CN203299280U - 一种电场测量电极的接收阻抗测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电场测量电极的接收阻抗测量系统，包括并行设置的两路放大处理支路，分别依次与所述两路放大处理支路连接的触发器、单片机和显示单元，以及分别与所述两路放大处理支路和单片机连接的求和处理电路。本实用新型所述电场测量电极的接收阻抗测量系统，可以克服现有技术中无法测量没有水下电场测量电极接收阻抗等缺陷，以实现可靠性高、结构简单和使用方便的优点。

Description

一种电场测量电极的接收阻抗测量系统

技术领域

本实用新型涉及水下电场测量技术领域，具体地，涉及一种电场测量电极的接收阻抗测量系统。

背景技术

船舶处于海洋环境中容易发生腐蚀，因此常采用外加电流阴极保护和牺牲阳极的方法来减缓船舶的腐蚀。阴极保护下，腐蚀保护电流从阴极保护系统中的阳极流向船舶的壳体和螺旋桨，从而不可避免地会产生较强的静电场。此外，由于螺旋桨的旋转而使电流回路的电阻发生周期性变化，从而使流经海水的电流受到调制形成低频舰船轴频电场，此信号能够在海水中传播到很远的距离。因此，对水下电场的测量及抵消方法的研究迫在眉睫。而第一手的水下电场数据必须通过水下电场传感器测量获得。

海洋环境决定了电场信号必须经过液相介质到固相介质的传递过程，每种电场测量电极都有其固有的特性，其所表现出的电化学特性决定着电极阻抗的大小。因此探寻海洋环境低频电场敏感电极，可为开发高灵敏度的海洋低频电场传感器提供材料储备。而电极在探测海洋低频电场时会受到直流信号及较低频带交流信号的扰动，并产生相应的直流电阻和交流阻抗。并且由于水下环境对电场信号存在衰减作用，到达传感器的电场信号非常微弱，电极的接收阻抗将直接影响到水下电场数据测量的效果。

所以，研究电极阻抗测量技术对于水下目标的监测、电场隐身技术的发展等具有极其重要的意义。

在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术中无法测量没有水下电场测量电极接收阻抗等缺陷。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于，针对上述问题，提出一种电场测量电极的接收阻抗测量系统，以实现可靠性高、结构简单和使用方便的优点。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种电场测量电极的接收阻抗测量系统，包括并行设置的两路放大处理支路，分别依次与所述两路放大处理支路连接的触发器、单片机和显示单元，以及分别与所述两路放大处理支路和单片机连接的求和处理电路。

进一步地，每路放大处理支路，包括放大器，以及并行设置、且分别与所述放大器连接的电压跟随及有效值检测支路和电压跟随及过零检测支路；所述电压跟随及有效值检测支路连接至单片机，所述电压跟随及过零检测支路连接至触发器。

进一步地，所述电压跟随及有效值检测支路，包括依次连接在所述放大器与单片机之间的电压跟随器和有效值检测电路。

进一步地，所述电压跟随及过零检测支路，包括依次连接在所述放大器与触发器之间的电压跟随器和过零检测电路。

进一步地，所述过零检测电路，主要包括LM339集成块。

进一步地，所述求和处理电路，包括依次连接在每个放大处理支路中电压跟随器和过零检测电路的公共端与单片机之间的加法器、电压跟随器、有效值检测电路和A/D转换电路。

进一步地，所述电压跟随器，主要包括运算放大器AD827。

进一步地，所述有效值检测电路，主要包括有效值测量电路采用集成芯片AD637。

进一步地，所述放大器，主要包括宽带电流反馈视频运算放大器AD811。

进一步地，所述单片机，主要包括单片微处理器SPCE061A；和/或，所述显示单元，主要包括LCD显示器TLC2543。

本实用新型各实施例的电场测量电极的接收阻抗测量系统，由于包括并行设置的两路放大处理支路，分别依次与两路放大处理支路连接的触发器、单片机和显示单元，以及分别与两路放大处理支路和单片机连接的求和处理电路；可以对目标电场数据的前期准备以及后期对测量数据的处理都具有重要的参考价值；从而可以克服现有技术中无法测量没有水下电场测量电极接收阻抗的缺陷，以实现可靠性高、结构简单和使用方便的优点。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例一起用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1为开路电压交流测试电路的电气原理示意图；

