CN103051326A - 一种微机电系统电导率传感器的接口电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机电系统电导率传感器的接口电路，包括电流模块、信号调理模块、直流转换模块、温度补偿模块和数据采集模块；电流模块与电导率传感器的输入端连接，信号调理模块与电导率传感器的输出端连接，直流转换模块与信号调理模块连接，温度补偿模块与电导率传感器的被测液体连接，数据采集模块与直流转换模块和温度补偿模块连接，数据采集模块还与电流模块连接。本发明提供的微机电系统电导率传感器的接口电路更加便于进行数据采集和处理；既不需要进行正弦拟合运算，又能全面真实反映电导率传感器输出电压的值，极大地降低了算法的复杂度，精简了接口电路的构成，在降低系统的复杂度的同时，大大提高了测量的准确度。

Description

一种微机电系统电导率传感器的接口电路

技术领域

本发明涉及一种微机电系统电导率传感器的接口电路。

背景技术

电导率传感器是在实验室、工业生产和探测领域里被用来测量超纯水、纯水、饮用水、污水、海水等各种溶液的电导性或水标本整体离子的浓度的传感器。微机电系统电导率传感器是采用微纳加工技术制备的微型四电极型电导率传感器。其测量方法是往两个输入电极施加电流，测量两个输出电极的电压差，根据施加电流值和测量电压值即可推算对应的电导率的值。直流驱动电流会使电极产生电解，长时间工作会损坏电极和引进测量误差，因此需要采用交流驱动电流；由于电极尺寸为微米级别，信号的细微变化即可引起巨大测量误差，因此需要精密的接口电路；液体电导率会随着液体温度的变化而变化，因此需要进行温度补偿。

目前的微机电系统电导率传感器的接口电路，基本上都是采用交流电流作为输入驱动信号，交流电压作为输出信号。在获取计算值方面，大致分为两种方法。一种方法是对输出电压进行三参数正弦拟合，从而得到正弦电压输出的幅度、相位和直流偏移。根据输入电流的幅度和输出电压的幅度即可计算出电导率的值。该方法的缺陷在于，正弦信号的处理算法较为复杂，需要在电路中增加数字信号处理模块，提高了系统的复杂度。另一种方法是采用峰值检测器获取输入电流和输出电压的峰值，根据两者峰值计算电导率的值。该方法的缺陷在于抗干扰能力不强，干扰信号很有可能被峰值检测器获取而作为计算值，从而影响电导率的准确性。

因此，现有技术中用于微机电系统电导率传感器的接口电路有待改进。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提供一种微机电系统电导率传感器的接口电路，降低系统的复杂度，并提高测量的准确度。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种微机电系统电导率传感器的接口电路，包括电流模块、信号调理模块、直流转换模块、温度补偿模块和数据采集模块；

电流模块与电导率传感器的输入端连接，用于为电导率传感器提供电流驱动信号；

信号调理模块与电导率传感器的输出端连接，用于对电导率传感器的输出信号进行滤波和放大处理；

直流转换模块与信号调理模块连接，用于以均方根值的转换方式，将信号调理模块处理后输出的交流电压信号转换为直流电压信号；

温度补偿模块与电导率传感器的被测液体连接，用于将被测液体的温度变化转化为对应变化的电信号；

数据采集模块与直流转换模块和温度补偿模块连接，用于收集直流转换模块和温度补偿模块输出的数据，并进行模数转换；

数据采集模块还与电流模块连接，用于向电流模块提供时钟信号。

所述电流模块包括相互连接的电流源芯片和开关芯片。

所述电流源芯片为LT3092芯片，所述开关芯片为ADG884BRMZ芯片。

所述信号调理模块包括相互连接的低通滤波器和仪器放大器。

所述直流转换模块包括一均方根-直流转换电路。

所述均方根-直流转换电路包括AD637JRZ芯片。

所述温度补偿模块包括依次串联的一分压电阻和一铂热电阻，所述铂热电阻还与温度补偿模块的输出端连接。

所述数据采集模块包括相互连接的采集转换单元和数据收发单元。

所述采集转换单元包括ADμC841芯片和连接于ADμC841芯片外部的外围电路。

所述数据收发单元包括MAX3232芯片和连接于MAX3232芯片外部的外围电路。

本发明提供的微机电系统电导率传感器的接口电路，为电导率传感器提供交流驱动电流，并使用均方根-直流转换电路将交流电压输出转换为直流电压输出，根据输入的交流电流和输出的直流电压计算电导率值。与现有技术相比，本发明提供的微机电系统电导率传感器的接口电路更加便于进行数据采集和处理；既不需要进行正弦拟合运算，又能全面真实反映电导率传感器输出电压的值，极大地降低了算法的复杂度，精简了接口电路的构成，在降低系统的复杂度的同时，大大提高了测量的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例的接口电路的功能模块示意图。

