1 引 言

　　電導(dǎo)測試技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、生物、醫(yī)學(xué)、環(huán)保等領(lǐng)域，是對含液物系進(jìn)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(xiàn)有典型電導(dǎo)（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(dǎo)的相對變化，可用標(biāo)準(zhǔn)電阻取代rf。傳統(tǒng)的電導(dǎo)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(dǎo)對應(yīng)的直流信號，缺點(diǎn)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)了液體電導(dǎo)的高分辨率測量。

　　許多工業(yè)應(yīng)用要求對液體電導(dǎo)進(jìn)行高速測量，如最近工業(yè)自動化檢測領(lǐng)域新出現(xiàn)的工業(yè)電導(dǎo)層析成像（ert）系統(tǒng)就要求對含液物系內(nèi)部電導(dǎo)率分布進(jìn)行高速檢測。多電極高速電導(dǎo)測量系統(tǒng)通常采用四電極電導(dǎo)測量方案，圖1（b）為其原理圖。四只電極浸入到被測導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)有確定的對應(yīng)關(guān)系［3~5］。

　　為了避免直流激勵下的介質(zhì)電極化現(xiàn)象，傳統(tǒng)的電導(dǎo)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(jīng)過較復(fù)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(dǎo)的直流信號，測量速度受到限制。針對需要對液體電導(dǎo)進(jìn)行高速測量的應(yīng)用，本文介紹一種基于雙極性脈沖電流技術(shù)的液體電導(dǎo)高速測量方法并介紹了具體實(shí)現(xiàn)電路。該電路通過采用新型的雙極性脈沖電流激勵技術(shù)，傳感器輸出信號在ad采樣前后瞬間具有準(zhǔn)直流特性，對傳感器輸出信號的濾波處理得以簡化，實(shí)現(xiàn)了液體電導(dǎo)的高速測量。

　　本文對兩種測量方法及其電路實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入分析，討論了兩種方法各自的特點(diǎn)，并對兼顧高速和高精度兩方面特性的液體電導(dǎo)測量電路的設(shè)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(dǎo)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(guān)檢測技術(shù)提取。鎖相放大器就是以相關(guān)原理為基礎(chǔ)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(diào)制的同頻正弦波和各種噪聲成分的復(fù)合信號。傳感器的輸出信號經(jīng)過放大后與一個和激勵信號同頻率的參考信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，信號中的噪聲成分由于與參考信號不具有相關(guān)性而在相關(guān)運(yùn)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(shí)現(xiàn)高分辨率的測量。

　　若參考信號和經(jīng)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(guān)性所以對相關(guān)運(yùn)算的結(jié)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(guān)環(huán)節(jié)極大地提高電路的噪聲抑制能力。因?yàn)榉糯箅娐芬氲男诺涝肼暫推渌肼暢煞侄寂c參考信號沒有相關(guān)性而被相關(guān)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(dān)心放大電路引入噪聲。

　　鎖相放大器的關(guān)鍵部分是一個相關(guān)解調(diào)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)可以通過開關(guān)電路、乘法電路或數(shù)字式解調(diào)電路實(shí)現(xiàn)。常規(guī)的鎖相放大電路為基于數(shù)字信號處理器（dsp）的設(shè)計，系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜、成本高，不方便與傳感器系統(tǒng)集成。本文提出采用開關(guān)調(diào)制/解調(diào)專用集成電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)鎖相放大器設(shè)計，簡化了電路設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了低成本、高分辨率測量。

　　2.2 基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量電路

　　2.2.1 電路工作原理

　　基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量電路的工作原理如圖2所示。由文氏電橋振蕩電路產(chǎn)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(lián)組成。被測液體的電導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)成近似線性關(guān)系。測量電極對的輸出是一個幅度調(diào)制的正弦信號，此信號經(jīng)過小信號放大電路放大后輸入到開關(guān)解調(diào)器的信號輸入端，開關(guān)解調(diào)器的參考信號由振蕩電路輸出的1 khz正弦信號經(jīng)過移相得到。當(dāng)開關(guān)解調(diào)器的參考信號與輸入信號相位一致時，開關(guān)解調(diào)器的輸出經(jīng)過低通濾波成為直流信號。單片機(jī)系統(tǒng)通過a/d轉(zhuǎn)換電路對此直流信號進(jìn)行采集并送遠(yuǎn)程計算機(jī)進(jìn)一步處理。

