10288019_閔松_測(cè)控技術(shù)與儀器_四電極電導(dǎo)率傳感器的設(shè)計(jì)

1、存檔日期：存檔編號(hào)：本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論文題 目：四電極電導(dǎo)率傳感器的設(shè)計(jì)姓名：閔 松學(xué)院：電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)、學(xué)號(hào)：10電8110288019指導(dǎo)教師：丁啟勝江蘇師范大學(xué)教務(wù)處印制電導(dǎo)率傳感器作為一種測(cè)溶液電導(dǎo)率的重要手段，被廣泛應(yīng)用于環(huán)保技術(shù)，如水質(zhì)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。而電極式電導(dǎo)率傳感器作為電導(dǎo)率傳感器的一種，具有測(cè)量電路相對(duì)簡單、成本較低、結(jié)構(gòu)尺寸小、工作穩(wěn)定可靠和能較好地消除電極極化效 應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)得以快速的發(fā)展。測(cè)量溶液的電導(dǎo)率不僅離不開電導(dǎo)率傳感器，而且也被廣泛應(yīng)用在國防、科學(xué)研究以及很多重工業(yè)等領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的兩電極電導(dǎo) 率傳感器，且作為目前比較先進(jìn)的測(cè)量方法

2、，西方國家已經(jīng)較為廣泛地應(yīng)用四電 極的方法測(cè)量溶液電導(dǎo)率。為了有效的消除一定測(cè)量誤差，也就是避免測(cè)量過程中的極化作用， 四電極 電導(dǎo)率傳感器運(yùn)用的方法是將電壓電極與電流電極相互獨(dú)立開來。 本設(shè)計(jì)也同時(shí) 采用了溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)，消除了測(cè)量過程中溫度對(duì)電導(dǎo)率值的影響。本次設(shè)計(jì)流程是由電導(dǎo)池中測(cè)得的模擬量先經(jīng)過放大濾波等處理后， 再對(duì)模 擬量的峰值進(jìn)行檢測(cè)，最后進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)送給單片機(jī)進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換。最后 通過計(jì)算得出電導(dǎo)率值并通過 LCD顯示。經(jīng)過這樣的一系列過程，四電極電導(dǎo)率 傳感器就可以比較準(zhǔn)確的測(cè)出溶液的電導(dǎo)率了。關(guān)鍵詞：四電極電導(dǎo)率傳感器溫度補(bǔ)償AbstractConductivity

3、sensor as an important means of measuring the electrical con ductivity of the soluti on, is widely used in en vir onmen tal tech no logies such as water quality mon itor ing. The electrode con ductivity sensor as a conductivity sensor has a measurementcircuit is relatively simple, low cost, small si

4、ze structure, stable and reliable, and can better elim in ate the adva ntages of electrode polarizati on effects, etc. to rapid development. Measuring the conductivity of the solution is not only in separable from the con ductivity sen sor, but also is widely used in the fields of n ati onal defe ns

5、e, scie ntific research and a lot of heavy in dustry. Compared to the traditi onal two-electrode con ductivity sen sors, and more adva need as the curre nt measuri ng method, the Wester n coun tries have been more widely used method of four-electrode conductivity measureme nt soluti on.In order to e

6、ffectively elim in ate a measureme nterror, which is to avoid the polarizati on of the measuri ng process, the use of four-electrode conductivity sensor electrode is the voltage and current electrodes are in depe ndent ope n. This desig n also uses a temperature compe nsatio n experime nts to elim i

7、n ate the in flue nee of temperature on the measureme nt of the con ductivity value.The analog design process is measured by the conductivity of the pool through the first filtering, amplification processing, and then the an alog peak detecti on, while the final temperature compe nsati on to the sin

8、 gle-chip A / D conversion. Fin ally con ductivity values obta ined by calculation and through LCD display. After this series of processes, four-electrode conductivity sensors can more accurately measure the con ductivity of the soluti on.Key words: Four-electrode Conductivity Sensors Temperature co

9、mpe nsati on摘要 IAbstract II1緒論 11.1 課題的研究背景及意義 11.2國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 11.3課題主要完成的任務(wù) 32四電極電導(dǎo)率傳感器設(shè)計(jì)的理論依據(jù) 52.1 溶液的電導(dǎo)和電導(dǎo)率 52.2電導(dǎo)率的測(cè)量原理及方法 52.3影響檢測(cè)的因素 63電導(dǎo)率檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì) 93.1 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案 93.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 93.3 各主要部分硬件設(shè)計(jì) 104電導(dǎo)率檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì) 214.1 主程序流程圖 224.2 熱敏電阻阻值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系、程序及溫度補(bǔ)償 234.3 顯示模塊設(shè)計(jì) 255總結(jié)與展望 28附錄 30致謝 30參考文獻(xiàn) 311緒論1.1

