专利名称：高分辨率液体电导测量方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高分辩率液体电导测量方法及其装置。
背景技术：
液体的电导是液体的基本物理参数之一。液体电导测试技术广泛应用于含液物系的化工、生物、医学、环保、水利、冶金、电力等行业的科研与生产过程。
电导测试技术所针对的被测液体种类繁多，不同的液体的电导特性差异很大，而常见的电导测量装置均为大测量范围的通用型仪器，虽然适用面较广但测量灵敏度和精度都比较低。由于导电液体在直流电压作用下会发生极化现象，电导测量装置都是对被测液体施加交流激励来进行测量的。从原理上说，所有测量交流阻抗的方法均可测量电导，常见的有电桥法、分压法、运放法及脉冲法。工程上应用最多的电导测量方法是分压法，其优点是结构简单、量程切换方便、容易构成宽测量范围的装置等，但其缺陷就是测量精度和灵敏度偏低(1％以上)。交流电桥法常用于高要求的实验室测量，其缺点是调整测量范围不方便。
虽然现有的电导测试系统对提高系统灵敏度提出了很多改进和优化措施，如提高激励信号的幅值、选用高增益的低噪声放大器、提高A/D转换器的分辩率等，但由于其设计原理的局限，对微弱的电导的测量仍然难以胜任。其根本原因在于，当传感器的输出信号变化非常微弱时，信道噪声成为显著的干扰源，信道噪声的幅值与有用信号的幅值相近或更大的情况下是不可能通过提高放大倍数来改善系统灵敏度的。
发明内容
本发明的目的是提供一种高分辩率液体电导测量方法及其装置。
高分辩率液体电导测量方法采用锁相放大原理实现液体电导的高分辩率测量，即是在对传感器施加一个幅度稳定的平衡调幅的正弦信号激励的情况下，把经过放大的传感器的输出信号与一个和传感器激励信号的载波同频率的参考信号进行相关运算，通过提高传感器信号放大电路的增益实现高分辨率的测量。
高分辩率液体电导测量装置具有电导测量电路板和电导探头，电导测量电路板的电路为振荡电路I依次与平衡调制电路、测量电桥、小信号放大电路、平衡解调电路、低通滤波电路I、整流电路、低通滤波电路II、模数转换电路、单片机、RS232接口相接，单片机与小信号放大电路相接，振荡电路II分别与平衡调制电路和移相器相接，移相器与平衡解调器相接。
本发明的优点1)采用锁相放大技术，适用于微弱电导测量本测量装置采用专门用于微弱小信号处理的锁相放大技术，从原理上保证了系统有较高的灵敏度和较大的动态范围。锁相放大电路采用平衡调幅的交流电压源作为电导传感器激励源，一方面削弱了采用直流信号作为系统激励源时难以解决的电极化问题，与常规的电导测量电路相比系统的信噪比大为提高；2)简化锁相放大器的设计，实现低成本、高灵敏度测量常规的锁相放大电路为基于数字信号处理器(DSP)的设计，系统设计复杂、成本高，不方便与传感器系统集成。本测量装置采用平衡调制/解调专用集成电路实现了开关锁相放大器，系统结构简化，可实现低成本、高灵敏度的液体电导测量；3)经过优化设计的电导测量探头符合中药行业的卫生要求。
图1是高分辨率液体电导测量装置结构示意2是高分辨率液体电导测量装置电路方框图；图3是本发明的平衡调制电路的输入和输出波形图；图4是本发明的振荡电路原理图；图5是本发明的0-180°移相器的原理图；图6是本发明的电导测量探头结构图。
具体实施例方式
本发明采用锁相放大原理实现液体电导的高分辩率测量，即是在对传感器施加一个幅度稳定的平衡调幅的正弦信号激励的情况下，把经过放大的传感器的输出信号与一个和传感器激励信号的载波同频率的参考信号进行相关运算，由于各种噪声信号与载波信号没有相关性，相关运算的结果仅仅反映与传感器输出相关的部分，各种噪声信号对相关运算结果影响近似为零。采用锁相放大原理可以有效抑制信号放大电路的噪声，传感器信号放大电路引入的信道噪声不会恶化测量电路输出信号的信噪比，从而可以通过提高传感器信号放大电路的增益实现高分辨率的测量。
如图1所示，高分辩率液体电导测量装置具有电导测量电路板和电导探头，电导测量电路板的电路为振荡电路I依次与平衡调制电路、测量电桥、小信号放大电路、平衡解调电路、低通滤波电路I、整流电路、低通滤波电路II、模数转换电路、单片机、RS232接口相接，单片机与小信号放大电路相接，振荡电路II分别与平衡调制电路和移相器相接，移相器与平衡解调电路相接。
