发明内容
有鉴于此,本发明提供一种电路简化的电导率信号采集电路及具有该电导率信号采集电路的测试装置。
本发明一方面提供一种电导率信号采集电路,包括连接端,与所述连接端均电连接的自激电压源模块、第一电压信号转换模块及电流信号转换模块,所述连接端用以电连接至电导率传感器,所述自激电压源模块通过所述连接端为所述电导率传感器提供供电电压,所述第一电压信号转换模块通过所述连接端接收所述电导率传感器输入的第一电压信号,并转换成第一电导率采集信号,所述电流信号转换模块通过所述连接端接收所述电导率传感器输入的电流信号,并转换成第二电导率采集信号。
可选的,所述自激电压源模块为有源振荡电路,用以将一直流电压转换为交流电压,并通过所述连接端输入至所述电导率传感器。
可选的,所述连接端包括第一端子,所述自激电压源模块包括第一电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻及第一运算放大器,所述第一电容的第一端电连接至所述第一运算放大器的反向输入端及所述第四电阻的第一端,所述第一电容的第二端接地,所述第一电阻的第一端电连接至所述第一运算放大器的正向输入端及所述第三电阻的第一端,所述第一电阻的第二端接地,所述第三电阻的第二端通过所述第二电阻电连接至至所述第一运算放大器的输出端,所述第四电阻的第二端电连接至所述第二电阻与所述第三电阻之间,所述第一端子电连接至所述第二电阻与所述第三电阻的第二端之间,用以接收所述自激电压源模块输出的所述供电电压,并将所述供电电压输入至所述电导率传感器。
可选的,所述自激电压源模块还包括第一二极管及第二二极管,所述第一二极管的正极电连接至所述第二电阻与所述第三电阻之间,所述第一二极管的负极接地,所述第二二极管的正极接地,所述第二二极管的负极电连接至所述第一二极管的正极,所述第一端子电连接至所述第二二极管的负极与所述第一二极管的正极之间,以接收所述自激电压源模块输出的所述供电电压,并将所述供电电压输入至所述电导率传感器。
可选的,所述自激电压源模块还包括第五运算放大器,所述第五运算放大器的正向输入端电连接至所第二二极管的负极与所述第一二极管的正极之间,所述第五运算放大器的反向输入端电连接至所述第五运算放大器的输出端,所述第五运算放大器的输出端电连接至所述第一端子,以接收所述自激电压源模块输出的所述供电电压,并将所述供电电压输入至所述电导率传感器。
可选的,所述连接端包括第二端子,所述第一电压信号转换模块包括第二运算放大器、第三运算放大器、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第三二极管及第四二极管,所述第五电阻的第一端电连接至所述连接端的第二端子,用以接收所述电导率传感器输出的所述第一电压信号,所述第五电阻的第二端电连接至所述第二运算放大器的反向输入端,所述第二运算放大器的正向输入端接地,所述第六电阻的第一端电连接至所述第五电阻与所述第二运算放大器的反向输入端之间,第二端电连接至所述第三二极管的正极,所述第三二极管的负极电连接至所述第二运算放大器的输出端,所述第七电阻的第一端电连接至所述第三运算放大器的反向输入端与所述第五电阻的第二端之间,所述第七电阻的第二端电连接至所述第四二极管的负极与所述第三运算放大器的正向输入端之间,所述第四二极管的正极电连接至所述第三运算放大器的输出端及所述第三二极管的负极之间,所述第三运算放大器的反向输入端通过所述第九电阻电连接至所述第三运算放大器的输出端,所述第八电阻的第一端电连接至所述第六电阻与所述第三二极管的正极之间,所述第八电阻的第二端电连接至所述第九电阻与所述第三运算放大器的反向输入端之间,所述第三运算放大器的输出端输出所述第一电导率采集信号。
可选的,所述第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻及第九电阻的电阻阻值相等。
可选的,所述电流信号转换模块包括电流电压转换模块及第二电压信号转换模块,所述电流电压转换模块用以将所述电流信号转换为第二电压信号,所述第二电压信号转换模块用以将所述第二电压信号转换为所述第二电导率采集信号。