图2为短路电流交流测试电路的电气原理示意图；

图3为电场测量电极的接收阻抗测量系统的工作原理示意图；

图4为宽带放大器的工作原理示意图；

图5为电压跟随电路的电气原理示意图；

图6为真有效值连接电路的电气原理示意图；

图7a和图7b为过零检测电路的电气原理示意图；

图8为电场测量电极的接收阻抗测量系统的工作流程示意图；

图9为电场测量电极的接收阻抗测量系统的电气原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

根据本实用新型实施例，通过对Ag/AgCl电极在水下的电化学反应机理的简要分析，如图1-图9所示，提供了一种电场测量电极的接收阻抗测量系统，可以对目标电场数据的前期准备以及后期对测量数据的处理都具有重要的参考价值。

交流阻抗技术是电化学暂态技术的一种。常用方法是正弦波交流阻抗技术。控制电极电流（或电极电势）使按正弦波规律随时间小幅度变化，同时测量作为其响应的电极电势（或电流）随时间的变化规律。这一响应经常以直接测得的电极系统的交流阻抗Z或导纳Y来代替。电极阻抗一般用复数表示，即Z＝Z′-jZ ″（或Y＝Y′-jY″），虚部常是电容性的，因此Z ″前用负号。测量电极阻抗的方法总是围绕解决测量实部和虚部这两个成分或模和相位角。

参见图1和图2所示的接收阻抗的交流测试电路。这个交流测试电路主要测量由外部源产生的电场经过电极时形成的开路电压和短路电流。电极A和B为标准的Ag-Agcl电极对，用来在水池中产生水平电场，间隔为150cm，电化学工作站监控输出电压。用来接收电场信号的电极为C和D，间隔为50cm，置于产生电场信号的电极对中间。调整信号发生器的输出给接收电极提供可测量的信号强度，改变不同的频率值，可以得到不同频率输出下得到的开路电压值，同时开路电压与输入电压信号存在一个相位差。测量短路电流电路图如图所示。经过1欧姆电阻的电压值等于回路中的电流值。依照开路电压改变的几个频率调整信号发生器的输出给接收电极提供可测量的信号强度。经过1欧姆电阻上的电流就是短路电流的一个很好近似，当电极的电阻大于10欧姆，实验结果会非常符合。

最后可得到接收阻抗等于：

；

为接收电极的开路电压，

为输出信号电压，为开路电压与输出电压的相位差，

为短路电流与输出电压的相位差。因此求解电极接收阻抗的关键技术就是求解

、

、

、

四个参数值。

关于本实施例电场测量电极的接收阻抗测量系统的实施方法，具体说明如下。 

通过模拟加法器将输出正弦信号U1与电极接收到的的正弦信号U2进行叠加，合成一路新的正弦波U3，采用高精度真有效值转换芯片AD637分别检测接收信号的有效值与叠加后合成信号的有效值，结合U1、U2的有效值，通过波形的叠加原理，叠加后的波形的有效值与叠加前的两列波的有效值存在如下关系：

；

根据如上关系，可以通过一模拟开关将U2，U3两列波分别送真有效值检测器检测，后经AD输入单片机进行处理，通过软件上的优良设计能够达到较高的精度，得到两列输入波的相位差，进而推算出电极接收阻抗的数值，但是此时不能判断两列波的先后，即不能判断阻抗角的正负，不过可以通过过零检测电路搭配一个D触发器来判断两列波的先后顺序，此方案其外围电路非常简单，仅需一个加法器和一个过零检测电路就可以求出相位角，此方案方法新颖，特点明显，实现成本低廉。

参见图3，本实施例的电场测量电极的接收阻抗测量系统，包括并行设置的第一放大器U1和第二放大器U2，分别与第一放大器U1连接的第一电压跟随器和第二电压跟随器，依次与第一电压跟随器连接的第一有效值检测电路、单片机和LCD显示器，依次连接在第二电压跟随器与单片机之间的第一过零检测电路和触发器；分别与第二放大器U2连接的第三电压跟随器和第四电压跟随器，依次连接在第三电压跟随器与单片机之间的第二有效值检测电路，依次连接在第四电压跟随器和触发器之间的第二过零检测电路；以及，分别依次连接在第三电压跟随器和第一过零检测电路的公共端与单片机之间、以及第四电压跟随器和第二过零检测电路的公共端与单片机之间的加法器、第五电压跟随器、第三有效值检测电路和A/D转换电路。