　　2.2.2 正弦振蕩電路設(shè)計

　　圖3所示為電導(dǎo)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(jié)構(gòu)，以運(yùn)算放大器ua741為核心構(gòu)成。r1、c1及r2、c2決定振蕩電路的工作頻率，按圖3中數(shù)據(jù)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整，可輸出幅度、頻率穩(wěn)定的正弦信號。

　　2.2.3 移相器設(shè)計

　　移相器電路如圖4所示。移相器以運(yùn)算放大器op07為核心構(gòu)成。c1和r3的取值根據(jù)輸入信號的頻率確定，按圖中參數(shù)構(gòu)成的移相器通過調(diào)整r1可以對頻率為1 khz的正弦信號實(shí)現(xiàn)0°~180°相移，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、易于調(diào)整的特點(diǎn)。

　　2.2.4 開關(guān)解調(diào)電路的設(shè)計

　　電路中的開關(guān)解調(diào)器由專用集成電路ad630實(shí)現(xiàn)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。當(dāng)參考信號vref》0時，ad630內(nèi)部的放大器ampa與amp c連接，vout=vin;vref《0時，ad630內(nèi)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(dāng)它們的相位也嚴(yán)格一致時，該開關(guān)解調(diào)器對vin中的有用信號來說相當(dāng)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(fù)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(jīng)過低通濾波處理即可得到與被測液體電導(dǎo)值相關(guān)的直流信號［9］。

　　2.3 基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量電路的特點(diǎn)

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

　　（1）在采用交流激勵模式避免介質(zhì)電極化現(xiàn)象的同時，基于鎖相放大原理的測量電路設(shè)計實(shí)現(xiàn)了對液體電導(dǎo)的高分辨率測量。

　　（2）采用開關(guān)調(diào)制/解調(diào)集成電路ad630為核心的鎖相放大電路設(shè)計，相對于常規(guī)的以數(shù)字信號處理（dsp）系統(tǒng)為基礎(chǔ)的鎖相放大器而言，電路結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、成本低。

　　2.4 測試結(jié)果

　　本文提出的測量電路采用具有16位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)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(yīng)用本測量電路在常溫下對純凈水（電導(dǎo)率小于15μs/cm）的電導(dǎo)進(jìn)行監(jiān)測，在被測液體電導(dǎo)池等效阻抗為1 kω時電路可分辨出液體電導(dǎo)0.05%的變化。

　　3 基于雙極性脈沖電流技術(shù)的液體電導(dǎo)高速測量方法

　　傳統(tǒng)的液體電導(dǎo)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(zhì)極化現(xiàn)象。但交流激勵系統(tǒng)有一個無法克服的缺點(diǎn)：從測量電極對得到的交流電壓信號須經(jīng)過較為復(fù)雜的濾波環(huán)節(jié)的處理才能轉(zhuǎn)換為適合數(shù)據(jù)采集單元采集的直流信號。復(fù)雜的濾波環(huán)節(jié)存在較嚴(yán)重的延時效應(yīng)，限制了交流激勵的液體電導(dǎo)測量電路的數(shù)據(jù)采集速度［3~5］。

　　針對需要對液體電導(dǎo)進(jìn)行高速測量的應(yīng)用，本文介紹一種基于雙極性脈沖電流技術(shù)的液體電導(dǎo)測量方法，根據(jù)該方法設(shè)計的電導(dǎo)測量電路結(jié)構(gòu)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(xiàn)的介質(zhì)極化現(xiàn)象得以避免。在每個測量周期內(nèi)，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(nèi)，另一次a/d采樣在激勵信號的負(fù)半周期內(nèi)，兩次a/d采樣結(jié)果的差值作為一個測量數(shù)據(jù)。由于兩次a/d采樣的間隔非常短（小于10μs），可以認(rèn)為在此期間被測介質(zhì)內(nèi)的電導(dǎo)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(shù)據(jù)采集精度。a/d采樣的時刻是由單片機(jī)內(nèi)部的一個定時器準(zhǔn)確控制的，兩次a/d采樣時刻被嚴(yán)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(jīng)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(dāng)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(chǎn)生這種信號的原因在于當(dāng)電流激勵施加到激勵電極對上時，電場的存在導(dǎo)致了介質(zhì)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(yīng)。激勵電極對上的電壓波形與電流的強(qiáng)度、介質(zhì)中電荷種類、電極的形狀等因素有關(guān)。而在測量電極對上，由于介質(zhì)和電極表面間的電流可以忽略，不會造成邊界層效應(yīng)，其電壓波形為一方波信號，其電壓幅值與驅(qū)動電流及介質(zhì)中的電導(dǎo)分布成正比，如圖7（b）所示。由于a/d采樣點(diǎn)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(nèi)系統(tǒng)相當(dāng)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(fù)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(shù)據(jù)的采集速度，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