可选的,所述连接端包括第三端子及第四端子,所述第四端子接地,所述电流电压转换模块包括第四运算放大器及第十电阻,所述第四运算放大器的反向输入端通过所述第十电阻电连接至所述第四运算放大器的输出端,所述第三端子电连接至所述第四运算放大器的反向输入端与所述第十电阻之间,用以输出所述电流信号至所述电流电压转换模块,所述第四运算放大器的正向输入端接地,所述第二电压信号转换模块电连接至所述第四运算放大器的输出端与所述第十电阻之间,用以接收所述电流电压转换模块输出的所述第二电压信号,所述第二电压信号转换模块的结构与所述第一电压信号转换模块的结构相同。
可选的,所述测试装置包括电导率传感器、数据处理模块及如上所述的电导率信号采集电路,所述数据处理模块分别电连接至所述电导率信号采集电路的第一电压信号转换模块及所述电流信号转换模块,用以接收所述第一电导率采集信号及第二电导率采集信号,并进行相应的数据处理,从而获得电导率值。
本发明提供的电导率信号采集电路,通过设置自激电压源模块,以为四电极电导率传感器提供激励电源,通过设置第一电压信号转换模块对所述四电极电导率传感器输出的交流电压信号进行精密整流,并转换成稳定的第一峰值电压信号,通过设置电流信号转换模块将所述四电极电导率传感器输出的交流电流信号转换成稳定的第二峰值电压信号,如此,本发明提供的电导率信号采集电路结构简单,制造成本较低,可有效地准确地采集测量四电极电导率传感器输出的信号。
具体实施方式
需要说明的是,当一个元件被称为“电连接”另一个元件,它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“电连接”另一个元件,它可以是接触连接,例如,可以是导线连接的方式,也可以是非接触式连接,例如,可以是非接触式耦合的方式。
除非另有定义,本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是旨在于限制本发明。
请参阅图1,本发明的一种实施方式提供一种电导率信号采集电路100。所述电导率信号采集电路100包括连接端H1,与所述连接端H1均电连接的自激电压源模块10、第一电压信号转换模块20及电流信号转换模块30。所述连接端H1用以电连接至电导率传感器200。所述自激电压源模块10通过所述连接端H1为所述电导率传感器200提供供电电压。所述第一电压信号转换模块20通过所述连接端H1接收所述电导率传感器200输入的第一电压信号,并转换成第一电导率采集信号。所述电流信号转换模块30通过所述连接端H1接收所述电导率传感器200输入的电流信号,并转换成第二电导率采集信号。
请一并参阅图2,在本实施例中,所述电导率传感器200为四电极电导率传感器。所述电导率传感器200包括第一输入电极、第二输入电极、第一输出电极及第二输出电极(图未示)。
所述连接端H1包括第一端子a、第二端子b、第三端子c及第四端子d。所述第一端子a及第四端子d的一端分别电连接至所述电导率传感器200的第一输入电极及第二输入电极,所述第二端子b及所述第三端子c的一端分别电连接至所述电导率传感器200的第一输出电极及第二输出电极。所述第四端子d的另一端接地。
可以理解,所述自激电压源模块10为有源振荡电路,用以输出频率与幅值恒定的方波。所述自激电压源模块10电连接至所述第一端子a,用以将一直流电压转换为交流电压,并通过所述连接端H1的第一端子a将所述交流电压传输至所述电导率传感器200。
在本实施例中,所述自激电压源模块10包括第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4及第一运算放大器U1。其中,所述第一电容C1的第一端电连接至所述第一运算放大器U1的反向输入端及所述第四电阻R4的第一端,所述第一电容C1的第二端接地。所述第一电阻R1的第一端电连接至所述第一运算放大器U1的正向输入端及所述第三电阻R3的第一端,所述第一电阻R1的第二端接地。所述第三电阻R3的第二端通过所述第二电阻R2电连接至至所述第一运算放大器U1的输出端,所述第四电阻R4的第二端电连接至所述第二电阻R2与所述第三电阻R3之间。所述第一端子a电连接至所述第四电阻R4的第二端与所述第二电阻R2之间,用以接收所述自激电压源模块10输出的所述供电电压,并将所述供电电压输入至所述电导率传感器。
