电导法检测海水盐度计(硬件部分)

多参数海水溶液检测传感器(硬件部分)

关键词海洋；盐度测量；传感器不要删除行尾的分节符，此行不会被打印

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目录

摘要……....................................................................................................................... I Abstract.......................................................................................................................II

第1章绪论 (1)

1.1 课题的背景和意义 (1)

1.2 盐度测量相关技术概述 (1)

1.2.1 盐度的定义 (1)

1.2.2 盐度测量技术的发展及比较 (3)

1.2.3 盐度值的影响因素 (4)

1.2.4 电导率仪工作原理 (5)

1.3 课题的设计目标 (7)

1.3.1 系统整体设计方案 (8)

1.3.2 各部分功能实现规划 (8)

1.4 本章小结 (9)

第2章传感电路设计 (10)

2.1 电导电极 (10)

2.1.1 电导与电导率 (10)

2.1.2 盐度传感器探头设计 (10)

2.2 盐度传感电路 (11)

2.2.1 测量电源设计 (11)

2.2.2 整流滤波放大电路设计 (16)

2.3 温度、压力传感电路 (19)

2.3.1 温度传感器设计 (19)

2.3.2 压力传感器设计 (22)

2.4 本章小结 (27)

第3章主控电路设计 (28)

3.1 MCS51单片机最小系统 (28)

3.1.1 高性能8位单片机AT89S52 (28)

3.1.2 系统时钟电路 (29)

3.1.3 CPU复位电路 (30)

3.2 A/D模数转换电路 (30)

3.2.1 TLC0832的特点 (30)

3.2.2 TLC0832的封装形式和引脚定义 (31)

3.2.3 TLC0832与单片机的连接 (31)

3.3 RS-232串行通讯接口电路 (32)

3.3.1 RS-232串行通讯概述 (32)

3.3.2 RS-232串行通讯接口设计 (33)

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3.4 上位机M600型LCD触摸屏描述 (34)

3.4.1 M600型LCD触摸屏基本属性 (34)

3.4.2 M600型LCD触摸屏连接电路 (34)

3.5 本章小结 (34)

结论 (35)

致谢 (36)

参考文献 (37)

附录A (38)

附录B (50)

附录C (59)

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- 1 -

第1章 绪论

1.1 课题的背景和意义

盐度是影响海水密度的重要物理量，是研究海洋学的要素之一。测量盐度

不仅在众多的应用科学如盐化工、水产养殖、生态网络调查、气候气象监测、

能源探索等方面都有很重要的意义，而且在生物工程方面也有着重要的意义。

海洋科学考察需要将探测设备置于水面或水下某一位置，并获取此位置的

相关信息，如盐度、温度、压力、深度以及生物环境等信息。海洋水产品养殖

需要经常监测水环境的各种参数状态，以确保成功养殖，其中海水盐度更是极

其重要的因素。因此如何设计一种检测快捷准确、运行稳定、结构简易并具备

数字接口的新型海洋水环境参数传感探测器便显得十分重要。

1.2 盐度测量相关技术概述

海水中的含盐量是海水浓度的标志，要精确地测定海水中的绝对盐量是一

件十分困难的事情。长期以来人们对此进行了广泛的研究和讨论，引进了“盐

度”以近似地表示海水的含盐量。

1.2.1 盐度的定义

1.2.1.1 基于化学方法的盐度的首次定义

1902年克纽森(Knudsen)等人基于化学分析测定方法[1]，定义盐度为：“1kg

海水中的碳酸盐全部转换成氧化物，溴和碘以氯当量置换，有机物全部氧化之

后所剩固体物质的总克数。”单位是g/kg ，用符号‰表示。

按上述方法测定盐度相当烦琐，根据1891年马赛特发现 “海水组成恒定

性”——海水中的主要成分在水样中的含量虽然不同，但它们之间的比值是近

似恒定的。据此，如果能测定出海水中某一主要成分的含量，便可推算出海水

盐度。

己知海水中的氯含量最多，且可方便地用3AgNO 摘定法加以测定，基于海

水组成恒定性规律，归纳出用测定海水氯含量的方法来计算盐度的公式：

S ‰=0.030+1.8050Cl ‰ (1-1)

