1 引 言

　　電導測試技術廣泛應用于化工、生物、醫(yī)學、環(huán)保等領域，是對含液物系進行物性分析或組分測量的重要測試手段之一［1，2］。

　　圖1（a）所示為現有典型電導（率）測試電路的工作原理。如果僅需要監(jiān)測被測含液物系電導的相對變化，可用標準電阻取代rf。傳統(tǒng)的電導測量電路采用交流正弦信號激勵，通過對vo放大、整流、濾波得到與被測電導對應的直流信號，缺點是測量分辨率低。為了克服這一缺陷，本文提出了一種基于鎖相放大原理的高分辨率液體電導測量方法。此測量方法基于專用于小信號處理的鎖相放大原理，可有效抑制信道噪聲，實現了液體電導的高分辨率測量。

　　許多工業(yè)應用要求對液體電導進行高速測量，如最近工業(yè)自動化檢測領域新出現的工業(yè)電導層析成像（ert）系統(tǒng)就要求對含液物系內部電導率分布進行高速檢測。多電極高速電導測量系統(tǒng)通常采用四電極電導測量方案，圖1（b）為其原理圖。四只電極浸入到被測導電液體中，其中兩只電極組成激勵電極對，另外兩只組成檢測電極對。當給激勵電極對通入幅值和頻率穩(wěn)定的交流電流時，測量電極對上的輸出電壓的幅值與液體的電導有確定的對應關系［3~5］。

　　為了避免直流激勵下的介質電極化現象，傳統(tǒng)的電導測量方案采用正弦交流激勵。在正弦交流信號激勵下，傳感器的輸出信號要經過較復雜的濾波和整流環(huán)節(jié)處理才能得到反映被測液體電導的直流信號，測量速度受到限制。針對需要對液體電導進行高速測量的應用，本文介紹一種基于雙極性脈沖電流技術的液體電導高速測量方法并介紹了具體實現電路。該電路通過采用新型的雙極性脈沖電流激勵技術，傳感器輸出信號在ad采樣前后瞬間具有準直流特性，對傳感器輸出信號的濾波處理得以簡化，實現了液體電導的高速測量。

　　本文對兩種測量方法及其電路實現進行了深入分析，討論了兩種方法各自的特點，并對兼顧高速和高精度兩方面特性的液體電導測量電路的設計提出了一些建議。

　　2 基于鎖相放大原理的高分辨率液體電導測量方法

　　2.1 鎖相放大器工作原理［6~8］

　　對含有大量噪聲干擾的微弱信號，常用相關檢測技術提取。鎖相放大器就是以相關原理為基礎的，其基本工作原理：對傳感器施加一個幅度穩(wěn)定的給定頻率的正弦信號激勵，傳感器的輸出信號為一個幅度調制的同頻正弦波和各種噪聲成分的復合信號。傳感器的輸出信號經過放大后與一個和激勵信號同頻率的參考信號進行相關運算，信號中的噪聲成分由于與參考信號不具有相關性而在相關運算環(huán)節(jié)被充分抑制，通過提高傳感器信號放大電路的增益實現高分辨率的測量。

　　若參考信號和經過放大的傳感器輸出信號分別為：

　　從式（3）可以看出，噪聲成分由于與參考信號沒有相關性所以對相關運算的結果沒有影響。鎖相放大器就是通過在信號處理電路中引入一個相關環(huán)節(jié)極大地提高電路的噪聲抑制能力。因為放大電路引入的信道噪聲和其它噪聲成分都與參考信號沒有相關性而被相關環(huán)節(jié)充分抑制，所以可以通過提高放大電路的增益來提高系統(tǒng)分辨率而不需擔心放大電路引入噪聲。

　　鎖相放大器的關鍵部分是一個相關解調環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)可以通過開關電路、乘法電路或數字式解調電路實現。常規(guī)的鎖相放大電路為基于數字信號處理器（dsp）的設計，系統(tǒng)設計復雜、成本高，不方便與傳感器系統(tǒng)集成。本文提出采用開關調制/解調專用集成電路實現開關鎖相放大器設計，簡化了電路設計，實現了低成本、高分辨率測量。

　　2.2 基于鎖相放大原理的電導測量電路

　　2.2.1 電路工作原理

　　基于鎖相放大原理的電導測量電路的工作原理如圖2所示。由文氏電橋振蕩電路產生幅度穩(wěn)定的頻率為1 khz的正弦波，此正弦波作為激勵信號施加到傳感器上。傳感器由浸入被測液體中的兩電極探頭與一個20ω取樣電阻串聯組成。被測液體的電導變化反映為測量電極對上等效阻抗的變化。在恒幅值正弦信號激勵下，當取樣電阻阻值相對于測量電極對上等效阻抗足夠小時，取樣電阻上的信號幅值與被測液體的電導成近似線性關系。測量電極對的輸出是一個幅度調制的正弦信號，此信號經過小信號放大電路放大后輸入到開關解調器的信號輸入端，開關解調器的參考信號由振蕩電路輸出的1 khz正弦信號經過移相得到。當開關解調器的參考信號與輸入信號相位一致時，開關解調器的輸出經過低通濾波成為直流信號。單片機系統(tǒng)通過a/d轉換電路對此直流信號進行采集并送遠程計算機進一步處理。

