摘要 针对七电极电导率传感器的基本原理和特色进行了论述，依据传感器自身物理特性以及高精度丈量的要求，规划了能够满意低温漂、高精度、速度快的丈量电路。选用D/A、A/D等集成电路芯片去完成对传感器的精确驱动和高速采样，比较于传统办法，驱动的频率和电压愈加精确，而且简单更改，选用高速采样能够防止信号在调度过程中呈现的失真。经过试验验证了电路的丈量作用。
电导率丈量在工业生产、环境监测、海洋资源开发等范畴有着广泛的运用，精确快速地电导率丈量办法对海洋研讨、环境保护等方面都有着重要意义。电导率传感器依据作业原理首要可分为电极式电导率传感器和电磁式电导率传感器。电磁式电导率传感器是依据电磁感应原理进行丈量，经过感应电动势的改变反响电导率的改变;电极式电导率传感器是依据电解导电原理进行丈量，经过被测液体电阻的改变反响电导率的改变。电极式电导率传感器因其呼应速度快、精度高的长处而得到广泛重视。文章剖析了七电极电导率传感器的作业原理并规划了丈量电路。
1 作业原理及概述
七电极电导率传感器是电极式电导率传感器中精度较高的一种，一起具有了三电极与四电极的长处。七电极电导率传感器的电导池完成“电流”电极和“电压”电极的别离，可削减电极极化阻抗、导流空间大、呼应时刻快，完成了电导率的快速丈量;七电极电导率传感器的电导池两头有两个接地电极，能够有用屏蔽电导池外的影响，使丈量成果不受电导池外界的搅扰，而且丈量过程中无需水泵，相同能够确保高精度丈量。
1.1 七电极电导率传感器原理剖析
七电极电导率传感器示意图如图1所示，它由镶嵌在石英玻璃上的7个铂金属环组成，电极1～4、电极4～7别离组成两组丈量单元，电流经过公共电极4流入，经过接地电极1和电极7流出，电流流过电导池时会在电极2、3和电极5、6发生电压。在电极4和地之间加上一个安稳的电压，经过丈量流经公共电极的电流的改变就能够反映出电阻的改变，然后核算出电导池内溶液的电导率。
1.2 丈量体系概述
为完成高精度的七电极电导率传感器丈量电路，在规划电路时首要考虑以下几个方面：(1)削减运用模仿器材，削减因运用模仿器材而引进的噪声，运用高速采样提取信号的信息并进行相关核算。(2)A/D和D/A运用同一基准，由于电导率是经过驱动电压和取样电阻两头电压的比值核算出来的，即便基准有必定的改变，也不会对丈量成果发生影响。(3)体系中运用的器材选用低温漂、高精度的器材，特别是驱动七电极的运放和取样电阻。
丈量电路体系示意图如图2所示。微操控器STM32F103操控D/A发生固定频率和电压的信号，经过由积分电路和减法电路构成的恒压源，对七电极电导率传感器进行驱动，电流流过取样电阻，构成的电压值反映了电导率的值，电压经A/D进行模数改换，采样得到的A/D值经过算法处理得到电导率值。
体系选用STM32F103作为操控器，STM32F系列归于中等容量增强型、32位根据ARM中心的带64或许128kB闪存的微操控器，具有USB、CAN、7个定时器、2个ADC、9个通讯接口，广泛运用于各种工业操控体系、丈量外表等。
2 丈量电路剖析及完成
2.1 驱动电路剖析
2.1.1 矩形波发生电路
七电极电导率传感器选用美信公司的MAX5312发生800 Hz的矩形波进行驱动，驱动电压为-8～+8 V。MAX5312为12位、串行、数模转换器，在双电源电压为±12～±15 V时，供给双极性±5～±10 V输出，而在单电源电压为12～15 V时，供给单极性5～10 V输出。MAX5312具有极佳的线性度，该器材还具有10μs快速的树立时刻至0.5 LSB，硬件关断特性将电流耗费下降至3.5 μA。本电路中MAX5312作业在3.3 V，选用SPI通讯办法。