可以理解,当所述第一运算放大器U1接入直流电源时,所述第一运算放大器U1的输出端通过所述第二电阻R2输出所述供电电压,并通过所述第一端子a输入至所述电导率传感器200。
可以理解,所述自激电压源模块10的工作原理如下:
当所述第一运算放大器U1接入直流电源时,则所述自激电压源模块10通电。所述自激电压源模块10通电的瞬间,所述第一电容C1两端的电压U
C的初始值为0,所述第一运算放大器U1的反向输入端的电压U
-亦为0。假设所述自激电压源模块10通电的瞬间,所述第一运算放大器U1的输出端的电压U
o1为+U
dz,则根据电路关系,此时,所述第一运算放大器U1的正向输入端的电压U
+为
所述自激电压源模块10通电后,所述第一电容C1开始充电。当所述第一电容C1两端的电压U
C超过所述第一运算放大器U1的正向输入端的电压U
+时,则所述第一运算放大器U1的正向输入端的电压U
+为
所述第一运算放大器U1的输出端的电压U
o1为-U
dz。此时,所述第一电容C1开始放电,当所述第一电容C1上的电压低于所述第一运算放大器U1的反向输入端的电压U
-时,所述第一运算放大器U1的正向输入端的电压U
+为
则所述第一运算放大器U1的正向输入端的电压U
+为+U
dz。所述自激电压源模块10按照上述规律循环,达到自激振荡,以输出频率为
的方波电压。
可以理解,通过调整所述第一电容C1的电容值、所述第一电阻R1、所述第二电阻R2、第三电阻R3、及第四电阻R4的电阻值,可调整所述自激电压源模块10的频率。
在其中一实施例中,当所述第一至第三电阻R1、R2及R3的电阻为10kΩ(千欧姆),所述第四电阻R4的电阻为1.8kΩ(千欧姆),所述第一电容C1的的电容值为100nf(纳法)时,所述自激电压源模块10可输出一频率为1kHz(千赫兹)的交流方波。
在其中一实施例中,所述自激电压源模块10还包括第一二极管D1及第二二极管D2。所述第一二极管D1的正极电连接至所述第二电阻R2与所述第三电阻R3之间,所述第一二极管D1的负极接地。所述第二二极管D2的正极接地,所述第二二极管D2的负极电连接至所述第一二极管D1的正极。所述第一端子a电连接至所述第二二极管D2的负极与所述第一二极管D1的正极之间,以接收所述自激电压源模块10输出的所述供电电压,并将所述供电电压输入至所述电导率传感器。
可以理解,所述第一二极管D1及所述第二二极管D2共同形成双向二极管电路,用以将所述自激电压源模块10的输出电压限制为预设值,例如0.7V,从而通过所述第一端子a输入至所述电导率传感器200,以作为所述电导率传感器200的激励电压。
在其中一实施例中,所述自激电压源模块10还包括第五运算放大器U5。所述第五运算放大器U5的正向输入端电连接至所第二二极管D2的负极与所述第一二极管D1的正极之间。所述第五运算放大器U5的反向输入端电连接至所述第五运算放大器U5的输出端。所述第五运算放大器U5的输出端电连接至所述第一端子a,以接收所述自激电压源模块输出的所述供电电压,并将所述供电电压输入至所述电导率传感器。
可以理解,所述第五运算放大器U5构成电压跟随器,可提高输入阻抗,降低输出阻抗,从而减少所述自激电压源模块10通过所述第一端子a输入所述供电电压至所述电导率传感器200时的电压损失。
可以理解,所述电导率传感器200接收所述自激电压源模块10输入的激励电压后,可通过所述第二端子b输出相应的所述第一电压信号,及通过所述第三端子c输出一相应的所述电流信号。
所述第一电压信号转换模块20电连接至所述第二端子b,用以接收所述电导率传感器200输出的所述第一电压信号,并对其进行整流处理及滤波处理,以将所述第一电压信号转换成所述第一电导率采集信号。
在本实施例中,所述第一电压信号转换模块20包括第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第三二极管D3及第四二极管D4。