　　2.2.2 正弦振蕩電路設計

　　圖3所示為電導測量電路所采用的正弦振蕩電路。該正弦振蕩電路采用文氏電橋結構，以運算放大器ua741為核心構成。r1、c1及r2、c2決定振蕩電路的工作頻率，按圖3中數據構成的振蕩電路工作頻率為1 khz左右。二極管d1、d2起自動恒幅作用。

　　此振蕩電路結構簡單、易于調整，可輸出幅度、頻率穩(wěn)定的正弦信號。

　　2.2.3 移相器設計

　　移相器電路如圖4所示。移相器以運算放大器op07為核心構成。c1和r3的取值根據輸入信號的頻率確定，按圖中參數構成的移相器通過調整r1可以對頻率為1 khz的正弦信號實現0°~180°相移，具有電路結構簡單、易于調整的特點。

　　2.2.4 開關解調電路的設計

　　電路中的開關解調器由專用集成電路ad630實現，其內部結構如圖5所示。當參考信號vref》0時，ad630內部的放大器ampa與amp c連接，vout=vin;vref《0時，ad630內部的放大器amp b與amp c連接，vout=-vin。vref頻率與vin的載波頻率一樣，當它們的相位也嚴格一致時，該開關解調器對vin中的有用信號來說相當于一個理想檢波器。其它頻率的信號（如各種噪聲）則在參考信號的正半周期正向積分、在vref負半周期反向積分，前后半周期的積分值大體相互抵消，因而噪聲會被有效抑制。vout信號經過低通濾波處理即可得到與被測液體電導值相關的直流信號［9］。

　　2.3 基于鎖相放大原理的電導測量電路的特點

　　本文提出的基于鎖相放大原理的電導測量電路與傳統(tǒng)的電導測量電路相比有以下優(yōu)點：

　　（1）在采用交流激勵模式避免介質電極化現象的同時，基于鎖相放大原理的測量電路設計實現了對液體電導的高分辨率測量。

　　（2）采用開關調制/解調集成電路ad630為核心的鎖相放大電路設計，相對于常規(guī)的以數字信號處理（dsp）系統(tǒng)為基礎的鎖相放大器而言，電路結構簡單、易于實現、成本低。

　　2.4 測試結果

　　本文提出的測量電路采用具有16位分辨率的模數轉換集成電路ad7715與鎖相放大電路配合，具有較高的系統(tǒng)分辨力。應用本測量電路在常溫下對純凈水（電導率小于15μs/cm）的電導進行監(jiān)測，在被測液體電導池等效阻抗為1 kω時電路可分辨出液體電導0.05%的變化。

　　3 基于雙極性脈沖電流技術的液體電導高速測量方法

　　傳統(tǒng)的液體電導測量電路均采用交流電流源激勵，其主要目的是為了消除直流電流激勵下不可避免的介質極化現象。但交流激勵系統(tǒng)有一個無法克服的缺點：從測量電極對得到的交流電壓信號須經過較為復雜的濾波環(huán)節(jié)的處理才能轉換為適合數據采集單元采集的直流信號。復雜的濾波環(huán)節(jié)存在較嚴重的延時效應，限制了交流激勵的液體電導測量電路的數據采集速度［3~5］。

　　針對需要對液體電導進行高速測量的應用，本文介紹一種基于雙極性脈沖電流技術的液體電導測量方法，根據該方法設計的電導測量電路結構方框圖參見圖6。

　　電路中雙極性脈沖電流源的輸出電流波形類似于方波信號的波形，如圖7所示。在激勵信號的前半個周期和后半個周期，雙極性脈沖電流源的輸出為幅值相同、極性相反的直流信號。由于在激勵信號的前、后半周期，激勵電流同值反向，直流激勵情況下必然出現的介質極化現象得以避免。在每個測量周期內，系統(tǒng)對測量電極對上的電壓采樣兩次，一次a/d采樣在激勵信號的正半周期內，另一次a/d采樣在激勵信號的負半周期內，兩次a/d采樣結果的差值作為一個測量數據。由于兩次a/d采樣的間隔非常短（小于10μs），可以認為在此期間被測介質內的電導率分布未發(fā)生變化。通過取兩次a/d采樣的差值可以消除直流激勵系統(tǒng)存在的低頻噪聲，從而提高了系統(tǒng)的數據采集精度。a/d采樣的時刻是由單片機內部的一個定時器準確控制的，兩次a/d采樣時刻被嚴格控制在測量電極對輸出信號波形前、后半周期的80%處。測量電極對上的電壓信號在被采樣時已經穩(wěn)定，可以被高速a/d采樣電路作為直流信號處理。