10、課題的研究背景及意義作為主要運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域的一種傳感器，電導(dǎo)率傳感器在一般是用來測(cè)量 超純凈水，純凈水，飲用水，污水等溶液電導(dǎo)率或水樣的總離子濃度的。隨著工 業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和城市化的大力推進(jìn)，工業(yè)污水和生活排污已嚴(yán)重影響城市的水質(zhì) 有效監(jiān)測(cè)污水和環(huán)境保護(hù)成了當(dāng)務(wù)之急。 首先，必須對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的污水管 道，污水排放的實(shí)施，有必要測(cè)試水位和流動(dòng)通道中的放電。 與污水直接接觸的 測(cè)量方法是電極法，用電極法測(cè)量污水電導(dǎo)，用此種方法來獲得污水液位深度具 有簡單、實(shí)用的特點(diǎn)。但是，因?yàn)槲鬯后w的溫度以及成分存在不確定性，所以 污水的電導(dǎo)率值并不固定，而直接采用傳統(tǒng)的測(cè)量法測(cè)量計(jì)算污水電導(dǎo)， 往往會(huì) 引

11、起很大的測(cè)量誤差，甚至是無法測(cè)量。對(duì)于四電極法電導(dǎo)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)是可以避 免測(cè)量時(shí)的極化誤差，四電極法目前更多的使用在在線電導(dǎo)率儀上和外國實(shí)驗(yàn) 室。由于電極極化的存在，用兩電極電導(dǎo)率傳感器測(cè)量，其測(cè)量范圍和測(cè)量精度 有很大的局限性，用四電極電導(dǎo)率傳感器測(cè)量，在測(cè)量精度和測(cè)量范圍方面，取 得了突破性的進(jìn)展。通過多年的鉆研積累，四電極電導(dǎo)率傳感器技術(shù)已相對(duì)成熟， 并且商業(yè)化投產(chǎn)成功。設(shè)計(jì)應(yīng)基于國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)的調(diào)查與分析， 對(duì)于四電極電 導(dǎo)率傳感器，運(yùn)用電極的方法，以及集成電路和電導(dǎo)檢測(cè)裝置的微控制器的設(shè)計(jì)， 重點(diǎn)對(duì)電導(dǎo)率測(cè)試數(shù)據(jù)的信號(hào)調(diào)理電路和單片機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)，包括檢測(cè)電極，模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)及L

12、CD的顯示部分。1.2國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1電導(dǎo)率測(cè)量方法與溫度補(bǔ)償方法目前，國內(nèi)外有多種用電極法測(cè)量電導(dǎo)率。從激勵(lì)源劃分，AC測(cè)量和DC測(cè)量是主要的測(cè)量方法，交流測(cè)量方法多種多樣，為了降低極化效應(yīng)所造成的誤差， 交流勵(lì)磁電源采用正弦波和方波脈沖。 兩電極法與四電極法是所使用的兩種主要 的測(cè)量電導(dǎo)率的方式。四電極電導(dǎo)率傳感器不同于傳統(tǒng)二電極， 它由一對(duì)電壓與 一對(duì)電流電極組成。目前兩電極依然是國內(nèi)主要的電導(dǎo)率測(cè)量手段。根據(jù)電導(dǎo)率 測(cè)量的原理方面的不同，所以測(cè)量方法大致可分四種：（1）平衡電橋法：用惠斯通電橋的設(shè)計(jì)，電導(dǎo)池作為橋梁，橋臂，然后調(diào) 整可變電阻的另一座橋的橋臂達(dá)到平衡狀態(tài)

13、，即可計(jì)算電導(dǎo)率。（2）電阻分壓法：電測(cè)量與分壓器系列導(dǎo)電電阻，和電阻分壓器使用的可 調(diào)范圍，然后放大，整流濾波電路，這種測(cè)量方法是比較成熟且應(yīng)用廣泛的。（3）比值法：運(yùn)算放大器的反相輸入端接電導(dǎo)池，通過在運(yùn)放的輸出端接 反饋電阻就能得到和正比于輸入信號(hào)的輸出電壓信號(hào)。（4）頻率法：采用電阻頻率變換電路，將電導(dǎo)率轉(zhuǎn)換成正比于它的頻率信號(hào)； 或采用多諧振蕩電路，電極作為振蕩電路的一部分，將電導(dǎo)率信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻率信 號(hào)。這種方法除了成本和結(jié)構(gòu)方面有優(yōu)越性，且適合做便攜式的電導(dǎo)率儀以外， 還可以提供相對(duì)高精度遠(yuǎn)距離傳輸方式。溫度對(duì)溶液電導(dǎo)率的變化，是最有影響的外部因素，通過溫度補(bǔ)償措施減少 溫度對(duì)電導(dǎo)