称式(1-1)为Knudsen 盐度公式，其中Cl ‰称为海水的“氯度”，即“1kg 海

水中的溴和碘以氯当量置换，氯离子的总克数。”单位是克每千克，以‰号表

示。可见氯度的量值要稍大于海水的实际氯含量。

用3AgNO 滴定法测定海水的氯度时，需要知道3AgNO 的浓度，国际上统一

使用一种其氯度值精确为19.374‰的大洋水作为标准，称为标准海水。其盐度

值对应为35. 000‰。

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1.2.1.2 盐度的重新定义

依式(1-1)计算盐度是很方便的，它一直延续使用到20世纪60年代。随着

电导盐度计的问世，测定盐度的方法更为方便，且精度大为提高[1][2]。考克斯等

人对由大洋和不同海区不深于100m 水层内采集的135个水样，准确地测定其氯

度值计算盐度，同时测定水样的电导比R15，得出盐度S ‰与电导比15R 有以下

关系式:

S‰ =-0.08996+28.2972015R +12.80832215R (1-2)

-10.67869315R +5.98624415R -1.32311515R

式(1-2)中15R 为“在15℃、一个标准大气压 (101325Pa )下，水样的电导率

(,15,0)C S 与盐度精确为35.000‰(Cl ‰=19.374‰)的标准海水电导率(35,15,0)

C 之比值。”依此方法测定盐度的精度高且速度快。因此，国际“海洋学常用表和

标准联合专家小组”(JPOTS)于1969年推荐该式为海水盐度的新定义。

为使盐度的测定脱离对氯度测定的依赖，JPOTS 又提出了1978年实用盐度

标度(theP-racticalSalinityScale,1978)，并建立了计算公式，编制了查算表，自

1982年1月起在国际上推行。

1.建立实用盐度的固定参考点

实用盐度仍然是用电导率测定的，为使海水的盐度值与氯度脱钩，所以选

择一种精确浓度的氯化钾（KCl ）溶液作为可再制的电导标准，用海水相对于

KCl 溶液的电导比来确定海水的盐度值。

为保持盐度历史资料与实用盐度资料的连续性，仍采用原来氯度为

19.374‰的国际标准海水为实用盐度35.000‰的参考点。配制一种浓度为

32.4356‰高纯度的KCl 溶液，它在“一个标准大气压力”下，温度为15℃时，

与氯度为19.374‰(盐度为35.000‰)的国际标准海水在同压同温条件下的电导率

恰好相同，它们的电导比

15(35,15,0)(32.4356,15,0)

C K C = (1-3) 也就是说，当15K =1时，标准KCl 溶液的电导率对应盐度为35.000‰。把

这一点作为实用盐度的固定参考点。

2.实用盐度的计算公式

5

1/215

0i i S a K ==∑ (1-4) 式(1-4)中15K 是在“一个标准大气压力”下，温度15℃时，海水样品的电

导率与标准KCl 溶液的电导率γ之比，在15℃，一个标准大气压力下，γ等于

42.896/mS cm ，这虽不是世界公认的数值（目前还没有公认的数值），但只要传

感器在定标和测量时使用的是同一数值，该数值就不妨碍海水盐度的计算。

式中a 0=0.0080，a 1=-0.1692，a 2=25.3851，a 3=14.0941，a 4=-7.0261，

a5=2.7081，

5

35 i

i

a =

=

∑；适用范围为242

S

≤≤。

由于海水的绝对盐度(SA)——海水中溶质的质量与海水质量之比值，是无法直接测量的，它与测定的盐度S显然有差异，因此也称S为实用盐度(PSU)。实用盐度不再使用符号“‰”，因而实用盐度是旧盐度的1000倍。

