出为左右 因此对接口电路无特殊要求 应100mV 用成本相应较低 由于它是一种非机械结构传感器 因而分辨率极高 国外称 之无限 即主要受限于外界的检测读出仪表限制及噪声干扰限制 一般均可达 传感器满量程的十万分之一以下 硅压阻传感器在零点附近的低量程段无死区 且线性优良 2 精度高 由于固态压阻压力传感器的感受 敏感转换和检测三部分由同一个元件实 现 没有中间转换环节 所以不重复性和迟滞误差极小 同时由于硅单晶本身 刚度很大 形变很小 保证了良好的线性 因此综合静态精度很高 3 体积小 重量轻 动态频响高 由于芯体采用集成工艺 又无传动部件 因此体积小 重量轻 小尺寸芯 片加上硅极高的弹性模数 敏感元件的固有频率很高 在动态应用时 动态精 度高 使用频带宽 合理选择设计传感器外型 使用带宽可以从至 0Hz100kHz 4 性能稳定 可靠性高 由于工作弹性形变低至微应变数量级 弹性薄膜最大位移在亚微米数量级 因而无磨损 无疲劳 无老化 寿命长达压力循环次以上 7 10 5 温度系数小 由于微电子技术的进步 四个应变电阻的一致性可做的很高 加之激光修 调技术 计算机自动补偿技术的进步 目前硅压阻传感器的零位与灵敏度温度 系数已可达 数量级 即在压力传感器领域已超过温度系数小的应变式传感 5 10 器的水平 6 适应介质广 由于硅的优良化学防腐性能 与硅油的良好可兼容性 使得隔离式结构易 于实现 即使非隔离型的压阻压力传感器 也有相当程度的适应各种介质的能 力 2 3 2 2 MPM380 型压阻式压力传感器型压阻式压力传感器 Microsensor 公司研制的 MPM380 型压阻式压力传感器外观如图 2 14 所示 哈尔滨理工大学学士学位论文 24 图 2 11 MPM380 型压阻式压力传感器 该产品具有测量范围广 全不锈钢结构 恒流源供电 激光调阻补偿零点 和满度温度性能 可靠性高 精度高等特点 其各项性能指标如表 2 1 所示 表 2 1 MPM380 型压阻式压力传感器性能指标 测量范围测量范围 0 1MPa 0 20KPa 100MPa 过压过压1 5 倍满量程压力或