测量液体电导的两种新方法

　　1　引　言

　　电导测试技术广泛应用于化工、生物、医学、环保等领域,是对含液物系进行物性分析或组分测量的重要测试手段之一[1,2]。

　　图1(a)所示为现有典型电导(率)测试电路的工作原理。如果仅需要监测被测含液物系电导的相对变化,可用标准电阻取代RF。传统的电导测量电路采用交流正弦信号激励,通过对Vo放大、整流、滤波得到与被测电导对应的直流信号,缺点是测量分辨率低。为了克服这一缺陷,本文提出了一种基于锁相放大原理的高分辨率液体电导测量方法。此测量方法基于专用于小信号处理的锁相放大原理,可有效抑制信道噪声,实现了液体电导的高分辨率测量。

　　许多工业应用要求对液体电导进行高速测量,如最近工业自动化检测领域新出现的工业电导层析成像(ERT)系统就要求对含液物系内部电导率分布进行高速检测。多电极高速电导测量系统通常采用四电极电导测量方案,图1(b)为其原理图。四只电极浸入到被测导电液体中,其中两只电极组成激励电极对,另外两只组成检测电极对。当给激励电极对通入幅值和频率稳定的交流电流时,测量电极对上的输出电压的幅值与液体的电导有确定的对应关系[3~5]。

　　为了避免直流激励下的介质电极化现象,传统的电导测量方案采用正弦交流激励。在正弦交流信号激励下,传感器的输出信号要经过较复杂的滤波和整流环节处理才能得到反映被测液体电导的直流信号,测量速度受到限制。针对需要对液体电导进行高速测量的应用,本文介绍一种基于双极性脉冲电流技术的液体电导高速测量方法并介绍了具体实现电路。该电路通过采用新型的双极性脉冲电流激励技术,传感器输出信号在AD采样前后瞬间具有准直流特性,对传感器输出信号的滤波处理得以简化,实现了液体电导的高速测量。

　　本文对两种测量方法及其电路实现进行了深入分析,讨论了两种方法各自的特点,并对兼顾高速和高精度两方面特性的液体电导测量电路的设计提出了一些建议。

　　2　基于锁相放大原理的高分辨率液体电导测量方法

　　2.1　锁相放大器工作原理[6~8]

　　对含有大量噪声干扰的微弱信号,常用相关检测技术提取。锁相放大器就是以相关原理为基础的,其基本工作原理:对传感器施加一个幅度稳定的给定频率的正弦信号激励,传感器的输出信号为一个幅度调制的同频正弦波和各种噪声成分的复合信号。传感器的输出信号经过放大后与一个和激励信号同频率的参考信号进行相关运算,信号中的噪声成分由于与参考信号不具有相关性而在相关运算环节被充分抑制,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。