感应式低电导率传感器设计.pdf

传感器与微系统( Transducer and Microsystem Technologies
2012年第31卷第10期
感应式低电导率传感器设计
兰卉2,林玉池',贾文娟2,李红志2
(1.天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津30002
2.国家海洋技术中心,天津300112
摘要:感应式低电导率传感器是江河口水质监测和实施咸潮预警必不可少的检测仪器。闻述了感应式
低电导率传感器的结构、测量原理;设计了部分电路;给出了传感器的标定和测试方法。
关键词:感应式;电导率传感器;设计;标定
中图分类号:P716文献标识码
文章编号:10009787(2012)10-0078-03
Design on inductive low conductivity sensor
LAN Hui, IIN Yu-chi, JIA Wen-juan, LI Hong-zhi?
(1. School of Precision Instrument Optoelectronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China
2. National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China)
Abstract Inductive low conductivity sensor is essential testing instrument for mouth of river water quality
monitoring and implementing saline water intrusion early warning. Structure of inductive low conductivity sensor and
principle of measurement are expounded and partial circuit is designed, methods for calibration and test are given
Key words: inductive; conductivity sensor; design; calibration
0引言
程度较高的环境下使用。
成潮是一种天然水文现象,当淡水河流量不足,令海水
传感器结构与测量原理
倒灌,成淡水混合造成上游河道水体变成,即形成咸潮。成
电磁感应式电导率传感器如图1所示,主要由探头和
潮来临时,自来水会变得成苦,难以饮用,长时期饮用氯化信号转换电路两部分组成。
物含量高的水对人体健康危苦较大;工业生产使用含盐分
高的水会损害机器设备;农业生产上,使用成水灌溉农田,
会导致农作物萎蔫甚至死亡。因此,如何快速掌握成潮的
变化规律是进行咸潮治理、建立预警杌制的关键要素之一。
成潮主要是由于海水倒灌引起,因此,潮水具有部分海水性
质,可用现场仪器测量电导率、温度和盐度等参数,然后根
据电导率、盐度等参数与滴定法所测得的氯离子含量之问
图1感应式电导率传感器结构图
的关系进行相关性拟合,找出同一地区电导率、盐度等参数
Fig 1 Structure diagram of inductive conductivity sensor
与水中氯离子含量之间的关系式,从而换算出水中氯离子
传感器探头内部包含一个环形发射线圈和一个环形接
的含量。这种方法快速、方便、经济,并且准确性高,但是,
收线圈,图2为探头的测量模型。如图2所示,待测流体相
所选择的现场仪器能否准确并快速地测量出电导率成为关
当于一个单匝闭环线圈,分别与发射和接收线圈构成初级
键因素。
输入线圈和次级输出线圈。测量时,线圈探头浸人待测流
电导率传感器根据电导池的形式通常可分为电极式和
体中,发射线圈通以一定频率的交流电流,产生环形交变磁
感应式2种,由于所使用的环境主要为江河的入海口区域,
场,根据电磁感应理论,交变磁场在穿过线的导电流体中
此处水域的泥沙含量很高,生活污水和工业废水也较多,电
产生感生电动势同时感应出交变涡流,其大小与流体电导
极式传感器无法满足环境使用要求。感应式传感器结构简率有关。交变涡流在环形接收线圈中产生交变磁场,在接
单、成本低,具有很强的抗污染能力,非常适合在上述污染
收线圈产生感应电动势,感应电动势的大小与待测流体电
收稿日期:2012-07-3
第10期
兰卉,等:感应式低电导率传感器设计
导率具有一定的函数关系3。将此感应电动势经过信号增益为1,振幅条件由AI和A2满足。
提取、转换和数据拟合,最终可获得被测流体的电导率值。
E
接收和发射线聞
什佘外
流体出11
流体入l
E
介质中流
图2探头模型图
图5相位关系
Fig 2 Diagram of probe modek
Fig 5 Diagram of phase relation
2信号转换电路设计
2.2线性补偿电路设计
信号转换电路的作用是将感应式传感器探头检测到的
由于相移振荡器将电导率探头转换成频率信号时为非
电导率转换成电信号,完成信号提取、放大和噪声抑制,并线性转换,其非线性为20%以上。如果要求信号为线性输
将被测信号调理成适合于采集系统的状态和形式。优良的
出,则必须增加线性补偿电路,在没有对输出频率进行数据
信号转換电路在分辨率、重复性、线性度、温度稳定性和时处理的情况下,通过调整线性补偿电路,可以满足输出频率
间稳定性上都要满足测量要求“。感应式电导率传感器信和被测电导率的线性关系。振荡器输人信号E,与频率∫的
号转換电路主要由信号激、信号放大、线性补偿和温度补非线性是由E.与の的非线性关系产生的,因此,可以通过
偿等几部分组成,如图3。
改变E.或E,达到改善整机输入输出之间的线性质量。
线性叫温度
线性补偿电路通过在相移网络上并联电阻R1和R2以改变
励号
补偿」补偿
相移网络的相频特性,如图6所示。
图3传感器电路原理图
C
Fig 3 Principle diagram of sensor circuit
2.1信号激励电路设计
感应式传感器使用交流信号激励,激励信号的频率稳
图6线性补尝电路
定度直接决定了测量的准确度。相移振荡器具有线路简
Fig 6 Diagram of linearity compensation circuit
单、频率稳定性高和频率范围宽的特点,只使用2个运算放
改变R1的大小可以改变相移网络的の与f之间的线
大器加相移网络即可实现,相移振荡器的工作原理如图4性关系,R,越大,の与/之间的非线性误差越向负的方向偏
所示
移。这一性质可以抵消振荡器输入E,与频率f之间的正向
非线性误差。加入R2可以使相移网络的o与f之间的非
相加放
放大
A⊥
相移网
线性误差偏向正的方向,这与R1的作用正好相反,且R2值
AGC
越小时,非线性向正误差发展的趋势越大。所以,通过对R
E
和R2的大小进行调整,选择合适的阻值便可得到较好的线
正交网络
性校正。
图4相移振荡器
2.3温度补偿