1.2.2盐度测量技术的发展及比较

盐度测定，就方法而言，有化学方法和物理方法两大类。

1.2.2.1化学方法

化学方法又简称硝酸银滴定法。其原理是，在离子比例恒定的前提下，采用硝酸银溶液滴定，通过麦克伽莱表查出氯度，然后根据氯度和盐度的线性关系，来确定水样盐度。此法是克纽森等人在1901年提出的，在当时，不论从操作上，还是就其滴定结果的精确度来说，都是令人满意的[1]。

1.2.2.2物理方法

物理方法可分为比重法、折射法和电导法三种[1]。

1.比重法测量是海洋学中广泛采用的，即一个大气压下，单位体积海水的重量与同温度同体积蒸馏水的重量之比。由于海水比重和海水密度密切相关，而海水密度又取决于温度和盐度，所以比重计的实质是，从比重求密度，再根据密度、温度推求盐度。

2.折射率法是通过测量水质的折射率来确定盐度。

以上几种测量盐度的方法存在误差较大、精度不高、操作复杂、不利于仪器配套等问题，尽管还在某种场合下使用，但逐渐被电导测量所代替。

3.电导法是利用不同盐度具有不同导电特性来确定海水盐度。

1978年的实用盐标解除了氯度和盐度的关系，直接建立了盐度和电导率比的关系。由于海水电导率是盐度、温度和压力的函数，因此，通过电导法测量盐度必须给予温度和压力对电导率的影响进行补偿，采用电路自动补偿的这种盐度计为感应式盐度计。采用恒温控制设备，免除电路自动补偿的盐度计为电极式盐度计。

感应式盐度计以电磁感应为原理，它可在现场和实验室测量，因而得到广泛的应用，在实验室测量中精度可达0.003。该仪器对现场测量来说是比较好的，特别对于有机污染含量较多、不需要高精度测量的近海来说，更是如此。然而，由于感应式盐度计需要的样品量很大，灵敏度不如电极式盐度计高，并需要进行温度补偿，操作麻烦，这就导致感应式盐度计又转向电极式盐度计的发展。

最先利用电导测盐的仪器是电极式盐度计，由于电极式盐度计测量电极直接接触海水，容易出现极化和受海水的腐蚀、污染，使性能减退，这就严重限制了在现场的应用，所以主要用在实验室内做高精度测量。加拿大盖德莱因

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(Guildline)仪器公司采用四极结构的电极式盐度计(8400型)，解决了电极易受污

染等问题，于是电极式盐度计得以再次风行。目前广泛使用的STD ，CTD 等剖

面仪均是电极式结构的。

1.2.3 盐度值的影响因素

1.2.3.1 温度对盐度测量的影响

温度影响水溶液的电导率，因此温度与盐度有着紧密的关系[1]。对于某一

固定的水溶液其电导率几乎随温度线性地增加，但是，不同溶液、不同的电导

率、不同温度下其温度系数是不同的，依据实验，在任意温度t 的条件下测定电

导比t R ，由t R 可计算此时溶液的盐度，t R 计算公式如下：

(,,0)(35,,0)

t r s t R r t = (1-5) 其中(,,0)r s t 是仪器在t ℃下，测量得到的电导率值；(35,,0)r t 由下面的经

验公式计算：

2(35,,0)0.00330.879328.988r t t t =++ (1-6)

在任意温度t 下，计算盐度的公式为

0S S S =+? (1-7)

其中 5

1/200i t i S a R ==∑ (1-8)

5/20

151(15)i i t i t S b R K t =-?=+-∑ (1-9) S ?是温度变化引起的盐度修正值，式(1-8)中系数a 的值与式(1-4)中相同。