14、率測(cè)量的影響，電導(dǎo)率的溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，主要是以下三種。（1）恒溫法：將待測(cè)溶液放于恒溫箱中，當(dāng)溫度達(dá)到基準(zhǔn)溫度時(shí)再進(jìn)行測(cè) 量。此方法需要精確但很昂貴的恒溫箱，但不適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。（2）手動(dòng)溫度補(bǔ)償法：對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行溫度補(bǔ)償，存在誤差是補(bǔ)償一大缺點(diǎn)， 因?yàn)殡娊赓|(zhì)溶液的電導(dǎo)率溫度系數(shù)是2%。以測(cè)量純水舉例，必須要先測(cè)被測(cè)對(duì) 象的溫度才行。（3）自動(dòng)溫度補(bǔ)償法：該方法包括熱敏電阻溫度補(bǔ)償?shù)姆椒?，參考方法?溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ瘘c(diǎn)逼近。通過擬合的電導(dǎo)率與溫度的經(jīng)驗(yàn)公式， 是常用的溫度 補(bǔ)償方法。通過運(yùn)用一個(gè)微處理器的存儲(chǔ)和計(jì)算功能， 通過直接計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn) 溫度補(bǔ)償，以查表或擬合公式作為計(jì)算基礎(chǔ)的。1.2.

15、2四電極電導(dǎo)率傳感器技術(shù)現(xiàn)狀四電極電導(dǎo)池是由兩對(duì)同軸的電壓電極與電壓電極組成的，測(cè)量時(shí)候，兩個(gè)電流電極浸在被測(cè)液體中，并在其縫隙中通過，電流電極兩端施加一個(gè)交流信號(hào) 和電流，在液體培養(yǎng)基中建立電場(chǎng)，兩個(gè)電壓電極感應(yīng)電壓，在兩個(gè)電極電壓兩 端的電壓保持不變，液體電導(dǎo)率與通過兩個(gè)電流電極極間的電流呈現(xiàn)線性關(guān)系。1.2.3國內(nèi)外概況及應(yīng)用目前，先進(jìn)技術(shù)一般集中在國外。他們已經(jīng)相繼開發(fā)出了具有高技術(shù)水平四 電極、六電極、七電極、八電極電導(dǎo)率傳感器。然而國內(nèi)的電極式電導(dǎo)率傳感器 一般都為二電極、三電極，遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于國際先進(jìn)水平。近年來，四電極測(cè)電導(dǎo)技 術(shù)在國外得到迅速發(fā)展，但在國內(nèi)運(yùn)用四電極原理開發(fā)四電極

16、電導(dǎo)率傳感器的公 司相對(duì)較少，目前用戶們使用的電導(dǎo)率傳感器產(chǎn)品主要是由意大利HANNA公司、美國哈希公司等國外公司提供，而且國外的產(chǎn)品由于有先進(jìn)的技術(shù)含量， 所 以價(jià)格偏高。本文設(shè)計(jì)的四電極式電導(dǎo)率傳感，具有測(cè)量精度高、電導(dǎo)池穩(wěn)定、 價(jià)格便宜、使用壽命長、測(cè)量范圍廣等特點(diǎn)，并且具有很好的沖水性，提高了抗 生物附著和抗污染的能力，特別的適用于海洋水文、化工、水環(huán)境監(jiān)測(cè)、水質(zhì)控 制等領(lǐng)域中。1.3課題主要完成的任務(wù)1.3.1課題總體思路本課題在調(diào)研分析國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)和研讀相關(guān)文獻(xiàn)關(guān)于四電極電導(dǎo)率傳感 器的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際分析了其各自優(yōu)缺點(diǎn)。擬采用微控制器設(shè)計(jì)的電導(dǎo)率檢測(cè) 裝置作為基礎(chǔ)，結(jié)合電極法和

17、集成運(yùn)算電路，重點(diǎn)在單片機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件以及電 導(dǎo)率檢測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，包括檢測(cè)電極、模擬數(shù)字變換、微控制器顯示等 部分。1.3.2傳感器探頭的選擇因?yàn)槭陔S著溫度的變化時(shí)，體積變化小，而且不易產(chǎn)生裂紋、破損，具 有良好的熱穩(wěn)定性，所以本設(shè)計(jì)中電極選用的是致密的石墨為材料制作而成。常溫時(shí)，石墨不易受任何有機(jī)溶劑和強(qiáng)酸強(qiáng)堿性物質(zhì)腐蝕影響，所以具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，石墨的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能強(qiáng)、可塑性強(qiáng)、易加工、價(jià)格便宜，所以 是應(yīng)用于制作電導(dǎo)電極的良好材料。制作探頭時(shí)，電壓電極和電流電極必須同軸， 兩側(cè)的電極要保持對(duì)稱，而且相對(duì)其他電極的距離固定。133測(cè)量電路設(shè)計(jì)測(cè)量電路設(shè)計(jì)主要考慮電路溫度