如图3所示，SCK、MOSI、MISO是和微操控器的通讯接口，履行SPI协议，/CS2是MAX5312的片选端，VREF是D/A芯片基准的输入端，该基准由本电路体系中的A/D发生，以完成A/D和D/A运用一致个基准，防止因基准的差异影响丈量的精度。OUT是D/A的输出引脚。为进步驱动才能，发生的矩形波驱动信号要经过由一个高精密运放组成的电压跟从器。
2.1.2 驱动电路剖析
如图4所示，驱动信号经过一个积分电路后加在七电极两头，七电极的2、3两头电压和5、6两头电压经过减法电路后反作用与积分电路，构成负反馈，完成对七电极的恒压驱动，R3是取样电阻。
2.2 收集电路
如图5所示，R3是取样电阻;R3两头电压加到仪器运算扩大器的输入端;R13确认扩大器扩大倍数，由于A/D采样速率较高，所以模仿信号在输入到A/D之前需求经过差分驱动器，扩大器输出经过差分驱动器后输入到A/D进行采样。
选取亚德诺半导体公司的一款差分驱动器，用于输入规模最大为±10 V的16～18位ADC。它选用易于运用的单端至差分装备，无需外部元件就能驱动ADC，一起供给驱动最高18位分辨率ADC所需的低失真和高信噪比(SNR)等重要特性，广泛用于驱动包含工业仪器外表等各种运用中的ADC。该差分驱动器在精度和驱动才能上能满意本电路的需求。
本电路规划的中心思维之一便是高速采样去复原信号自身的特色，防止因不必要的模仿信号的调度引进差错，所以A/D的挑选关于电路的全体功能起着重要的作用。
图6是A/D收集电路的示意图，其间并行通讯端口担任向微处理器传输数据，VIN+、VIN-是模仿信号输入端口，VREF是5 V基准。
该A/D不仅能满意电路关于精度和速度的要求，而且能够发生5 V基准供给给D/A，完成驱动和收集运用相同的基准，即便基准因温漂等发生了细小的改变，也不会对采样成果发生影响，防止了因基准不安稳形成的差错。
3 丈量数据剖析及标定
在数据处理方面，首要对单个周期内的波形进行Ⅳ次采样，之后用得到的A/D值核算出每个驱动周期内的均匀A/D值;在收集M个周期后，对M个均匀后的A/D值做FFT，求出直流重量即为拟合用A/D值。用FFT能够较好地滤除噪音对采样成果的影响。在本次标定过程中，每个周期内有128个采样点，对32个周期的均匀A/D值进行FFT改换。
在标定过程中，首要用收集到的拟合A/D值和对应的电导率值，运用最小二乘法进行拟合，得到求电导率的公式，最终进行丈量和复检。拟合公式如下
C=a0+a1×D+a2×D2+a3×D3 (1)
其间，c为电导率;D是A/D值;a0、a1、a2、a3是拟合系数。
在标定的过程中，选用海鸟公司的温盐深仪(CTD)作为比照，直接对电导率进行读取，相关于传统测盐度温度进行电导率丈量，这样更方便快捷，多用于对试验阶段仪器的标定，得到行业界的认同。文中别离对35℃，25 ℃，15 ℃，5℃的海水电导率进行丈量。试验成果见表1～表2所示。
经过标定和复检能够发现，在25℃，15 ℃，5℃，0℃的4点作用较好，最大差错在0.005 mS·cm-1以下，但在高温35 ℃点差错较大，拟合差错达到了0.018 mS·cm-1，原因可能是在高温点某些模仿器材进入了非线性区，或许是由于传感器自身的物理特性在高温点存在一些缺乏。
4 结束语
规划了一款七电极电导率传感器丈量电路，并进行了标定和复检验证了电路的安稳性和高精度。在规划过程中，首要运用了削减模仿电路、直接对原始信号采样进行处理的思维，使电路自身愈加安稳和牢靠，防止由于一些不必要的处理引进新的噪声，然后进步了体系的丈量精度。
