CN113484367A - 一种提高多通道水质传感器测量精度的电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高多通道水质传感器测量精度的电路，包括：依次电连接波形发生模块和发射通道模块，所述发射通道模块包括至少两个发射通道，所述至少两个通道包括至少两个驱动电路、两个激励源和至少一个移相器。本发明通过移相器移相，使得多个激励发射通道分别交替工作，从而分别交替驱动激励源，减小了多个激励发射通道之间的干扰，有利于提高水质测量精度；并且因为减小了通道之间的电磁干扰，因此可以减小电源文波干扰，进而减小对电源的冲击。

Description

一种提高多通道水质传感器测量精度的电路和方法

技术领域

本发明涉及传感器和测控领域，具体涉及一种提高多通道水质传感器测量精度的电路和方法。

背景技术

对于在线式水质检测，目前常用原理分为电极法和光学法两类。这两类方法的传感头获取的信号较为微弱，采用直流驱动通常无法将环境和电路固有噪声去除，因此一般均采用一定频率的脉冲信号驱动激励源。在多通道水质传感器应用中，由于通道间激励源、传输介质之间的相互耦合及干扰，从而引起测量结果的恶化。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种本发明提供了一种提高多通道水质传感器测量精度的电路和方法。

为实现所述技术目的，本发明的技术方案是：一种提高多通道水质传感器测量精度的电路，包括：依次电连接波形发生模块和发射通道模块，所述发射通道模块包括至少两个发射通道，所述至少两个通道包括至少两个驱动电路、两个激励源和至少一个移相器。

进一步的，所述发射通道模块为两个发射通道，所述波形发生模块的输出分别并联连接第一发射通道和第二发射通道；所述第一发射通道包括依次连接的第一驱动电路和第一激励源；所述第二发射通道包括依次连接的第一移相器、第二驱动电路和第二激励源；

进一步的，所述提高多通道水质传感器测量精度的电路还包括第三发射通道，该第三发射通道与所述第一发射通道和第二发射通道并联接入所述波形发生模块的输出端；所述第三发射通道包括依次连接的第二移相器、第三驱动电路和第三激励源；

其中，所述第一和第二移相器由电阻R、电阻R1、电阻R2、电容C以及运算放大器U1A组成。其中，电阻R的一端连接信号输入Uin，另一端连接运算放大器U1A的正相输入端；电阻R1的一端连接信号输入Uin，另一端连接运算放大器U1A的反相输入端；电阻R2的两端分别连接运算放大器U1A的反相输入端和运算放大器U1A的输出端；电容C的一端连接运算放大器的正相输入端，另一端接地。

其中，第一、第二和第三驱动电路为电流型驱动电路，其由放大器U1、电阻R11、电阻R12以及双极型晶体管Q1组成，放大器的正相输入端连接移相器的输出端，放大器的反相输入端连接双极型晶体管Q1的发射极；电阻R11的一端连接放大器U1的输出端，另一端连接双极型晶体管Q1的基极，电阻R12的一端连接双极型晶体管Q1的发射极，另一端接地；激励源发光二极管D1负极连接双极型晶体管Q1的集电极，D1的正极连接电源。

其中，所述激励源为发光二极管；

进一步地，所述第一和第二移相器的电阻R为可调电阻，其调节范围为0-40kΩ；其中第二移相器的电阻R为20kΩ，第三移相器的电阻R为40kΩ。

进一步地，所述第一和第二移相器的电阻R1和电阻R2为10KΩ；电容C为10nF。

本发明还提出了一种提高多通道水质传感器测量精度的方法，该方法包括如下步骤：

S1：根据所述多通道水质传感器的通道数量，确定所述波形发生模块脉冲信号占空比，该占空比的公式为：占空比＝1/通道数量；

S2：根据所述通道数量，确定所述移相电路的参数，使驱动电路分别工作在不同的时间段，从而在不同时间段驱动激励源进行水质测量。

附图说明

图1为本发明提出的提高多通道水质传感器测量精度的电路的框图；

图2为本发明提出的提高多通道水质传感器测量精度的电路采用两通道的结构框图；

图3是本发明提出的提高多通道水质传感器测量精度的电路采用三通道的结构框图；

图4是本发明提出的移相电路原理图。

图5是本发明提出的移相电路的详细参数示意图。

图6是本发明提出的移相电路波形图。

图7是本发明提出的驱动电路和激励源电路示意图。

图8是本发明提出的驱动电路输出波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明所公开的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开所保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明的描述中，所用术语仅用于说明目的，并非旨在限制本公开的范围。术语“包括”和/或“包含”用于指定元件、步骤、操作和/或组件的存在，但并不排除存在或添加一个或多个其他元件、步骤、操作和/或组件的情况。术语“第一”、“第二”等可能用于描述各种元件，不代表顺序，且不对这些元件起限定作用。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个及两个以上。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。结合以下附图，这些和/或其他方面变得显而易见，并且，本领域普通技术人员更容易理解关于本发明实施例的说明。附图仅出于说明的目的用来描绘本公开实施例。本领域技术人员将很容易地从以下说明中认识到，在不背离本公开原理的情况下，可以采用本发明所示结构和方法的替代实施例。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