其中,所述第五电阻R5的第一端电连接至所述连接端H1的第二端子b,用以接收所述电导率传感器200输出的所述第一电压信号。所述第五电阻R5的第二端电连接至所述第二运算放大器U2的反向输入端。所述第二运算放大器U2的正向输入端接地。所述第六电阻R6的第一端电连接至所述第五电阻R5与所述第二运算放大器U2的反向输入端之间,第二端电连接至所述第三二极管D3的正极。所述第三二极管D3的负极电连接至所述第二运算放大器U2的输出端。所述第七电阻R7的第一端电连接至所述第三运算放大器U3的反向输入端与所述第五电阻R5的第二端之间,所述第七电阻R7的第二端电连接至所述第四二极管D4的负极与所述第三运算放大器U3的正向输入端之间。所述第四二极管D4的正极电连接至所述第三运算放大器U3的输出端及所述第三二极管D3的负极之间。所述第三运算放大器U3的反向输入端通过所述第九电阻R9电连接至所述第三运算放大器U3的输出端。所述第八电阻R8的第一端电连接至所述第六电阻R6与所述第三二极管D3的正极之间,所述第八电阻R8的第二端电连接至所述第九电阻R9与所述第三运算放大器U3的反向输入端之间。所述第三运算放大器U3的输出端输出所述第一电导率采集信号。
其中,所述第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8及第九电阻R9的电阻阻值相等。
如此,当所述电导率传感器200通过所述第二端子b输出的第一电压信号U
i>0时,所述第三二极管D3导通,所述第四二极管D4截止。可以理解,由于所述第三二极管D3的压降为0.7伏特(V),所述第二运算放大器U2与所述第六电阻R6构成反向放大电路,所述第二运算放大器U2的正向输入端及反向输入端虚短,故所述第二运算放大器U2的输出端的电压U
o1=U
i-0.7,所述第三运算放大器U3的反向输入端的电压为U
i-0.7-0.7。所述第三运算放大器U3与所述第九电阻R9亦构成反向放大电路,故所述第三运算放大器U3的正向输入端的电压亦为U
i-0.7-0.7。另外,所述第三运算放大器U3的输入阻抗较大,且第八电阻R8的电阻值与第九电阻R9的电阻值相等,故流经所述第八电阻R8的电流与流经所述第九电阻R9的电流相等,即
故所述第三运算放大器U3的输出端的电压U
o2=U
i。
当所述电导率传感器200通过所述第二端子b输出的第一电压信号U
i<0时,所述第三二极管D3截止,所述第四二极管D4导通。可以理解,由于所述第四二极管D4的压降为0.7伏特(V),所述第二运算放大器U2与所述第五电阻R5及所述第七电阻R7构成反向放大电路,所述第二运算放大器U2的正向输入端与反向输入端虚短,故流经所述第五电阻R5的电流的大小,等于流经所述第七电阻R7及流经所述第六电阻R6与第八电阻R8的电流的和的大小相等,方向相反,即
所述第三运算放大器U3与所述第九电阻R9亦构成反向放大电路,所述第三运算放大器U3的正向输入端与反向输入端虚短,且由于所述第三运算放大器U3的正向输入端的阻抗较大,电流几乎不流入所述第三运算放大器U3的正向输入端,即等同于所述第六电阻R6、所述第八电阻R8及所述第九电阻R9串联连接,故流经所述第六电阻R6与第八电阻R8的电流的大小与流经所述第九电阻R9的电流的大小相等,即
故可求得U
o2=-U
i。
综上,在Ui>0时,U2=Ui,在Ui<0时,Uo2=-Ui,故所述第一电压信号转换模块20可达到精密整流的效果。
所述第一电压信号转换模块20还包括第二电容C2。所述第二电容C2的一端电连接至所述第三运算放大器U3的输出端与所述第九电阻R9之间,另一端接地。如此,可利用所述第二电容C2对所述第一电压信号转换模块20输出的所述第一电导率采集信号进行滤波。可以理解,所述第一电导率采集信号为直流电压信号。所述第一电导率采集信号的电压值大致等同于所述电导率传感器200通过所述第二端子b输出的第一电压信号的峰值。
