摘  要： 分析了液體電導(dǎo)率的測量原理,，將電導(dǎo)率的測量轉(zhuǎn)化為電壓信號的測量，并建立了等效電路模型,；利用MATLAB對測量電導(dǎo)率電路模型進(jìn)行了仿真分析,，觀察不同參數(shù)變化對輸出電壓幅值的影響，得出在理想與非理想電阻情況下輸入正弦波激勵(lì)信號頻率變化對測量結(jié)果的影響,，為提高測量精度,，可利用方波信號代替正弦波信號作為激勵(lì)源；給出了在低功耗應(yīng)用中,，基于MSP430單片機(jī)和nRF905無線模塊組成無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾妼?dǎo)率變送器的設(shè)計(jì),。
關(guān)鍵詞： 電導(dǎo)率傳感器；電路模型,；仿真分析,；激勵(lì)信號；無線傳輸

    目前,，在工業(yè),、環(huán)保,、勘探等自動(dòng)控制領(lǐng)域中,，都需要對液體成分、性質(zhì)等因素進(jìn)行測定分析,，特別是在勘探中,，其工作環(huán)境惡劣，對液體分析要求較高,。而電導(dǎo)率是液體的基本屬性,，通過測量電導(dǎo)率對分析液體純凈度、電介質(zhì)含量及帶電離子濃度有著重要作用,，故高精度的電導(dǎo)率測量非常重要?，F(xiàn)實(shí)中電導(dǎo)率的應(yīng)用范圍較廣，但對其模型進(jìn)行系統(tǒng)分析的文章不多,，本文在利用非接觸式電磁感應(yīng)線圈探頭檢測液體電導(dǎo)率的基礎(chǔ)上[1-3],，討論了電導(dǎo)率傳感器激勵(lì)信號頻率變化及分布參數(shù)對測量精度的影響，并給出解決方案?？紤]到勘探現(xiàn)場有線傳輸數(shù)據(jù)及調(diào)試不方便等缺點(diǎn),，給出了特別適合于低功耗、短距離(100 m～200 m),、小數(shù)據(jù)量的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì),。
1 測量原理
    電導(dǎo)率傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由兩個(gè)線圈L1和L2組成,，L1和L2是繞有相同匝數(shù)銅絲的鐵氧體磁環(huán),。L1作為輸入激勵(lì)線圈，與交流電壓源相連,，L2作為輸出信號線圈,。測量時(shí)將其全部浸入待測液體中，被測液體則必然穿過兩線圈的聯(lián)通孔,，形成公共圈,。將被測液體看作是具有一定電阻的單匝線圈，此時(shí)如果在線圈L1兩端加幅值不變的交流信號,，因?yàn)橐后w單匝線圈穿過L1線圈,，則在單匝線圈內(nèi)必然有感應(yīng)電流，同時(shí)也穿過L2線圈,，于是在L2線圈內(nèi)必然感應(yīng)出輸出信號,。所以，通過測量線圈L2兩端的電壓即可通過相應(yīng)計(jì)算得出待測液體的電導(dǎo)率,。

    圖5中,，曲線a對應(yīng)激勵(lì)信號頻率為200 kHz時(shí)的輸出信號，其幅值為5 mV,；曲線b對應(yīng)頻率為400 kHz時(shí)的輸出信號,，幅值為5 mV；曲線c對應(yīng)頻率為600 kHz 時(shí)的輸出信號,，其幅值為5 mV,；曲線d對應(yīng)頻率為800 kHz時(shí)的輸出信號，其幅值為5 mV,；曲線e對應(yīng)頻率為1 MHz時(shí)的輸出信號,，幅值為5 mV。由仿真結(jié)果可見,，各輸出波形峰值相同,，在此頻率段，輸出峰值不受頻率變化影響,。
    (2)激勵(lì)信號頻率為1 MHz,、2 MHz,、3 MHz、4 MHz,、5 MHz時(shí),，輸出波形如圖6所示。