18、補(bǔ)償、 分辨率、響應(yīng)時(shí)間、穩(wěn)定性等方面的 性能。測(cè)量時(shí)，PC機(jī)發(fā)出命令，通過信號(hào)線傳到MCU，MCU控制激勵(lì)信號(hào)源 產(chǎn)生所需頻率的交流激勵(lì)信號(hào)，對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行濾波放大處理后，MCU根據(jù)測(cè)量檔位，選擇適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)幅度，激勵(lì)信號(hào)電流流過校準(zhǔn)電阻和電導(dǎo)池；MCU 先后選擇校準(zhǔn)電阻和電導(dǎo)池反饋信號(hào)， 放大后，經(jīng)過交直流轉(zhuǎn)換，再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn) 換，獲得相應(yīng)的電阻值；同時(shí)，MCU通過采集所測(cè)溶液溫度，再依據(jù)電導(dǎo)池常 數(shù)等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算估測(cè)以及修正來獲得電導(dǎo)率值。1.3.4溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)對(duì)同一被測(cè)液體，溫度越高，電導(dǎo)率增大，所以溫度對(duì)流體的電導(dǎo)率是影響 較大的測(cè)量；相反，溫度越低，電導(dǎo)率越小。為了克服溫度對(duì)電導(dǎo)

19、率測(cè)量的影響， 常常采用溫度補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。將被測(cè)液在實(shí)際溫度下的測(cè)得的電導(dǎo)率值轉(zhuǎn)換成參考溫 度下的電導(dǎo)率值。使得被測(cè)液在呈現(xiàn)溫度時(shí)，電導(dǎo)率具有可比性，以滿足各行各 業(yè)比對(duì)或控制指標(biāo)的需要。2四電極電導(dǎo)率傳感器設(shè)計(jì)的理論依據(jù)2.1溶液的電導(dǎo)和電導(dǎo)率導(dǎo)體通?？梢苑譃閮煞N。一種叫做電子型導(dǎo)體，它是電場(chǎng)作用下的自由電子 定向運(yùn)動(dòng)，從而使導(dǎo)體導(dǎo)電；另一種叫做離子型導(dǎo)體，顧名思義，是離子定向移 動(dòng)使導(dǎo)體導(dǎo)電的結(jié)果。一般來說，導(dǎo)電能力測(cè)量電子導(dǎo)體使用電阻(歐洲)，導(dǎo)電能力和離子導(dǎo)體的測(cè)量使用電導(dǎo)(西門子)。本設(shè)所計(jì)研究的污水液體即為常 見的離子型導(dǎo)體。導(dǎo)體電阻表示：R = -(2-1)A其中R是電阻，是導(dǎo)體的電

20、阻率，L是導(dǎo)體的有效長度，A是導(dǎo)體的有 效橫截面積。由于電子導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)為正， 電阻溫度系數(shù)為負(fù)的是離子導(dǎo)體。為了 便于表達(dá)和應(yīng)用，相比于電子導(dǎo)體的電阻，通過用電導(dǎo)表達(dá)性離子導(dǎo)體。因?yàn)殡娮璧牡箶?shù)即為電導(dǎo)，所以電導(dǎo)表示為：G =1 A =k-(2-2)其中k是所要求的電導(dǎo)率，另外 A表示橫截面積，G是以西門子為單位的 電導(dǎo)。溶液導(dǎo)電能力的一個(gè)衡量指標(biāo)就是電導(dǎo)率 k。由k是的倒數(shù)能推算出：(2-3)其中k是電導(dǎo)率，單位scm-1，是電極常數(shù)。從上述分析可得，檢測(cè)溶液電阻即可測(cè)得溶液電導(dǎo)率。2.2電導(dǎo)率的測(cè)量原理及方法有時(shí)候用電導(dǎo)率表示水的純度，大多數(shù)用電導(dǎo)率表示溶液傳導(dǎo)電流能力。 溶 液的電

21、導(dǎo)率跟帶電荷物質(zhì)的性質(zhì)、溫度以及濃度等有很大關(guān)系。電導(dǎo)率的測(cè)量一般采用三種方法，電磁式電導(dǎo)率測(cè)量方法、超聲波電導(dǎo)率測(cè) 量方法和電極式電導(dǎo)率測(cè)量方法。 超聲波測(cè)量法，顧名思義，是利用超聲波技術(shù) 來完成測(cè)量的；電磁測(cè)量法是利用了電磁感應(yīng)原理， 運(yùn)用改變磁通量的方法來實(shí) 現(xiàn)測(cè)量的；通過測(cè)量極見電阻，從而間接測(cè)溶液的電導(dǎo)率，此方法叫做電極測(cè)量 法。其中，超聲波測(cè)量法和電磁式測(cè)量法檢測(cè)元件并非與被測(cè)溶液直接相接觸， 常常用來測(cè)量強(qiáng)腐蝕性液體電導(dǎo)率，如強(qiáng)酸與強(qiáng)堿。但是由于其測(cè)量機(jī)理的限制， 測(cè)量電導(dǎo)率的范圍較窄，無法測(cè)量低電導(dǎo)溶液，所以應(yīng)用比較少。電極測(cè)量方法 是基于電導(dǎo)原理，再將電極直接插入的解決方案，