一种提高多通道水质传感器测量精度的电路，包括：依次电连接波形发生模块1和发射通道模块2，所述发射通道模块2包括至少两个发射通道，所述至少两个通道包括至少两个驱动电路、两个激励源和至少一个移相器。

第一实施例

作为本发明的第一实施例，如图1和2所示，波形发生模块1分别电连接第一发射通道和第二发射通道，也就是说，第一发射通道与第二发射通道并联连接波形发生模块1；第一发射通道包括第一驱动电路和第一激励源，第二发射通道包括第一移相器、第二驱动电路和第二激励源。

第二实施例

作为本发明的第二实施例，如图1和3所示，波形发生模块1分别电连接第一发射通道、第二发射通道和第三发射通道，也就是说，第一发射通道、第二发射通道以及第三发射通道并联连接波形发生模块1；第一发射通道包括第一驱动电路和第一激励源，第二发射通道包括第一移相器、第二驱动电路和第二激励源，第三发射通道包括第二移相器、第三驱动电路和第三激励源；

下面以第二实施例的方案对本发明进行详细说明。

在说明第二实施例的实施方案前，先对本发明采用的移相器、驱动电路以及激励源进行详细说明。

本发明采用的移相器如图4-5所示。所述移相器由电阻R、电阻R1、电阻R2、电容C以及运算放大器U1A组成。其中，电阻R的一端连接信号输入Uin，另一端连接运算放大器U1A的正相输入端；电阻R1的一端连接信号输入Uin，另一端连接运算放大器U1A的反相输入端；电阻R2的两端分别连接运算放大器U1A的反相输入端和运算放大器U1A的输出端；电容C的一端连接运算放大器的正相输入端，另一端接地。

图5给出了移相器的典型参数，电阻R为可调电阻，其电阻调节范围为0-40kΩ，电阻R1和电阻R2为10KΩ；电容C为10nF；当移相器的可调电阻R为20kΩ时，其移相90°；当移相器的可调电阻R为40kΩ时，其移相180°。图6给出了当可调电阻R为20kΩ时，输入信号Ui经过90°移相后得到的输出信号Uo；对于当可调电阻R调整为40kΩ时，与前述类似，输出信号Uo的相位将与输入信号Ui的相位之间的相位差为180°；在此还需要特别说明的是，可以调节可调电阻R的阻值，从而实现输入信号Ui与输出信号Uo相位差的连续调节，即相位差可以在0-180°之间连续调节，典型值例如45°、90°、135°、180°。

本发明采用的驱动电路和激励源如图7所示，其中本发明采用光源形式的激励源，即采用发光二极管(LED)D1为激励源；本发明的驱动电路为电流型驱动电路，其由放大器U1、电阻R11、电阻R12以及双极型晶体管Q1组成，放大器的正相输入端连接移相器的输出端，放大器的反相输入端连接双极型晶体管Q1的发射极；电阻R11的一端连接放大器U1的输出端，另一端连接双极型晶体管Q1的基极，电阻R12的一端连接双极型晶体管Q1的发射极，另一端接地；激励源发光二极管D1负极连接双极型晶体管Q1的集电极，D1的正极连接电源。

图8示出了波形发生模块1产生的信号经过移相器和驱动电路后的波形。结合图2和图8，在T1至T2的时刻内，波形发生模块输出的波形信号分别输入第一驱动电路、第一移相器和第二移相器。由于第一驱动电路与波形发生模块之间直接连接，波形发生模块输出的波形信号高电平直接驱动第一驱动电路工作，第一驱动电路在T1至T2的时间内输出高电平，从而驱动第一激励源进入工作状态，进而进行水质测量，而由于第二驱动电路以及第三驱动电路与波形发生模块之间分别设置了第一移相器和第二移相器，因此波形发生模块输出的波形信号分别被移相，从而分别使得第二驱动电路和第三驱动电路输出低电平，因此第二激励源和第三激励源均截止而不工作；在T2至T3的时刻内，波形发生模块输出低电平，第一驱动电路因此也输出低电平，而波形发生模块输出的波形信号通过第一移相器移相，从而驱动第二驱动电路工作，并使得第二驱动电路输出高电平，该第二驱动电路输出的高电平驱动第二激励源进入工作状态，进而进行水质测量，与此同时，波形发生模块输出的波形信号经过第二移相器移相输出低电平，因此第三驱动电路也处于截止状态。也就是说，在T2-T3的时刻内，第一和第三驱动电路均输出低电平，而第二驱动电路输出高电平，从而仅有第二激励源被驱动而进入工作状态以实现水质测量；在T3至另一个T1的时刻内，波形发生模块输出的波形信号为低电平，使得第一驱动电路输出低电平，因此第一激励源处于截止状态；与此同时，波形发生模块输出的波形信号经过第一移相器移相，并经过第二驱动电路后同样输出低电平，因此第二激励源也处在截止状态，而波形发生模块输出的波形信号经过第二移相器移相后输出高电平，使得第三驱动电路工作并同样输出高电平，从而驱动第三激励源进入工作状态，进而进行水质测量。如此，通过第一移相器、第二移相器在不同的时刻进行移相，从而分别使得第一驱动电路、第二驱动电路以及第三驱动电路分别在不同的时间段内输出高电平，进而在不同时间段驱动激励源进入工作状态，以便进行水质测量。