本发明采用专门用于强噪声背景下的小信号提取的锁相放大技术把系统信噪比提高80dB以上。锁相放大电路的核心功能是对传感器输出信号进行相敏解调，相敏解调可以通过开关电路、乘法电路及数字信号处理系统来实现。本发明采用开关电路实现解调，以平衡调制/解调集成电路AD630为核心构成的锁相放大电路有效地提高了电导测量装置的灵敏度，并使装置结构简化、更为实用。
两个文氏电桥振荡电路分别生成频率为10Hz和1KHz的正弦信号，10Hz的正弦信号提供给由集成电路AD630构成的平衡调制器作为调制输入，1KHz的正弦信号作为载波信号连接到平衡调制器的载波输入端。
平衡调制器的输出信号为平衡调幅信号，其波形图如附图3所示。该平衡调幅信号通过一个电压跟随器后为测量电桥提供激励。
电导传感器电路的结构为交流不平衡电桥，由电导探头连接导线、电极、被测溶液的等效阻抗构成的综合阻抗作为电桥的一个臂。电导传感器的输出是一个微弱的平衡调幅信号，此信号经过由AD620构成的差分放大器放大50倍，AD620的输出端连接到平衡解调器的信号输入端。
为保证平衡解调器能对传感器输出的平衡调幅信号进行正确解调，必须保证提供给解调器的参考信号与输入信号的载波同频率、同相位。符合上述条件的参考信号是通过0-180°移相器对1KHz正弦信号移相得到的。
如图4所示，振荡电路是以运算放大器OP07CP为核心构成，运算放大器OP07CP的第7脚与正电源相接，运算放大器OP07CP的第4脚与负电源相接，运算放大器OP07CP的第2脚依次与电阻R3、电阻R4相接，电阻R3的另一端接电源地，电阻R4的另一端与可调电阻R5的第2脚相接，可调电阻R5的第3脚与可调电阻R6的第1脚相接，可调电阻R6的第2脚与运算放大器OP07CP的第6脚及电阻R1相接，电阻R1的另一端与电容C1相接，电容C1的另一端分别与电容C2、电阻R2和运算放大器OP07CP的第3脚相接，电容C2的另一端及电阻R2的另一端接电源地。
如图5所示，移相器是以运算放大器OP07为核心，电阻R1的一端接信号输入，R1的另一端接运算放大器OP07的第2脚，电阻R2的一端接运算放大器OP07的第2脚，电阻R2的另一端接运算放大器OP07输出端第6脚，电容C1的一端接信号输入，电容C1的另一端接运算放大器OP07的第3脚，运算放大器OP07的第3脚通过可调电阻R3接地，运算放大器OP07的第7脚接正电源，第4脚接负电源。
通过调整移相器中R3的电阻值，可以使移相器的输出相对于其输入信号有0-180°的相位偏移量。具体调整时，须用示波器同时观察平衡解调电路的输出波形，以平衡解调电路能实现完全的解调制为标准，此时平衡解调器的输出应为较规则的10Hz正弦交流波形。
平衡解调器的输出为频率10Hz的正弦交流信号，其幅度与电导传感器电桥的输出成线性关系。该正弦交流信号经过由AD630构成的理想整流电路及低通滤波器滤波后生成一个直流电压信号，此直流电压信号的大小反映了被测液体电导的大小。此直流信号被模数转换电路采样，模数转换电路的输出的数字量由单片机存储、数字滤波并通过RS232接口传送到上位计算机。
如图6所示，本发明对电导探头的设计没有特别要求，可以和大多数常见的电导测量探头配合构成完整的液体电导测量系统。针对中医药行业在中药制造过程中对含中药材溶液进行状态检测的需求，本发明经过优化设计的电导探头，此探头具有防腐、无污染、不与被测液体发生电化学反应等特点，与所说的电导测量装置配合构成完整的电导测试系统，实现中药制造过程中溶液电导特性的在线监测，为中药制造过程中的状态监测提供一种量化的、简便的、低成本的解决方案。
针对中药制造过程中含中药材溶液的电导测量而专门设计的电导探头电导探头具有与玻璃瓶连接的软木塞1，软木塞的中心部位开孔并与玻璃棒2紧密连接，玻璃棒内部有一个屏蔽罩4，屏蔽罩内具有连接电导测量电极的电极引线3和测量电极5，玻璃棒底端开矩形槽，一对矩形测量电极附着在矩形槽的相对两壁上，测量电极表面有导电陶瓷保护薄层7，玻璃棒内嵌温度测量套管，温度测量套管底部封闭、突出玻璃棒外并与电导测量电极平齐，温度测量套管内部具有测温热电阻6，热电阻接线和电导电极引线由玻璃棒顶端引出。