S ?系数b 分别为：b 0=0.0005，b 1=-0.0056，b 2=-0.0066，b 3=-0.0375，

b 4=0.0636，b 5=-0.0144，5

0i i b =∑=0.0000，K =0.0162。

由式(1-5)、(1-6)、(1-7)、(1-8)和(1-9)我们可以得出结论：用电测法测量某

温度下水溶液的盐度时，需要知道的参数有：温度t 和此时溶液的电导率与标

准海水电导率的值，公式的适用范围是：温度-2℃～35℃，盐度2～42‰。

1.2.3.2 压力对盐度测量的影响

压力的不同使水溶液的浓度、粘度不同，致使电导率发生变化[3]，但是压

力对电导率的影响十分复杂，它与溶液的温度、压力、电导率都有关系，尤其

是在压力为10至20个大气压，水深为100至200米的深海精确测量海水电导

率时，则要考虑压力的影响，乘以适当的压力系数，海洋工作者根据各自测量

的数据拟合了经验公式。

压力对海水电导的影响表现在压力能改变海水密度，从而改变单位体积海

水中离子浓度；同时压力也影响着海水中的一些化学平衡，使平衡向一定方向

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移动，从而改变海水的离子组成。这些都将影响海水绝对电导率的变化。海水

电导率的压力系数虽然很小，但由于海深可达万米，总的压力效应是很可观

的。对于深海水的现场测定资料，若不考虑压力因素校正将会有很大误差。

1965年布雷德少(Bradshaw)等人测定了海水电导的压力系数，测定结果优于±

0.01‰盐度值，并给出了一个与观测值误差在±0.005‰盐度值以内的内插公

式。由于他们提出的公式过于复杂，因而后来就有人提出了一些简化的公式。

费多罗夫（Федоров）提出了一个形式十分简化的计算公式，电导率的压力系数：

34621[0.984100.26910(15)0.51010(15)]100

t t R p P t t R ---?=+?+?-+?- (1-10) 式中P 为压强，单位为分巴；t 为摄氏度温度值。此时在压强为2000分

巴，S ‰=3139至的范围内，对计算盐度带来的误差约为0.010.03至‰S 。本课题

设计将应用此拟合公式进行电导率压力系数的计算。

1.2.4 电导率仪工作原理

电导率仪将电导池产生的电导信号转变并放大为电信号，通过表头或显示

器指示出来。将电导池信号转变为电信号可通过多种方法，总体可分为三类：

交流分压原理、电流测量原理和交流电桥原理[4][5]。

1.2.4.1 交流分压原理

图1-1交流分压原理示意图

交流分压电导率仪原理[4]如图1-1所示，当交流电压作用于电导池时，电导

池可视为一纯电阻，由原理图可得如下关系式：

(1-11)

式中x R 为溶液电阻；m R 为分压电阻；E 为测量信号；m E 为测量信号在分

压电阻上的分压值。

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当E 、m R 和J 一定时，m E 随着溶液电导率的变化而变化。通过测量m E 的

大小，就可得到溶液电导率的大小。

1.2.4.2 电流测量原理

图1-2 电流测量原理示意图 电流测量电导率仪原理[4]如图1.2所示，由原理图可得下式：

0x x f

V E E K I E G R J R ?==?== (1-12) 式中x I 为流经电导池的电流；E 为加在电导池两端的电压；x R 为溶液的电

阻；G 为溶液的电导；0V 为运算放大器输出电压；f R 为反馈电阻。

上式说明，把一定幅度的电压加在电导池两端，流过溶液的电流大小取决

于溶液的电导率大小。电流的测量可通过输出电压得到，通过变换可得下式：

f V J K R E

?=? (1-13) 因此，当外加电压E 、电极常数及放大倍数一定时，溶液的电导率与运算

放大器输出电压0V 成正比。只要测量0V 的大小，就可以反映出被测溶液的电导

率的大小。

1.2.4.3 交流电桥原理

交流电桥电导率仪原理[4]如图1-3所示，图中x R 为电导池电阻，s R 为标准

交流电阻，ADB 为线性比例臂。当电桥平衡时，有以下关系式成立：

s

AD x DB

R L R L ?= (1-14)

∴

11

x

s AD

x

DB

G

R L

R

L

==

?