　　如圖7（a）所示，當給激勵電極對通入圖中所示的雙極性脈沖電流信號后，電極對上的電壓波形為一近似的方波信號，產生這種信號的原因在于當電流激勵施加到激勵電極對上時，電場的存在導致了介質中電荷的移動，在電極的表面聚集了大量的電荷，引起邊界層效應。激勵電極對上的電壓波形與電流的強度、介質中電荷種類、電極的形狀等因素有關。而在測量電極對上，由于介質和電極表面間的電流可以忽略，不會造成邊界層效應，其電壓波形為一方波信號，其電壓幅值與驅動電流及介質中的電導分布成正比，如圖7（b）所示。由于a/d采樣點位于測量電極對上的電

　　壓波形穩(wěn)定后的平坦部位，在這一段時間內系統(tǒng)相當于受到了一個恒定的直流電流信號的激勵。測量電極對的輸出不再需要復雜的處理，濾波環(huán)節(jié)就可以大為簡化，這樣極大地提高了數據的采集速度，降低了系統(tǒng)的復雜程度。

　　作者已將采用雙極性脈沖電流源激勵的液體電導測量技術成功應用于電導層析成像系統(tǒng)多電極液體電導數據采集模塊中。數據采集模塊采用一對電極激勵，多對檢測電極檢測工作方式，可以每秒鐘采集150幀以上圖像的原始電導分布數據，每幀圖像的原始電導測量數據包含104個測量值，平均每采集一個電導數據用時約6.4μs。該數據采集模塊在全速工作時的有效測量分辨率在0.5%以內。

　　4 關于兩種液體電導測量方法的進一步討論

　　按照本文所介紹的液體電導測量的兩種新方法設計的測量電路分別具有高分辨率和高速測量的特點，有沒有可能對它們加以改進得到同時具有高分辨率和高測量速度的方法呢？下面就對本文所介紹的兩個測量方法進一步改進的可能性做一些討論。基于鎖相放大原理的電導測量方法是基于相關測量原理的，該方法采用單一頻率的恒幅正弦電壓源為傳感器提供激勵，而鎖相放大電路的窄帶濾波特性有效抑制了傳感器輸出信號中激勵信號頻率以外的頻率成分，這是該方法實現高分辨率電導測量的基礎。嚴格地講，基于鎖相放大原理的液體電導測量方法不能象基于雙極性脈沖電流技術的電導測量方法那樣實現極高速度的測量，但其測量速度仍有進一步提高的潛力。提高基于鎖相放大原理的液體電導測量電路的測量速度主要有以下途徑：

　　（1）提高激勵信號的頻率。

　　（2）改進小信號放大電路的高頻特性。

　　（3）用dsp電路實現相關運算。

　　目前，已經有科研人員通過以上途徑開發(fā)成功較高速度的液體電導測量系統(tǒng)并將其應用在電阻層析成像系統(tǒng)中，但從發(fā)表的文獻看類似電路仍有一些局限性：

　　（1）基于鎖相放大原理的電導測量電路具有的高分辨率特性沒有得到較好的保持。

　　（2）電路復雜、成本高。

　　（3）受原理限制，其數據采集速度仍遠不及基于雙極性脈沖電流技術的電導測量電路，而且提高測量速度的潛力不大。

　　基于雙極性脈沖電流技術的電導測量方法其最主要的特點是在采樣時間點附近測量電極對上的信號具有準直流特性。采樣電極對上信號輸出的準直流特性允許信號在不經過復雜濾波環(huán)節(jié)的處理而直接被a/d轉換器件采樣。這是該電導測量方法可以完成高速電導測量的關鍵所在，但也正是這一點限制了該測量方法的電導測量精度。嚴格地講，在給激勵電極對上施加交變激勵的情況下，采樣電極對上的信號輸出一定含有某些非直流成分。因而基于雙極性脈沖電流技術的電導測量電路中測量電極對上的輸出總是包含交流成分的，而這些交流成分 如果不能被濾波環(huán)節(jié)濾除就會限制電路的測量精度。對測量電極對的輸出信號進行最基本的濾波處理可以提高基于雙極性脈沖電流技術的電導測量電路的電導測量精度（a/d采集數據的有效分辨率），但所選用的濾波電路應具有比較快的響應速度，否則就可能成為限制整體電路測量速度的瓶頸。

　　5 結 論

　　本文介紹了兩種用于液體電導測量的新方法，給出了其電路實現并具體分析了兩種測量方法各自的特點。基于鎖相放大原理的電導測量方法能在低速測量的情況下實現液體電導的高分辨率檢測。而基于雙極性脈沖電流技術的電導測量方法能在保證一定測量精度的同時實現高速度的電導測量。在選擇液體電導測量電路的設計方案時，測量電路的分辨率和測量速度兩方面的性能指標始終是一對矛盾，電路設計應根據具體應用的要求并綜合考慮成本、電路實現的復雜程度等因素進行取舍。具體到在本文所述的兩個測量方案之間進行選擇，則應注 意發(fā)揮它們各自的優(yōu)點。若具體應用特別強調高分辨率測量，應當選擇基于鎖相放大原理的電導測量方法;若要求高速測量，宜選用基于雙極性脈沖電流激勵技術的電導測量方法。本文所提出的兩種液體電導測量方法可以為電導測試技術在工業(yè)領域的應用提供一些有益的借鑒。