    圖6中,，曲線a對應(yīng)激勵(lì)信號頻率為1 MHz時(shí)的輸出信號,，其幅值為5 mV；曲線b對應(yīng)頻率為2 MHz時(shí)的輸出信號,，幅值為4.95 mV,；曲線c對應(yīng)頻率為3 MHz時(shí)的輸出信號，其幅值為4.89 mV,；曲線d對應(yīng)頻率為4 MHz時(shí)的輸出信號,，其幅值為4.82 mV；曲線e對應(yīng)頻率為5 MHz時(shí)的輸出信號,，幅值為4.72 mV,。由仿真結(jié)果可見，各輸出波形峰值不同,，頻率越高,，影響愈大。實(shí)際中分布參數(shù)影響更嚴(yán)重,，所以激勵(lì)信號的頻率會受到限制,。
1.3 仿真結(jié)論
    理想情況下，輸出電壓幅值與等效電阻呈線性關(guān)系,；非理想情況下,，輸出電壓幅值受到輸入信號頻率影響，其中低頻時(shí)影響較小,，頻率越高,，分布參數(shù)對輸出電壓幅值影響越大。因此,，在實(shí)際應(yīng)用中選取的正弦波頻率不宜太高,。
    當(dāng)輸入頻率高于1 MHz時(shí),，由于被測系統(tǒng)中分布電容存在,，輸出幅值將會受到分布電容的影響而削弱，如果用高頻的雙極性脈沖作為激勵(lì)信號,，在激勵(lì)信號的前半個(gè)周期和后半個(gè)周期,，激勵(lì)電壓同值反向，被測系統(tǒng)中的削弱現(xiàn)象就得到抑制[4-6],。經(jīng)仿真可發(fā)現(xiàn),，用高頻的雙極性脈沖作為激勵(lì)信號時(shí)，即使頻率高達(dá)1 MHz、2 MHz,、3 MHz,、4 MHz、5 MHz,，輸出值為5 mV不變,。取輸入信號為5 MHz正弦波和5 MHz方波時(shí)輸出波形如圖7所示。因此,，采用方波信號代替正弦波信號,，可有效提高測量精度，減小分布參數(shù)的影響,。

2 變送器設(shè)計(jì)
    變送器硬件主要由3個(gè)模塊組成,，即傳感器測量單元、數(shù)據(jù)處理控制單元和無線通信單元,。
    （1）傳感器測量單元：傳感元件為電導(dǎo)率傳感器探頭和溫度傳感器,。由CPU產(chǎn)生的方波激勵(lì)信號，經(jīng)放大后送入傳感器測量探頭,，輸出信號經(jīng)精密整流,、偏移放大、濾波及限幅等處理后送往CPU,。
    （2）數(shù)據(jù)處理控制單元：從測量單元獲得的電壓與溫度信號由CPU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,、零點(diǎn)與滿量程校正、溫度補(bǔ)償?shù)忍幚韀7-9],，獲得待測液體的電導(dǎo)率,，同時(shí)對應(yīng)輸出一路4 mA～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)信號。本單元核心部分為16位超低功耗的MSP430系列單片機(jī),，該單片機(jī)電源電壓為1.8 V～3.6 V,，待機(jī)電流小于1 ?滋A，在RAM數(shù)據(jù)保持方式時(shí)耗電僅0.1 ?滋A,，在活動(dòng)模式時(shí)耗電250 ?滋A/MIPS（MIPS：每秒百萬條指令數(shù)）,；具備高性能模擬技術(shù)及豐富的片上外圍設(shè)備，包括10/12/16位ADC,、12位DAC,、比較器、多個(gè)定時(shí)器,、片內(nèi)USART,、看門狗、片內(nèi)振蕩器,、大量的I/O端口及大容量的片內(nèi)存儲器,，一般單片就可以滿足大多數(shù)應(yīng)用需要,。基于上述特點(diǎn),，MSP430系列單片機(jī)在溫度檢測,、智能變送器、便攜式儀表,、實(shí)用檢測儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,。
    （3）無線通信單元：選用單片集成射頻收發(fā)器芯片nRF905,可直接與各種單片機(jī)連接使用，軟件編程非常方便,，而且抗干擾能力強(qiáng),，特別適合工業(yè)控制場合。nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器,，工作電壓1.9 V～3.6 V,，工作于433/868/915 MHz 3個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道,，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650 ?滋s,。nRF905功耗非常低，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5 mA,，以-10 dBm的輸出功率工作時(shí)電流只有9 mA,，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能,。nRF905由頻率合成器,、接收解調(diào)器、功率放大器,、晶體振蕩器和調(diào)制器組成,，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便,。
    nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)與接收數(shù)據(jù)的流程如圖8,、圖9所示。