(1-15)

因此，当电桥平衡时，通过测量比例臂的比值，就可得到溶液的电导值。

A

图1-3 交流电桥原理示意图

1.3课题的设计目标

本课题欲设计一种检测快捷准确、运行稳定、结构简易并具备数字接口的海洋水环境盐度、温度和压力参数传感探测器，并通过某些数据运算求得深度等数据信息，再通过RS-232串行通讯接口将数据传送给上位机，做进一步的数据处理和图形化显示。

本课题具体设计要求如表1-1所示。

表1-1 课题设计要求

本设计主要涉及课题的整体设计、传感器电路设计以及单片机系统设计的硬件部分，不涉及上位机的数据处理和图形化显示部分。

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1.3.1

系统整体设计方案

图1-4 传感器系统框图 系统框图如图1-4所示，系统从结构上分析有下位机检测部分，和上位机

显示部分。

1.3.2 各部分功能实现规划

1.3.

2.1 传感器部分

本课题主要涉及盐度传感器、压力传感器和温度传感器。

1.盐度传感器

图1-5 盐度传感器结构图

盐度传感器的设计是本课题的重点内容，在充分考虑应用环境和对盐度测

量技术的细致分析的基础上，本设计选用电导法原理电流测量方式测量盐度。

以两根平行安置的黄铜镀金表面的金手指做探头，具有抗腐蚀耐用、不易

损坏等特点。由于盐度不同，电导率不同，从而探头两端电阻值不同，电桥将

电阻的变化转换为输出电压的变化 (或者采用串连电阻分压法)，接着经滤波、

放大、补偿、整流再放大后送A/D 转换芯片，最后由MCS51单片机系统读出

A/D转换值，经计算处理核算出盐度值(核算的依据是一系列试验数值的处理结果)，并通过RS-232串行通讯接口将盐度数据传送给上位机。

2.压力和温度传感器

本系统由于不需要极高精度的温度和压力测量，所以选用目前技术比较先进，精准度较高或具有数字接口的传感器。这样不仅可以简化设计，而且还可以提高检测速度和精度。

压力传感器选用MPM380型压阻式压力传感器；温度传感器选用单总线智能温度传感器DS18B20。

1.3.

2.2单片机部分

传感器的核心MCU采用通用的MCS51系列的AT89S52微控制器，辅助配以A/D转换模块、RS-232串行通讯模块、系统供电和复位等模块，实现对采集的温度、盐度、压力等信号进行综合处理的功能。

1.4本章小结

本章首先讨论了课题的背景和实际意义，认为研制此类新型传感器是十分必要和可行的；然后深入分析了各种盐度测量的相关技术，确定了使用电导法测量海水盐度的方案；最后为课题制定了设计目标和整体规划。