　　作者已將采用雙極性脈沖電流源激勵的液體電導(dǎo)測量技術(shù)成功應(yīng)用于電導(dǎo)層析成像系統(tǒng)多電極液體電導(dǎo)數(shù)據(jù)采集模塊中。數(shù)據(jù)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(dǎo)分布數(shù)據(jù)，每幀圖像的原始電導(dǎo)測量數(shù)據(jù)包含104個測量值，平均每采集一個電導(dǎo)數(shù)據(jù)用時約6.4μs。該數(shù)據(jù)采集模塊在全速工作時的有效測量分辨率在0.5%以內(nèi)。

　　4 關(guān)于兩種液體電導(dǎo)測量方法的進(jìn)一步討論

　　按照本文所介紹的液體電導(dǎo)測量的兩種新方法設(shè)計的測量電路分別具有高分辨率和高速測量的特點(diǎn)，有沒有可能對它們加以改進(jìn)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(jìn)一步改進(jìn)的可能性做一些討論。基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量方法是基于相關(guān)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(shí)現(xiàn)高分辨率電導(dǎo)測量的基礎(chǔ)。嚴(yán)格地講，基于鎖相放大原理的液體電導(dǎo)測量方法不能象基于雙極性脈沖電流技術(shù)的電導(dǎo)測量方法那樣實(shí)現(xiàn)極高速度的測量，但其測量速度仍有進(jìn)一步提高的潛力。提高基于鎖相放大原理的液體電導(dǎo)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(jìn)小信號放大電路的高頻特性。

　　（3）用dsp電路實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算。

　　目前，已經(jīng)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(dǎo)測量系統(tǒng)并將其應(yīng)用在電阻層析成像系統(tǒng)中，但從發(fā)表的文獻(xiàn)看類似電路仍有一些局限性：

　　（1）基于鎖相放大原理的電導(dǎo)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(fù)雜、成本高。

　　（3）受原理限制，其數(shù)據(jù)采集速度仍遠(yuǎn)不及基于雙極性脈沖電流技術(shù)的電導(dǎo)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(shù)的電導(dǎo)測量方法其最主要的特點(diǎn)是在采樣時間點(diǎn)附近測量電極對上的信號具有準(zhǔn)直流特性。采樣電極對上信號輸出的準(zhǔn)直流特性允許信號在不經(jīng)過復(fù)雜濾波環(huán)節(jié)的處理而直接被a/d轉(zhuǎn)換器件采樣。這是該電導(dǎo)測量方法可以完成高速電導(dǎo)測量的關(guān)鍵所在，但也正是這一點(diǎn)限制了該測量方法的電導(dǎo)測量精度。嚴(yán)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(shù)的電導(dǎo)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(jìn)行最基本的濾波處理可以提高基于雙極性脈沖電流技術(shù)的電導(dǎo)測量電路的電導(dǎo)測量精度（a/d采集數(shù)據(jù)的有效分辨率），但所選用的濾波電路應(yīng)具有比較快的響應(yīng)速度，否則就可能成為限制整體電路測量速度的瓶頸。

　　5 結(jié) 論

　　本文介紹了兩種用于液體電導(dǎo)測量的新方法，給出了其電路實(shí)現(xiàn)并具體分析了兩種測量方法各自的特點(diǎn)。基于鎖相放大原理的電導(dǎo)測量方法能在低速測量的情況下實(shí)現(xiàn)液體電導(dǎo)的高分辨率檢測。而基于雙極性脈沖電流技術(shù)的電導(dǎo)測量方法能在保證一定測量精度的同時實(shí)現(xiàn)高速度的電導(dǎo)測量。在選擇液體電導(dǎo)測量電路的設(shè)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(biāo)始終是一對矛盾，電路設(shè)計應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用的要求并綜合考慮成本、電路實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度等因素進(jìn)行取舍。具體到在本文所述的兩個測量方案之間進(jìn)行選擇，則應(yīng)注 意發(fā)揮它們各自的優(yōu)點(diǎn)。若具體應(yīng)用特別強(qiáng)調(diào)高分辨率測量，應(yīng)當(dāng)選擇基于鎖相放大原理的電導(dǎo)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(shù)的電導(dǎo)測量方法。本文所提出的兩種液體電導(dǎo)測量方法可以為電導(dǎo)測試技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一些有益的借鑒。