22、這是目前常用的電導(dǎo)率測(cè)量方 法，對(duì)于特定的電極測(cè)量的動(dòng)態(tài)脈沖法，頻率法測(cè)量方法，相敏檢測(cè)法，壓力法, 雙脈沖的方法。2.3影響檢測(cè)的因素衡量水質(zhì)的一大重要標(biāo)準(zhǔn)就是電導(dǎo)率。它反映了不同濃度的不同的導(dǎo)電性的 水溶液，對(duì)電解質(zhì)電導(dǎo)率檢測(cè)溶液中溶解度。 由于科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，液體濃 度也提出了更高的要求。電導(dǎo)檢測(cè)溶液在兩個(gè)板見加上電壓， 測(cè)量兩個(gè)板塊之間的電阻，但因?yàn)殡妷?是交流，在實(shí)踐中，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電阻器，電容器的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu) 圖如圖2-1所示。圖2-1電導(dǎo)池等效電路圖圖中Cdll和Cdl2是溶液和電極表面所形成的雙電層，溶液的電阻用 Rx表 示，電解質(zhì)電容用Cp表示，弓I線電阻分別

23、用RI1和RI2表示，而極化作用后的 法拉第阻抗用Z1和Z2表示。用于本設(shè)計(jì)測(cè)量的電導(dǎo)池電極按照特定的幾何形狀來裝配的，它的電阻測(cè)量值由樣品溶液流通體積的長度和電極的面積決定，簡而言之，取決于單個(gè)電導(dǎo)池幾何結(jié)構(gòu)。在測(cè)量電導(dǎo)率時(shí)，電導(dǎo)率的測(cè)量將受三因素影響，如溫度，極化效應(yīng) 和電容效應(yīng)。且測(cè)量電導(dǎo)池中電導(dǎo)率，這往往是一個(gè)繁雜的電化學(xué)進(jìn)程。影響檢測(cè)的主要因素：（1）極化效應(yīng)：電極見用交流電壓源取代直流電壓，是為了防止嚴(yán)重的極化現(xiàn)象而使溶液的電阻增大，引起較大誤差。但在檢測(cè)高濃度溶液，電壓有直流 分量的情況下，仍然會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象。極化造成的誤差：(2-4)極化反電勢(shì)用U表示，測(cè)量偏差用.表示，溶液電

24、阻用Rx表示，f是激勵(lì) 源頻率。由式2-3可知，降低反電動(dòng)勢(shì)的極化，提高激勵(lì)頻率和溶液的電阻可以減少 偏差。但由于被測(cè)溶液電阻不允許改變， 且為了防止電容效應(yīng)，頻率也不允許無 限制提高，所以提高頻率一般10004000Hz即可。要求不高，也可采用50Hz交 流電。（2）電容效應(yīng)：圖2-2中，當(dāng)溶液電阻較小時(shí)，溶液電阻和雙電層電容相 當(dāng)，所以具有明顯的分壓作用。當(dāng)溶液電阻較大時(shí)，溶液電阻和電解質(zhì)電容相當(dāng)， 所以具有嚴(yán)重的分流現(xiàn)象。為了提高檢測(cè)的靈敏度，第一種方法是使溶液電阻變大，但不容易實(shí)現(xiàn)。第 二種方法是提高頻率減小電容容抗。 容抗值Cdll和Cdl2的減小，同時(shí)分壓電阻 的相應(yīng)，可以有效降低

25、極化效應(yīng)影響。而容抗值Cp的減小，所以高阻時(shí)采用低頻，低阻米用咼頻。由于電解質(zhì)電容和引線電阻小，可忽略不計(jì)，且交流激勵(lì)時(shí)，可看做極化效 應(yīng)被消除。最后可以簡化等效電路。如圖 2-2所示：圖2-2簡化與進(jìn)一步簡化等效電路圖在本設(shè)計(jì)檢測(cè)污水液體的實(shí)例當(dāng)中（高阻、低電導(dǎo)），可以忽略雙層電容Cx 所產(chǎn)生的影響，所以主要誤差因素是由 Cp引起的，同時(shí)，激勵(lì)源頻率越大，誤 差越大。(3) 溫度的影響：電離度可由溫度直接影響，離子的遷移速度，且對(duì)電導(dǎo) 率的影響較大，電導(dǎo)率標(biāo)準(zhǔn)普遍接受的溫度是25C。所以溫度不等于25C時(shí),就得進(jìn)行溫度補(bǔ)償。電導(dǎo)率-溫度曲線如圖2-3所示：FT P.510 15 20 25

26、30 訴 40 45 50 斶 60t(r)圖2-3電導(dǎo)率一溫度曲線0-9 7 S 4fl 2圖2-3與實(shí)際運(yùn)用最佳擬合的表達(dá)式是：G(25) = K(t)G(t) -Gp(t) Gp(25)(2-5)25E時(shí)液體的電導(dǎo)率用G (25)表示，溫度的校正系數(shù)用 K (t)表示，tC 時(shí)溶液的電導(dǎo)率用 G (t)表示，tC理論上純水的電導(dǎo)率是 Gp (t),從理論上 講，25C時(shí)純水的電導(dǎo)率是 Gp (25)。以單片機(jī)的計(jì)算，準(zhǔn)確的測(cè)量 G (t)和溫度t之后，便可以進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度 補(bǔ)償。3電導(dǎo)率檢測(cè)裝置硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)分上下兩個(gè)部分，下部由溫度傳感器、電極探頭、電導(dǎo)池，保護(hù)套