可以理解,在本实施例中,所述第二运算放大器U2、第三运算放大器U3、第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第三二极管D3及第四二极管D4构成有源整流电路,所述第二电容C2与所述第九电阻R9构成RC滤波电路。即所述第一电压信号转换模块20采用有源整流电路结合RC滤波电路的设计,用以消除所述第三二极管D3及所述第四二极管D4产生的压降,进而降低整流过程对电导率信号采集与测量产生的影响。
所述电流信号转换模块30电连接至所述第三端子c,用以接收所述电导率传感器200输出的电流信号,并将所述电流信号转换成相应的第二电导率采集信号。可以理解,所述电导率传感器200输出的所述电流信号为交流电流信号。
在本实施例中,所述电流信号转换模块30包括电流电压转换模块31及第二电压信号转换模块32。所述电流电压转换模块31用以将接收到的所述交流电流信号转换为第二电压信号。所述第二电压信号转换模块32用以将所述第二电压信号转换为所述第二电导率采集信号。
在本实施例中,所述电流电压转换模块31包括第四运算放大器U4及第十电阻R10。其中,所述电流电压转换模块31包括第四运算放大器U4及第十电阻R10。所述第四运算放大器U4的反向输入端通过所述第十电阻R10电连接至所述第四运算放大器U4的输出端,所述第三端子c电连接至所述第四运算放大器U4的反向输入端与所述第十电阻R10之间,用以输出所述电流信号至所述电流电压转换模块31。所述第四运算放大器U4的正向输入端接地,所述第二电压信号转换模块32电连接至所述第四运算放大器U4的输出端与所述第十电阻R10之间,用以接收所述电流电压转换模块31输出的所述第二电压信号。
可以理解,所述第四运算放大器U4的正向输入端及反向输入端虚短,且均为0V。故所述第四运算放大器U4的输出端的电压为所述电导率传感器200与所述第十电阻R10的乘积。如此,可将所述四电极电导率传感器200通过所述第三端子c输出的交流电流信号转换为所述第二电压信号。
在本实施例中,所述第二电压信号转换模块32的电路结构与所述第一电压信号转换模块20的电路结构相同或类似,在此不再赘述。如此,所述第二电压信号经由所述第二电压信号转换模块32转换为第二电导率采集信号。可以理解,所述第二电导率采集信号为直流电压信号。
可以理解,在其中一个实施例中,所述第一至第五运算放大器U1、U2、U3、U4及U5连接至一±5V的直流电压源。另外,所述第一至第五运算放大器U1、U2、U3、U4及U5可为型号为TL064的芯片。
可以理解,通过对所述第一电导率采集信号及所述第二电导率采集信号进行相应的数据处理,可获得一电导率测量数据。
例如,请再次参阅图1,本发明还提供一种测试装置300。所述测试装置300包括所述电导率信号采集电路100及所述电导率传感器200。所述电导率信号采集电路100与所述电导率传感器200电连接,从而根据上述原理产生相应的所述第一电导率采集信号及第二电导率采集信号。所述测试装置300还包括数据处理模块301,所述数据处理模块301分别电连接至所述电导率信号采集电路100的第一电压信号转换模块20及所述电流信号转换模块30,用以接收所述第一电导率采集信号及第二电导率采集信号,并相应的数据处理,从而获得电导率值。
可以理解,本发明提供的电导率信号采集电路100,通过设置自激电压源模块10,以为四电极电导率传感器200提供激励电源,通过设置第一电压信号转换模块20对所述四电极电导率传感器200输出的交流电压信号进行精密整流,并转换成稳定的第一峰值电压信号,通过设置电流信号转换模块30将所述四电极电导率传感器200输出的交流电流信号转换成稳定的第二峰值电压信号,如此,本发明提供的电导率信号采集电路100结构简单,制造成本较低,可有效地准确地采集测量四电极电导率传感器输出的信号。
最后应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换,而不脱离本发明技术方案的精神和范围。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都将属于本发明保护的范围。