因此，本发明通过移相器移相，将三个激励发射通道分别交替工作，从而分别交替驱动激励源，减小了三个激励发射通道之间的干扰，有利于提高水质测量精度；并且因为减小了通道之间的电磁干扰，因此可以减小电源文波干扰，进而减小对电源的冲击。

下面进一步说明本发明提高多通道水质传感器测量精度的方法：

该方法包括如下步骤：

S1：根据所述多通道水质传感器的通道数量，确定所述波形发生模块脉冲信号占空比，该占空比的公式为：占空比＝1/通道数量；

S2：根据所述通道数量，确定所述移相电路的参数，使驱动电路分别工作在不同的时间段，从而在不同时间段驱动激励源进行水质测量。

综上对本发明技术方案的详细描述，本发明由于在三个通道中的两个通道分别设置第一移相器和第二移相器，通过移相实现三个通道的驱动电路中的一个单独输出高电平，使得第一激励源、第二激励源和第三激励源分别单独进入工作状态，因此三个通道的任两个通道均不可能同时进入工作状态，或者三个通道也均不可能出现同时进入工作状态，能进入工作状态的仅为一个通道，因此也就避免了各个通道之间相互耦合干扰的现象出现，从而避免了引起测量结果恶化。经过实际的测量，相对于现有技术而言，本发明技术方案能够实现测量精度的提升，提升幅度可达到20％-30％。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员可以无需创造性劳动或者通过软件编程就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种提高多通道水质传感器测量精度的电路，包括：依次电连接波形发生模块和发射通道模块，所述发射通道模块包括至少两个发射通道，所述至少两个通道包括至少两个驱动电路、两个激励源和至少一个移相器。

2.根据权利要求1所述的提高多通道水质传感器测量精度的电路，其中，所述发射通道模块为两个发射通道，所述波形发生模块的输出分别并联连接第一发射通道和第二发射通道；所述第一发射通道包括依次连接的第一驱动电路和第一激励源；所述第二发射通道包括依次连接的第一移相器、第二驱动电路和第二激励源。

3.根据权利要求2所述的提高多通道水质传感器测量精度的电路，其中，所述提高多通道水质传感器测量精度的电路还包括第三发射通道，该第三发射通道与所述第一发射通道和第二发射通道并联接入所述波形发生模块的输出端；所述第三发射通道包括依次连接的第二移相器、第三驱动电路和第三激励源。

4.根据权利要求3所述的提高多通道水质传感器测量精度的电路，其中，

所述第一和第二移相器由电阻R、电阻R1、电阻R2、电容C以及运算放大器U1A组成；其中，电阻R的一端连接信号输入Uin，另一端连接运算放大器U1A的正相输入端；电阻R1的一端连接信号输入Uin，另一端连接运算放大器U1A的反相输入端；电阻R2的两端分别连接运算放大器U1A的反相输入端和运算放大器U1A的输出端；电容C的一端连接运算放大器的正相输入端，另一端接地。

5.根据权利要求4所述的提高多通道水质传感器测量精度的电路，其中，第一、第二和第三驱动电路为电流型驱动电路，其由放大器U1、电阻R11、电阻R12以及双极型晶体管Q1组成，放大器的正相输入端连接移相器的输出端，放大器的反相输入端连接双极型晶体管Q1的发射极；电阻R11的一端连接放大器U1的输出端，另一端连接双极型晶体管Q1的基极，电阻R12的一端连接双极型晶体管Q1的发射极，另一端接地；激励源发光二极管D1负极连接双极型晶体管Q1的集电极，D1的正极连接电源。

6.根据权利要求5所述的提高多通道水质传感器测量精度的电路，其中，所述激励源为发光二极管。

7.根据权利要求6所述的提高多通道水质传感器测量精度的电路，其中，所述第一和第二移相器的电阻R为可调电阻，其调节范围为0-40kΩ；其中第二移相器的电阻R为20kΩ，第三移相器的电阻R为40kΩ；所述第一和第二移相器的电阻R1和电阻R2为10KΩ；电容C为10nF。

8.一种提高多通道水质传感器测量精度的方法，包括如权利要求1所述的提高多通道水质传感器测量精度的电路，所述方法包括以下步骤：

S1：根据所述多通道水质传感器的通道数量，确定所述波形发生模块脉冲信号占空比，该占空比的公式为：占空比＝1/通道数量；

S2：根据所述通道数量，确定所述移相电路的参数，使驱动电路分别工作在不同的时间段，从而在不同时间段驱动激励源进行水质测量。

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