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第2章 传感电路设计

传感器电路设计的优劣直接关系到测量的精度和稳定性，这里分三部分来

讨论：一是盐度传感器电导电极设计；二是盐度传感器电路设计；三是温度、

压力传感器电路设计，同时温度的测量还用于盐度值标定时的补偿。

2.1 电导电极

电导电极是电导率仪的测量元件，电导电极与电导率仪配套使用测量电解

质溶液的电导率。

2.1.1 电导与电导率

任何一种均匀导体，他的电阻R 是由下式决定：

l R A

ρ= (2-1) 式(2-1)中，l 为导体的长度（cm ），A 为导体的横截面积（2cm ），ρ为电阻率

（cm Ω?）。它是导体的一个电气特性参数，当l 为1cm ，A 为12cm 时，则有

R ρ=，所以电阻率的物理意义是一个体积为13cm 的正方形导体的电阻值。

上述关系适用于金属、固体物质和液体。不过在衡量液体这种物质时，往

往不用电阻率，而使用它的倒数1/ρ，即所谓电导率（电导比），以σ表示。同

时溶液的电阻也往往用其倒数1/R 表示，称为电导G 。其原因是：对于金属导

体来说，电阻或电导率一般都与温度成“正向”的关系，即温度升高，电阻率

就增大；反之则减少。而液体则相反，温度升高，电阻和电导率就减小；反之则增大，所以是“负向”的关系。为了运算的方便和概念一致，引入电导和电导率的概念。溶液的电导为：

1A G l K

σσ== (2-2) 式(2-2)中：电导率σ表示体积为13cm 的导体的电导，单位为（1cm -Ω?或

/S cm ）；电导的单位为西门子（S ）（1111S A V --=?=Ω）；K 为电导池常数，单

位为（1cm -），它是电导电极两极片之间的距离l 与极片面积A 之比值[5]。

2.1.2 盐度传感器探头设计

按照电磁场理论，直径为2a 、长度为l 的两根金属导体，在介质中平行间

距为d 时，如果满足：2a l <<、2a d <<，可推导出其电阻R 与介质的电导率δ

的关系为：1R a

πδ=，与l 和d 无关。根据以上理论，设计本课题的电导率传感器如图2-1所示。

- 11 -

图2-1 盐度传感器电导探头

图2-1所示的电导率传感器，用耐腐蚀的黄铜镀金做电导探头，其直径为

0.6mm ，长为20mm ，中心距为16mm 。用这种电导探头，可以算出在不同盐度

时所测得的电阻值，并可试验得对应的极间电容。

两根相同的铜棒镀金作电极，在NaCl 水溶液中，两极加以交流信号，不构

成原电池、电解池或电镀池的条件，理论上不会发生氧化还原反应。但是，在

海洋复杂水环境中，由于腐蚀性较强会致使电极产生氧化反应，为了保证使用

寿命和测量精度，必须每隔一段时间清洗之。

2.2 盐度传感电路

对于盐度传感器电路的设计主要考虑测量电源（即振荡电路设计）的频率

和幅值，要求能够抑制传感器电极的电解并保证测量的精度；整流滤波放大电

路主要完成对测量信号的处理，得到稳定的直流对地信号，送A/D 转换芯片。

2.2.1 测量电源设计

本设计的测量电源，即设计一个正弦信号发生器，产生一定频率和幅值的

正弦信号，由于正弦信号的频率和幅值都将直接影响到测量的精度和稳定性，

而且波形失真会对测量精度和传感器寿命造成影响。因此，测量电源的设计主

要考虑这两个方面。

2.2.1.1 测量电源频率的选择

交流电导法的测量电源工作频率的高低，主要由电导池的极间电容和电阻

决定[5][6]。在测量低电阻（小于1k ）时，如果频率太低，则会由于电流密度大

而产生一定的极化效应。因此这时应采用较高的频率，如1kHz ，以使在电极表

面的氧化和还原反应迅速交替进行，可以消除或减小极化效应而产生的测量误

差。但在测量高电阻电导池时，由于电导池电容的影响而不能用较高的工作频

率，否则会产生容抗误差。电导池的等效电路如图2-2所示。

- 12 - R L1Z 1

R SOL R L2

C DL1Z 1C DL2

C r

图2-2 电导池等效电路 在交流法电导测量中，采用交流电源后，电导电极的极间电容对测量结果

造成误差为：

32p R R C ω-?≈ (2-3)