27、等組 成，上部由電路板封裝殼體、測(cè)量電路板、密封件等組成。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖 如圖3-1所示。圖3-1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖3.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路框圖如圖3-2所示，組成四電極電導(dǎo)率傳感器系統(tǒng)的三個(gè)主要部分是電導(dǎo)池、溫度補(bǔ)償電路和測(cè)量與轉(zhuǎn)換電路。核心部分是其中的測(cè)量與轉(zhuǎn)換電路，包括單片機(jī)控制電路、信號(hào)處理電路、激勵(lì)信號(hào)濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等重要部分組成。圖3-2系統(tǒng)硬件電路框圖3.3各主要部分硬件設(shè)計(jì)3.3.1單片機(jī)選型STC12 XX 54 XXXX 35 X XXXX注釋：XX注釋如表3-1所示表3-1單片機(jī)型號(hào)介紹STC仃8051,工頻相同,處理速度是普通8051單片機(jī)的81

28、2倍C:5.5 V 3.4VLE: 2.0V3.8VLV : 2.0V3.8V,功耗超低，工頻2MHz時(shí)：正常工作的電流 2.7mA;空閑模式的電流 1.3mA;掉電模式的電流 0.1 yA512字節(jié)的RAM , PCA/PWM為4路程序空間大小，女口：04是4K字節(jié)，08是8K字節(jié)10是 10K 字節(jié)，12是 12K 字節(jié)AD :有A / D轉(zhuǎn)換功能無AD字樣，則無A / D轉(zhuǎn)換工作頻率：12:工作頻率可到12MHz35:工作頻率可到35MHz48:工作頻率可到 48MHz工作溫度范圍：1:工業(yè)級(jí)，-40C +85CC:商業(yè)級(jí),0C70C何種封裝：如SOP, PDIP，TSSOP，PLCC管

29、腳數(shù)如 20， 28， 32本設(shè)計(jì)采用的是STC12C5402AD-20單片機(jī)，工作頻率相同時(shí),運(yùn)行速度是 普通8051的812倍。工作電壓：5.5V3.4V，比一般型號(hào)的單片機(jī)工作電壓 偏高。PCA / PWM為4路，512字節(jié)的RAM，程序空間大小為2K，此單片機(jī) 具有AD轉(zhuǎn)換功能，并有20只引腳。根據(jù)本設(shè)計(jì)四電極電導(dǎo)率傳感器的設(shè)計(jì)要求，MCU要具有較高的工作電壓， 更重要的是具有 AD轉(zhuǎn)換功能。再結(jié)合它的成本等各方面的要求就選擇了 STC12C5402AD-20 芯片。20 Pin0,vol為正值從而使Dl導(dǎo)通；同時(shí)根據(jù)深度負(fù)反饋條件下的運(yùn)放輸入端虛短 的概念，可以得到輸出電壓Vout約

30、等于輸入電壓Vin ,保證了輸入信號(hào)與峰值信 號(hào)之間的線性關(guān)系，同時(shí)電路處理小信號(hào)的靈敏度也得到了提高。因?yàn)閂ol隨著輸入信號(hào)下降而下降，此時(shí)二極管Dl會(huì)截至，從而Ul負(fù)反饋電 路斷開,Ul處于開環(huán)狀態(tài)。不適用于快輸入信號(hào)的原因是因?yàn)檫@時(shí)候同向端的電 壓小于Ul的反向端電壓，使得Vol輸出很大幅度的負(fù)信號(hào)，下一個(gè)正電壓輸入信號(hào) 很難被快速跟蹤。圖3-12運(yùn)放加二極管結(jié)構(gòu)的峰值檢測(cè)電路2007年時(shí)候，Jack.Gershfelc等人對(duì)此電路提出了進(jìn)一步改進(jìn)措施,提出將整 體電路構(gòu)成負(fù)反饋的形式，目的就是為了防止Vol在輸入信號(hào)下降時(shí)，使運(yùn)放進(jìn)入 飽和狀態(tài)而影響檢測(cè)精度和速度，并將一個(gè)二極管加在輸

31、出端與反相端之間，避 免了 Vol與輸入端的電壓偏離得太遠(yuǎn)，如圖3-13所示。該電路的輸入信號(hào)頻率范圍得到大大增加，但是因?yàn)殡娙軨l和二極管Dl組成 的網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)極點(diǎn)，并因二極管內(nèi)阻不是一個(gè)常數(shù)，所以這個(gè)極點(diǎn)位置并不是固 定的。因運(yùn)放本身也有極點(diǎn)，只好降低整個(gè)電路通頻帶來使電路穩(wěn)定工作，這種情 況下，使得該電路只能應(yīng)用在要求并不高的電路之中。在實(shí)際工作之中，因?yàn)樾盘?hào)從輸入到反饋回來需要一個(gè)回路時(shí)間tl,所以當(dāng) 電容上的輸出電壓達(dá)到輸入信號(hào)峰值的時(shí)候，還得要經(jīng)過t1的時(shí)間才能使得二極 管截止,所以輸出電壓的過沖現(xiàn)象就產(chǎn)生了。 過沖電壓Vp為：to t1(3-8)Vp 二AVin(t) - Vo(