图2为本发明实施例的接口电路的电流模块的电路结构图。

图3为本发明实施例的接口电路的信号调理模块的电路结构图。

图4为本发明实施例的接口电路的直流转换模块的电路结构图。

图5为本发明实施例的接口电路的温度补偿模块的电路结构图。

图6为本发明实施例的接口电路的数据采集模块的电路结构图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体的实施例对本发明进行进一步的详细说明。

如图1所示，本发明实施例提供的一种微机电系统电导率传感器的接口电路包括电流模块1、信号调理模块2、直流转换模块3、温度补偿模块4和数据采集模块5。

电流模块1与电导率传感器的输入端连接，用于为电导率传感器提供电流驱动信号；

信号调理模块2与电导率传感器的输出端连接，用于对电导率传感器的输出信号进行滤波和放大处理；

直流转换模块3与信号调理模块2连接，用于将信号调理模块2处理后输出的交流信号转换为直流信号；

温度补偿模块4与电导率传感器的被测液体连接，用于将被测液体的温度变化转化为对应变化的电信号；

数据采集模块5与直流转换模块3和温度补偿模块4连接，用于收集直流转换模块3和温度补偿模块4输出的数据，并进行模数转换；

数据采集模块5还与电流模块1连接，用于向电流模块1提供时钟信号。

具体地，电流模块1的第一输出端11和第二输出端12分别连接到电导率传感器的两个输入电极，电流模块1产生幅值为0.5mA的交流方波电流，作为电流驱动信号施加在电导率传感器的两个输入电极。数据采集模块5产生时钟信号，从时钟信号输出端53发送到电流模块1的时钟信号接收端13，用于控制交流方波电流的频率。信号调理模块2的第一输入端21和第二输入端22分别连接于电导率传感器的两个输出电极，信号调理模块2将电导率传感器输出的差分电压信号进行滤波和放大后，从交流输出端23输出到直流转换模块3的交流输入端31。直流转换模块3将交流电压信号转换为直流电压信号，从直流输出端32输出到数据采集模块5的第一采集输入端51。同时，温度补偿模块4将被测液体的温度变化转化为对应变化的电信号后，从温度信号输出端41发送至数据采集模块5的第二采集输入端52。数据采集模块5把从直流转换模块3和温度补偿模块4收集到的数据进行模数转换，将结果通过采集输出端总线54上传到外部连接的上位机。

如图2所示，本发明实施例中的电流模块1由凌力尔特公司生产的LT3092电流源芯片和亚德诺半导体技术公司生产的ADG884BRMZ开关芯片组成，两块芯片相互连接，可产生±0.5mA的交流方波电流。LT3092芯片是一款两端电流源，只需两个电阻器就可以设定0.5mA至200mA的输出电流。ADG884BRMZ芯片是一款低压COMS器件，包括两个独立的单刀双掷开关，该器件具有小于0.4Ω的超低导通电阻。

具体地，5V的驱动电压Vdd分别连接到LT3092芯片的IN引脚和ADG884BRMZ芯片的VDD引脚。LT3092芯片的SET引脚经过第一电阻R17连接到ADG884BRMZ芯片的S1A引脚和S2B引脚，OUT引脚经过第二电阻R16连接到ADG884BRMZ芯片的S1A引脚和S2B引脚；LT3092芯片的TAB引脚与OUT引脚连接。ADG884BRMZ芯片的S1B引脚、S2A引脚和GND引脚接地；ADG884BRMZ芯片的IN1引脚和IN2引脚相连接，作为电流模块1的时钟信号接收端13。在同一时钟信号的控制下，ADG884BRMZ芯片的D1引脚和D2引脚分别作为电流模块1的第一输出端11和第二输出端12，向电导率传感器输出交流方波电流。