式(2-3)中：p C 为极间电容。

电导测量仪器通常是把电导池系统看作一个纯电阻元件，没有考虑电导池

电容的影响。但在测量电源为交流时，电导池不再是一个纯电阻，而是包括容

抗在内的总阻抗，其总的电导值为两者的矢量和，造成电导仪在实际测量中的

误差。

如图2-2所示，图中1L R 和2L R 代表电导电极的引线电阻，通常忽略不计。

1DL C 和2DL C 是两个电极片双层电容，是由两个电极表面上的双电层形成的。p

C 是极间电容，SOL R 是电极之间的溶液电阻。1Z 和2Z 表示的元件代表在两个电极

片上感应电的阻抗。

当电导池两端施加一个交流电时，它将流经DL C 和SOL R ，同时也流过p C 。

由于DL C 对交流电而言提供了一个低阻通路，1Z 和2Z 分别被1DL C 和2DL C 所短

路。因此，如果p C 很小和DL C 很大时，电导池的阻抗就近似为SOL R 。通常DL

C 都较大，因此，在测量高电阻溶液时仅仅p C 有效。等效电路可以简化为p C 和

SOL R 的并联。其等效阻抗为：

1p R Z j C R

ω=+ (2-4) 从式(2-4)中可以看到，当1p C R ω<<即21p fC R π<<时（至少差100倍），Z

才近似地等于R 。而p C R ω项中p C 和R 一定时，ω的值越高，将使测量带来误

差。

因此，当测量电阻一定时，电导电极的极间电容愈大，则测量电源的频率

就应愈低，反之则相反。同样道理，当电导电极的极间电容一定时，测量电阻

愈大，则测量电源的频率也应愈低，反之亦相反。这就要求在进行电导测量时

正确选择测量电源的频率，否则可能造成严重的测量误差。

- 13 -

由上面的分析可知：交流电导法的测量电源工作频率的高低，主要由电导

池的极间电容和电阻决定。在测量低电阻（小于500Ω）时，如果频率太低，则

会由于电流密度大而产生一定的极化效应，因此这时应采用较高的频率。如

2kHz ，以使在电极表面的氧化和还原反应迅速交替进行，可消除或减小极化效

应而产生的测量误差。但在测量高电阻电导池时，由于电导池电容的影响而不

能用较高的工作频率，否则会产生容抗误差，因此这时采用较低的工作频率。

根据以上分析，本设计测量属中低阻电导池，正常工作时，盐度的测量范

围要求在30-65ppm 之间，如果以45ppm 时的电阻和极间电容来计算测量电源

的最高频率f 的话，如式(2-5)。

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11110022 3.14 1.5100.110p f Hz C R π-≤=≈????? (2-5) 因此，本设计的电源最高工作频率不要超过 1500Hz ，否则会在测量低浓度