电导探头上的温度传感器PT100接入温度测量电桥电路的一个桥臂中。温度测量电桥由一个2.5V恒压直流电源供电，电桥的输出经过程控放大器放大、模数转换后由单片机系统采集。
权利要求
1.一种高分辩率液体电导测量方法，其特征在于它采用锁相放大原理实现液体电导的高分辩率测量，即是在对传感器施加一个幅度稳定的平衡调幅的正弦信号激励的情况下，把经过放大的传感器的输出信号与一个和传感器激励信号的载波同频率的参考信号进行相关运算，通过提高传感器信号放大电路的增益实现高分辨率的测量。
2.一种高分辩率液体电导测量装置，其特征在于它具有电导测量电路板和电导探头，电导测量电路板的电路为振荡电路I依次与平衡调制电路、测量电桥、小信号放大电路、平衡解调电路、低通滤波电路I、整流电路、低通滤波电路II、模数转换电路、单片机和RS232接口相接，单片机与小信号放大电路相接，振荡电路II分别与平衡调制电路和移相器相接，移相器与平衡解调电路相接。
3.根据权利要求2所述的一种高分辩率液体电导测量装置，其特征在于所说的振荡电路以运算放大器OP07CP为核心构成，运算放大器OP07CP的第7脚与正电源相接，运算放大器OP07CP的第4脚与负电源相接，运算放大器OP07CP的第2脚依次与电阻(R3)、电阻(R4)相接，电阻(R3)的另一端接电源地，电阻(R4)的另一端与可调电阻(R5)的第2脚相接，可调电阻(R5)的第3脚与可调电阻(R6)的第1脚相接，可调电阻(R6)的第2脚与运算放大器OP07CP的第6脚及电阻(R1)相接，电阻(R1)的另一端与电容(C1)相接，电容(C1)的另一端分别与电容(C2)、电阻(R2)和运算放大器OP07CP的第3脚相接，电容(C2)的另一端及电阻(R2)的另一端接电源地。
4.根据权利要求2所述的一种高分辩率液体电导测量装置，其特征在于所说的移相器以运算放大器OP07为核心，电阻(R1)的一端接信号输入，(R1)的另一端接运算放大器OP07的第2脚，电阻(R2)的一端接运算放大器OP07的第2脚，电阻(R2)的另一端接运算放大器OP07输出端第6脚，电容(C1)的一端接信号输入，电容(C1)的另一端接运算放大器OP07的第3脚，运算放大器OP07的第3脚通过可调电阻(R3)接地，运算放大器OP07的第7脚接正电源，第4脚接负电源。
5.根据权利要求2所述的一种基于锁相放大原理的高分辩率液体电导测量装置，其特征在于所说的电导探头具有与玻璃瓶连接的软木塞(1)，软木塞的中心部位开孔并与玻璃棒(2)紧密连接，玻璃棒内部有一个屏蔽罩(4)，屏蔽罩内具有连接电导测量电极的电极引线(3)和测量电极(5)，玻璃棒底端开矩形槽，一对矩形测量电极附着在矩形槽的相对两壁上，测量电极表面有导电陶瓷保护薄层(7)，玻璃棒内嵌温度测量套管，温度测量套管底部封闭、突出玻璃棒外并与电导测量电极平齐，温度测量套管内部具有测温热电阻(6)，热电阻接线和电导电极引线由玻璃棒顶端引出。
全文摘要
本发明公开了一种基于锁相放大原理的高分辨率液体电导测量方法与装置。它是在对传感器施加一个幅度稳定的平衡调幅的正弦信号激励的情况下，把经过放大的传感器的输出信号与一个和传感器激励信号的载波同频率的参考信号进行相关运算。装置具有电导测量电路板和电导探头，电导测量电路板的电路为振荡电路I依次与平衡调制电路、测量电桥、小信号放大电路、平衡解调电路、低通滤波电路I、整流电路、低通滤波电路II、模数转换电路、单片机、RS232接口相接，单片机与小信号放大电路相接，振荡电路II分别与平衡调制电路和移相器相接，移相器与平衡解调器相接。本发明采用锁相放大技术，适用于微弱电导测量；简化锁相放大器的设计，实现低成本、高灵敏度测量。
文档编号G01R27/22GK1584611SQ20041002480
公开日2005年2月23日 申请日期2004年5月26日 优先权日2004年5月26日
发明者黄志尧, 刘铁军, 王保良, 冀海峰, 李海青 申请人:浙江大学
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