电流模块1的输出电流幅值是由第一电阻R17和第二电阻R16的阻值共同决定的。本发明实施例中，选取第一电阻R17的阻值为20kΩ，第二电阻R16的阻值为400Ω。则所述电流模块1的输出电流幅值：

$I=10\mathrm{\μA}\×\frac{R17}{R16}=0.5\mathrm{mA}$

如图3所示，本发明实施例中的信号调理模块2由相互连接的低通滤波器和仪器放大器组成，其中仪器放大器由三个NE5532P运算放大器和7个电阻组成，仪器放大器的放大倍数由这些电阻的阻值决定。

具体地，相互串联的第三电阻R18和第一电容C5组成一个简单的一阶RC低通滤波器，通频带的上界频约为100kHz。信号调理模块2的第一输入端21通过第三电阻R18与仪器放大器的一个输入端连接，第二输入端22与仪器放大器的另一个输入端连接，第一电容C5连接于仪器放大器的两个输入端之间。三个NE5532P运算放大器和第四至第十电阻R9~R15组成一个仪器放大器，仪器放大器的放大倍数由第四电阻R9、第五电阻R10、第七电阻R12和第九电阻R14的阻值决定。从信号调理模块2的第一输入端21和第二输入端22输入的信号经过滤波和放大后，从交流输出端23输出到直流转换模块3。

在本发明实施例中，所述第四电阻R9的阻值为1kΩ，第五电阻R10的阻值为1kΩ，第七电阻R12的阻值为500Ω，第九电阻R14的阻值为2.5kΩ。即所述仪器放大器的放大倍数：

$k=-(1+\frac{2R12}{R10})\frac{R14}{R9}=5$

如图4所示，本发明实施例中的直流转换模块3为以AD637JRZ芯片为核心建立的均方根-直流转换电路。AD637JRZ芯片是亚德诺半导体技术公司生产的一款高精度、单芯片均方根直流转换器，可计算任何复杂波形的真均方根值，可将交流电压信号转换为直流电压信号。

具体地，直流转换模块3的电源正极Vcc和电源负极Vee分别连接到AD637JRZ芯片的VS+引脚和VS-引脚；AD637JRZ芯片的BUFIN引脚、COM引脚和OFFSET引脚接地，CS引脚经过第十一电阻R8连接到电源正极Vcc。直流转换模块3的交流输入端31经过第二电容C20与AD637JRZ芯片的Vin引脚连接，所述第二电容C20用于隔离直流信号；AD637JRZ芯片的Cav引脚经过平均电容C6与直流转换模块3的直流输出端32连接，所述平均电容C6用于设置输出信号的平均时间常数；同时，AD637JRZ芯片DEN引脚和RMS引脚也连接到直流转换模块3的直流输出端32。交流电压信号从交流输入端31输入，经AD637JRZ芯片转换后从直流输出端32输出直流电压信号到数据采集模块5。

如图5所示，本发明实施例中的温度补偿模块4包括相互串联的分压电阻R19和铂热电阻RTD。分压电阻R19的一端连接3.3V的工作电压，另一端连接温度补偿模块4的温度信号输出端41；铂热电阻RTD的一端连接温度信号输出端41，另一端接地。铂热电阻RTD的阻值与被测液体温度的关系如下：

R_r＝R₀[1+α_R(T-T₀)]

其中，R_T是被测液体温度为T时铂热电阻RTD的阻值，R₀是被测液体温度为T₀时铂热电阻RTD的阻值，α_R为铂热电阻RTD的电阻温度系数。根据图5所示的电路和上述公式，铂热电阻RTD上的分压反映了铂热电阻RTD的阻值，即反映了被测液体的温度，铂热电阻RTD上的分压信号作为输出，从温度信号输出端41传至数据采集模块5。

如图6所示，本发明实施例中的数据采集模块5包括相互连接采集转换单元和数据收发单元。其中，采集转换单元由ADμC841芯片及其外围电路组成，数据收发单元由MAX3232芯片及其外围电路组成，ADμC841芯片的RXD引脚和TXD引脚分别和MAX3232芯片的R1OUT引脚和T1IN引脚连接。