32、t)/C( Zd Zc)dtto二極管D和電容C的阻抗分別為Zd和Zc, A為運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)。由于 A 一般來說很大，t1的大部分時(shí)間都會(huì)輸出最大電流，這樣使過沖較大而且為非 線性的。圖3-13改進(jìn)后的電壓型峰值檢測(cè)電路通過三種峰值檢測(cè)電路的對(duì)比，最終選擇改進(jìn)的電壓型峰值檢測(cè)電路。 將放 大電路放大后的電壓信號(hào)經(jīng)過簡單的濾波處理后進(jìn)行峰值檢測(cè)即可。 對(duì)放大后的 測(cè)量峰值進(jìn)行追蹤檢測(cè)，更直觀的監(jiān)視測(cè)量值與得出滿意的測(cè)量值。（6）溫度補(bǔ)償電路溫度補(bǔ)償電路根據(jù)熱敏電阻特性，即阻值大小隨溫度改變而改變，再利用串 聯(lián)電阻分壓，把熱敏電阻的電壓傳送給單片機(jī)的模擬輸入端。如圖3-14所示。R24R251

33、 牙 I GND3-14 溫度補(bǔ)償電路334顯示部分設(shè)計(jì)顯示部分無疑是用來把輸出信號(hào)用圖像化的形式呈現(xiàn)在用戶眼前，本設(shè)計(jì)采用的是LCD1602作為顯示的主要部分。顯示電路如圖3-15所示。因?yàn)橥@示模塊會(huì)需要大量的10口，為了解決此問題，本設(shè)計(jì)采用74LS164來驅(qū)動(dòng)LCD1602可 省下很多的10端口。圖3-15顯示電路4電導(dǎo)率檢測(cè)裝置軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)程序主要包括主程序流程圖、熱敏電阻與溫度對(duì)比程序以及顯示程 序。4.1主程序流程圖主程序流程圖如圖4-1所示：圖4-1主程序流程圖4.2熱敏電阻阻值與溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系、程序及溫度補(bǔ)償4.2.1熱敏電阻的阻值與溫度關(guān)系與程序熱敏電阻的阻值與溫度呈現(xiàn)

34、一條非線性的指數(shù)曲線，所以在使用前，要先進(jìn)行線性處理。采用最簡便的查表法可直接查出相應(yīng)的溫度。如表4-1所示：表4-1轉(zhuǎn)換結(jié)果與溫度值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換結(jié)果A/D轉(zhuǎn)換電壓/V溫度/C00一160.3179320.6356480.9443641.2634801.5727961.88211122.20151282.51101442.8251603.14-11763.45-61923.77-112084.08-182244.39-262404.71-402555.0一將表中的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到微控制器中，然后用微控制器自動(dòng)查表來得出當(dāng)前 測(cè)量溫度值。如果表中沒有相應(yīng)的電壓值，可以在表中的區(qū)域找到相應(yīng)的電壓值,

35、對(duì)應(yīng)溫度值可運(yùn)用線性插值得出。插值算法如下:T(y2 yJ/(X2 Xi) (AD_Value xJ(4-1)其中：當(dāng)前溫度的A/D轉(zhuǎn)化值用AD_Value表示，當(dāng)前溫度用T表示，相鄰 點(diǎn)的A/D轉(zhuǎn)換值用y2, yi表示，為相鄰點(diǎn)的溫度值用X2，xi表示。溫度值的節(jié)選程序如下：/*、* 函數(shù)名稱：Gettemperrature()*作用：查表與插值計(jì)算得溫度值*/sig ned int GetTemperature(i nt Value)sig n int T;int I;if(Value=V_T_table015)T=V_T_table115;elsefor(i=1;iV_T_table0i

36、)&(ValueV_T_table0i+1)T=(V_T_table1i+-V_T_table1i)*100)/16T=T*(Value-V_T_table0i);T=V_T_table1i+T/100;break; return T;422溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)更快速更準(zhǔn)確的運(yùn)用MCU的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力對(duì)不同溫度下的溶液進(jìn)行補(bǔ) 償，效果明顯優(yōu)于大部分傳統(tǒng)的方法。對(duì)于濃度相對(duì)低的電解質(zhì)溶液，電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系可近似表示為：k25 二 kt /1 0.22(t - 25)(4-2)4.3顯示模塊設(shè)計(jì)經(jīng)過熱敏電阻和和峰值檢測(cè)的模擬電壓信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換以后，由MCU分別得出溫度值以及電導(dǎo)率值，然后在 MCU中進(jìn)