的海水时，由于极间电容的影响而产生较大的测量误差。

2.2.1.2 正弦波振荡电路设计

正选波振荡的稳定与否，是整个系统的能否稳定的、精准的检测溶液盐都

信号起着至关重要的作用[7][8][9][10]。

正选波的产生目前主要有两个方法，分别为RC 桥式正弦波振荡电路和专

门的正选波信号发生器。

鉴于RC 桥式正弦波振荡电路调试周期时间较长，且对输出阻抗要就较严

格，所以本系统放弃了该方案，使用了专用的ICL8038信号发生器芯片。

2.2.1.2.1 ICL8038的特点

(1)电源电压范围宽，9V 至12V 均可驱动。

(2)振荡频率范围宽，频率稳定性好。频率范围是1kHz-300kHz ，频率温漂 仅50ppm/℃(1ppm=10-6)。

(3)输出波形的失真小。正弦波失真度＜5%，经过仔细调整后，失真度还

可降低到0.5%。三角波的线性度高达0.1%。

(4)矩形波占空比的调节范围很宽，D=1%-99%，由此可获得窄脉冲、宽脉

冲或方波。

(5)外围电路非常简单。通过调节外部阻容元件值，即可改变振荡频率。

(6)该函数发生器是一种可以同时产生方波、三角波和正弦波的专用集成电

路。当调节外部电路参数时，还可以获得占空比可调的矩形波和锯齿波。

2.2.1.2.2

ICL8038芯片引脚图

图2-3ICL8038管脚图

如图2.3所示，ICL808有8根引脚。引脚的功能简要分类说明如下：

(1)引脚1：正弦波失真度调整；

(2)引脚2：正选拨输出；

(3)引脚3：三焦波输出；

(4)引脚4：频率/占空比调节；

(5)引脚5：频率/占空比调节；

(6)引脚6：VCC；

(7)引脚7：调频偏置电压输出；

(8)引脚8：调频偏置电压输入；

(9)引脚9：矩形波输出；

(10)引脚10：外接调置电容；

(11)引脚11：GND；

(12)引脚12：正弦波失真度调节；

(13)引脚13：NC；

(14)引脚14：NC。

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2.2.1.2.3

ICL8038芯片工作电路图

图 2-4 ICL8038管脚图

输出频率和波形线性度 调节方式：

(1) 电阻1R 与电位器1p R 用来确定8脚的直流电位8V ,通常取8V =2/3VCC 。8

V 越高，输出频率越低，反之亦然。因此，ICL8038又称为压控振荡器或

频率调节器。1p R 可调节的频率范围为20Hz 至20kHz 。8V 还可以由7脚提供固定电位，此时输出频率0f 仅由A R 、B R 及电容C 决定。

(2) 当调节2p R 处于中间值时，3脚输出三角波，否则为锯齿波。

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2.2.2 整流滤波放大电路设计

本系统采用线性分压测量电路，因为最终的信号要送到数字电路A/D 芯片转换，所以要把分压后输出的交流信号进行放大、整流滤波再放大（或缩小）处理，送数字系统处理。

2.2.2.1 线性分压测量电路

由于本设计要把和电导率变化相关的交流电压信号最终转化为直流电压信号，因此不宜采取平衡电桥测量电路，而采用线性分压式测量电路，如图2-5所示。其中E 为测量电源电压峰值，x R 为电导池，m R 为分压电阻，m E 为分压输出值。

图2-5 线性分压测量原理图

本控制系统所测盐度范围为355ppm 至6，所对应的电导率传感器测得的电阻范围是0.37M M ΩΩ至0.25。

m m x m

R E E R R =+ 当x m R R >>时： m m x m x

R E E G R E R ≈= (2-6) 由式(2-6)可见，当E 和m R 为常数而且x m R R >>时，测量电路输出电压m E 与电导池电导x G 之间成线性关系。通过测量m E 的大小，就能测出溶液的电导

率；改变m R 的数值，就可改变仪器的量程。

线性分压式测量电路，只有满足m E E <<或x m R R >>的条件时，m E 与x G 之间才有线性关系。如果满足以上线性条件，则m E 值将会很小，其最大峰值也只有0.8V ，这样后面的电路很难处理。鉴于此，不要求分压值对m E 是绝对线性的，可考虑在后面的数值处理中，选择合适的数值处理方法，对m E 进行软件线性化处理，以简化电路设计。同时为了尽可能使电极两端的电压较小，选取标准值150m R k =Ω。

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2.2.2.2 一介有源放大电路

因通过电导液及电阻m R 分压后所输出的交流信号振幅较低，为了能够顺利

通过后续整流环节二极管，且不至于因二极管自身的压降而导致电压输出为0，有必要对分压后输出的交流电压进行放大，并且集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出阻抗又很低，构成有源放大器后还具有一定的电压增益和缓冲作用[7]。运算放大器采用经典741系列。EWB

仿真后如图2-6所示。

图2-6 信号放大电路原理图

经过放大电路调理后输出交流信号有效电压值约为3.1V 。

2.2.2.3 整流和滤波处理

放大后的交流信号0E ，经整流滤波后，输出直流信号0V 如图2-7所示。

E 0

图2-7 整流滤波电路原理图