ADμC841芯片是一款完全集成的单芯片12位数据采集系统，采用高速度的内核，在单芯片上提供精密模数和数模转换功能以及一个Flash微控制器，控制器与模数转换器、数模转换器集成，缩短了开发时间，提高了系统的稳定性。具体地，数据采集模块5的第一采集输入端51和第二采集输入端52分别连接到ADμC841芯片的P1.0引脚和P1.1引脚。3.3V的外接电源分别连接到ADμC841芯片的AVDD引脚、CREF引脚、DVDD1引脚、DVDD2引脚、EA引脚和DVDD3引脚，第一至第五旁路电容C14、C15、C16、C18、C19为外接电源的旁路电容；AGND引脚、DGND1引脚、DGND2引脚和DGND3引脚分别接地。所述CREF引脚还通过退耦电容C17进行退耦，为ADμC841芯片提供参考电源。11.0592MHz的晶振X1连接于XTAL1引脚和XTAL2引脚之间，为ADμC841芯片提供自身使用的最基本的时钟信号，同时，XTAL1引脚和XTAL2引脚还分别连接到第六旁路电容C7和第七旁路电容C8，然后接地。DAC0引脚连接到数据采集模块5的时钟信号输出端53，将ADμC841芯片处理过的时钟信号发送给电流模块1。

为实现与上位机PC的通信，本发明实施例选用MAX3232芯片作为RS-232数据收发器。具体地，MAX3232芯片的VCC引脚与3.3V的外接电源连接，GND引脚接地；C1+引脚和C1-引脚通过第三电容C9连接，C2+引脚和C2-引脚通过第四电容C10连接；V+引脚通过第五电容C11连接到3.3V的外接电源，V-引脚通过第六电容C12后接地，第五电容C11和第六电容C12之间还连接有第七电容C13。MAX3232芯片的R1IN引脚和T1OUT引脚连接到数据采集模块5的输出端总线54，将模数转换后的信号上传给上位机PC。

本发明提供的微机电系统电导率传感器的接口电路，为电导率传感器提供交流驱动电流，并使用均方根-直流转换电路将交流电压输出转换为直流电压输出，根据输入的交流电流和输出的直流电压计算电导率值。与现有技术相比，本发明提供的微机电系统电导率传感器的接口电路更加便于进行数据采集和处理；既不需要进行正弦拟合运算，又能全面真实反映电导率传感器输出电压的值，极大地降低了算法的复杂度，精简了接口电路的构成，在降低系统的复杂度的同时，大大提高了测量的准确度。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种微机电系统电导率传感器的接口电路，其特征在于，包括电流模块、信号调理模块、直流转换模块、温度补偿模块和数据采集模块；

电流模块与电导率传感器的输入端连接，用于为电导率传感器提供电流驱动信号；

信号调理模块与电导率传感器的输出端连接，用于对电导率传感器的输出信号进行滤波和放大处理；

直流转换模块与信号调理模块连接，用于以均方根值的转换方式，将信号调理模块处理后输出的交流电压信号转换为直流电压信号；

温度补偿模块与电导率传感器的被测液体连接，用于将被测液体的温度变化转化为对应变化的电信号；

数据采集模块与直流转换模块和温度补偿模块连接，用于收集直流转换模块和温度补偿模块输出的数据，并进行模数转换；

数据采集模块还与电流模块连接，用于向电流模块提供时钟信号。

2.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述电流模块包括相互连接的电流源芯片和开关芯片。

3.根据权利要求2所述的接口电路，其特征在于，所述电流源芯片为LT3092芯片，所述开关芯片为ADG884BRMZ芯片。

4.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述信号调理模块包括相互连接的低通滤波器和仪器放大器。

5.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述直流转换模块包括一均方根-直流转换电路。

6.根据权利要求5所述的接口电路，其特征在于，所述均方根-直流转换电路包括AD637JRZ芯片。

7.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述温度补偿模块包括依次串联的一分压电阻和一铂热电阻，所述铂热电阻还与温度补偿模块的输出端连接。

8.根据权利要求1所述的接口电路，其特征在于，所述数据采集模块包括相互连接的采集转换单元和数据收发单元。

9.根据权利要求8所述的接口电路，其特征在于，所述采集转换单元包括ADμC841芯片和连接于ADμC841芯片外部的外围电路。

10.根据权利要求8所述的接口电路，其特征在于，所述数据收发单元包括MAX3232芯片和连接于MAX3232芯片外部的外围电路。

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