    本文介紹了測量液體電導(dǎo)率的基本方法,，并通過構(gòu)造測量電路模型進(jìn)行理論分析和仿真驗(yàn)證,。結(jié)果表明，在理想情況下,，只考慮液體為純電阻,，測量電壓幅值大小與液體電導(dǎo)率高低呈線性關(guān)系，具有極高的線性度和精度,，且不會受到輸入正弦波信號頻率的影響,；在非理想情況下,，需要考慮到液體電阻,、導(dǎo)線等分布參數(shù)的存在,。此時(shí)仿真結(jié)果表明，測量電壓幅值大小與液體電導(dǎo)率高低仍呈線性關(guān)系,，但會受到輸入正弦波頻率的影響,，針對實(shí)際環(huán)境需要選擇合適頻率的正弦波激勵(lì)信號。針對非理想情況下的這種影響,，可選擇高頻雙極性脈沖方波作為傳感器的激勵(lì)源,，由于在激勵(lì)信號的前半個(gè)周期和后半個(gè)周期幅值相等、極性相反,，激勵(lì)電流同值反向,，可削弱被測系統(tǒng)中介質(zhì)電極化現(xiàn)象，同時(shí)可以減弱傳感器與導(dǎo)線分布參數(shù)的影響,，可以有效提高測量精度,。這里設(shè)計(jì)的基于MSP430單片機(jī)和nRF905無線模塊的電導(dǎo)率變送器具有功耗低、測量信號穩(wěn)定與精度高,、重復(fù)性能好等特點(diǎn),，該電導(dǎo)率傳感器已用于綜合錄井中測量泥漿電導(dǎo)率，也可用于如水質(zhì)凈化,、液體電性能分析等領(lǐng)域,。
參考文獻(xiàn)
[1] 周明軍，尤佳,，秦浩,，等.電導(dǎo)率傳感器發(fā)展概況[J].傳感器與微系統(tǒng)，2010,，29(4)：9-11.
[2] 容蘭,，王喆陽，寇大武,，等.利用非接觸式電磁感應(yīng)線圈探頭測液體電導(dǎo)率[J].物理實(shí)驗(yàn),，2011，31(3)：8-10.
[3] 陳培杰,，汪志云.用自制非接觸式液體電導(dǎo)率傳感器測量液體的電導(dǎo)率[J].科技信息（學(xué)術(shù)版）,，2008(7)：96-98.
[4] 譚有廣，劉峰.非接觸測量液體電導(dǎo)率的仿真與實(shí)驗(yàn)分析[J].電工技術(shù)雜志,，2004(7)：69-71.
[5] 李琳,，陳文薌.頻率自適應(yīng)電流源克服電容影響的電導(dǎo)率測量[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2007,，28(12)：2256-2259.
[6] 趙學(xué)亮,，史云，馮蒼旭.雙極性電壓脈沖激勵(lì)的智能電導(dǎo)率測量儀[J].自動(dòng)化儀表,，2011,，32(1)：76-79.
[7] 張兆英.海水電導(dǎo)率,、溫度和深度測量技術(shù)探討[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2003,，24(Z2)：38-41.
[8] 劉長國.智能電導(dǎo)率測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,，2011，32(1)：33-37.
[9] 丁和斌,，張凱,，黃揚(yáng)明.基于C8051F單片機(jī)的電導(dǎo)率儀的研制[J].儀表技術(shù)，2008(2)：51-53.