37、行數(shù)據(jù)處理。電導(dǎo)率值是對(duì)電導(dǎo)率值 補(bǔ)償后得到的標(biāo)準(zhǔn)溫度25C時(shí)的值，最后數(shù)據(jù)送入LCD1602中進(jìn)行顯示。顯示 模塊流程圖如圖4-2所示：圖4-2顯示流程圖電導(dǎo)率顯示的節(jié)選程序如下：/*、* 名稱：LCD1602nit()*作用：LCD1602初始化*/void LCD1602_init(void)LCD1602_DB(0x08,0x03);RS_RW_E_i nit();LCD1602_DB(0x04,0x01);RS_RW_E_i nit();LCD1602_DB(0x0C,0x00);RS_RW_Enit;LCD1602_DB(0x06,0x00);RS_RW_E_i nit();LCD

38、1602_DB(0x01,0x00);RS_RW_E_i nit();5總結(jié)與展望本次畢業(yè)設(shè)計(jì)比較詳細(xì)的闡述了四電極電導(dǎo)率傳感器，著重介紹了硬件部 分，其中電極部分無疑是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的重中之重。 鑒于目前國內(nèi)的四電極電導(dǎo) 率技術(shù)水平還并不成熟，本次設(shè)計(jì)很遺憾的是沒做出實(shí)物來支撐理論性的設(shè)計(jì)。 在著重介紹硬件的基礎(chǔ)上，本文也同時(shí)分析了影響測(cè)量電導(dǎo)率的因素和產(chǎn)生誤差 的個(gè)別原因，比如存在的電容效應(yīng)、極化效應(yīng)等。由于兩電極電導(dǎo)率傳感器技術(shù) 已經(jīng)相對(duì)比較傳統(tǒng)，本設(shè)計(jì)對(duì)兩電極與四電極電導(dǎo)率傳感器在優(yōu)缺點(diǎn)方面也進(jìn)行 了充分的比較。對(duì)于硬件設(shè)計(jì)，本文強(qiáng)調(diào)可靠性與準(zhǔn)確性優(yōu)先的原則， 選擇了比較合適的器 件。采

39、用方波脈沖電壓源、儀用放大器、溫度補(bǔ)償、峰值檢測(cè)等方法原理。軟件 講的比較少，只是對(duì)于重要部分進(jìn)行了流程框圖的介紹。不過本文還是有很多有待解決的問題，比如說電容效應(yīng)。還有改進(jìn)溫度的擬 合公式。目前，技術(shù)水平相對(duì)高的國家或地區(qū)已經(jīng)開發(fā)出高水平的四電極甚至六電 極、七電極等電導(dǎo)率傳感器。而國內(nèi)的電極式電導(dǎo)率傳感器較為普遍的是二電極 和三電極，遠(yuǎn)落后于國際先進(jìn)水平。不過近年來四電極測(cè)量方法與方案迅速發(fā)展， 但是國內(nèi)的開發(fā)四電極電導(dǎo)率傳感器的公司依然較少。希望本次的研究方案對(duì)國內(nèi)的四電極發(fā)展添磚加瓦。附錄硬件原理圖2U23DU DHU-AkuRlI1COORNbG 21 JN Al D3丘C$ 11

40、JN A IDA應(yīng)ROk2IJ N AI Do-QT9 8F12r召oc戲i彳E 5胃119 OCX 彳/tHEL24 dL/JU3 CL/* ,P/CUpXUtC-cHL DNG -CTL/rmC./C UC-MS/Ct/d jd/odcl jdxo-ocl XD/XC/.0-Enn閃22DOVV-m-x2laa -T.PD- nxarKWARKTT84 14N I本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從最初選題到最終的論文定稿，都是在丁啟勝老師的大力幫助 下才完成的。在方案設(shè)計(jì)上，丁老師同樣給我大力支持，他淵博的理論知識(shí)以及 嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕虒W(xué)態(tài)度讓人感到敬佩。在給予我充分的理論知識(shí)支撐的同時(shí)，丁老師同 樣要求嚴(yán)格，讓我們

41、在他的辦公室獨(dú)立完成，遇到問題就及時(shí)詢問。盡管丁啟勝 老師學(xué)識(shí)淵博，但是其虛心謹(jǐn)慎、踏踏實(shí)實(shí)、平易近人等優(yōu)秀人格魅力同樣讓我 受益匪淺。我相信本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)的合作，不僅是我大學(xué)生涯末期的寶貴回憶， 而且會(huì)對(duì)我今后的人生道路產(chǎn)生深刻影響， 在此謹(jǐn)向老師致以崇高的敬意和誠摯 的感謝。同時(shí)，我還要感謝陪我度過大學(xué)時(shí)光的所有的可愛同學(xué)們，是你們跟我多次的討論研究，給了我寶貴的意見，讓我能順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)。最后感謝我的家人，是你們把我送進(jìn)大學(xué)校園，讓我接受大學(xué)的高等教育， 使我茁壯成長。參考文獻(xiàn)1 李建國.開放式四電極電導(dǎo)率傳感器的研制與實(shí)驗(yàn)J.海洋技術(shù),2005, 03:5-9+21.2 李學(xué)

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