关于图3显示的电场测量电极的接收阻抗测量系统的具体实现方式，可参见以下说明。

⑴放大器：

AD811是美国AD公司推出的一种宽带电流反馈视频运算放大器。它可应用于视频开关、视频线路驱动器、分配放大器、直流恢复电路、以及ADC和DAC的输入输出缓冲器等方面饿视频信号处理过程，亦能满足在宽波段、低失真和在高速时处理大信号的需要。可以将AD811按非倒相电路连接，其中RFB是用来调节带宽的反馈电阻，RG称为增益，通过对RG的变更来取得其调整增益。以AD811为核心的宽带放大器，参见图4。

⑵电压跟随器（即电压跟随电路）：

电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。根据题目的要求，我们在电路的不同地方中加入了由运算放大器AD827组成的电压跟随器，效果非常明显。电压跟随电路，参见图5。

⑶真有效值转换电路：

AD637是有效值测量电路采用集成芯片，可测量的信号有效值可高达7V，是AD公司RMS-DC产品中精度最高、带宽最宽的，程控放大器输出的信号直接输入AD637均值测量芯片，输出最大值为10V。真有效值连接电路，参见图6。

对于1VRMS的信号，它的3dB带宽为8MHz，并且可以对输入信号的电平以dB形式指示，另外，AD636还具有电源自动关断功能，使得静态电流众3mA降至45μA. 而A/D转换器以5V为基准源，AD637的输出还要经过1/5的衰减，然后经A/D转换器转换后由单片机获得电压有效值，并根据此有效值自动换档。AD637内置计算真有效值的方程是：

。

⑷过零检测电路电路：

电压比较器的基本功能是能对两个输入电压的大小进行比较，判断出其中那一个比较大。比较的结果用输出电压的高和低来表示。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用。过零检测电路，参见图7a和图7b。

⑸电场测量电极的接收阻抗测量系统的软件设计：

电场测量电极的接收阻抗测量系统的软件设计遵循3个原则：软件结构清晰、简洁，流程合理；各功能程序模块化，便于维护和管理;程序运行实现标志化管理，程序各模块尽量通过状态位来控制。程序主要包括上电后对电场测量电极的接收阻抗测量系统的初始化子程序、AD 中断数据处理子程序、CAN通信中断子程序等，程序流程参见图8。

 单片机在上电和复位的时候，先要执行初始化程序；然后进入空闲模式， CAN中断产生，接受来自监控中心的命令信息；当AD 转换标志被置位时，启动AD转换；AD转换完成后，处理采样数据，向监控中心发送内阻信息，然后送到液晶屏显示，等待下一次延时标志置位，再循环返回。

通过上述实现方式所得电场测量电极的接收阻抗测量系统的电气原理，可参见9。

下面对上述实施例电场测量电极的接收阻抗测量系统的实验室测量情况进行具体说明。

由于电极的实际阻抗值未知，故用已知参数的模拟电路看作黑匣子来测量系统的阻抗值，来检验这种方法的正确性。

表3：测试使用的仪器设备

 

假设端口网络导纳值是由100欧电阻、2200uf电容、1mp电感串联而构成的，其测量结果如下表5所示。

表5

综上所述，本实用新型各实施例的电场测量电极的接收阻抗测量系统，实现电极接收阻抗测量的主要思路，是通过波形叠加将电极的阻抗转化为电压信号来实现测量，在测量电极的接收阻抗的模拟方法中具有电路实现简单、精确度较高等优点，整个系统运用凌阳单片机作为控制器和计算核心，使仪表有性能可靠、体积小、电路简单、人机界面友好、易于实现等特点；该电场测量电极的接收阻抗测量系统的整体成本较低。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电场测量电极的接收阻抗测量系统，其特征在于，包括并行设置的两路放大处理支路，分别依次与所述两路放大处理支路连接的触发器、单片机和显示单元，以及分别与所述两路放大处理支路和单片机连接的求和处理电路。

2.根据权利要求1所述的电场测量电极的接收阻抗测量系统，其特征在于，每路放大处理支路，包括放大器，以及并行设置、且分别与所述放大器连接的电压跟随及有效值检测支路和电压跟随及过零检测支路；所述电压跟随及有效值检测支路连接至单片机，所述电压跟随及过零检测支路连接至触发器。

3.根据权利要求2所述的电场测量电极的接收阻抗测量系统，其特征在于，所述电压跟随及有效值检测支路，包括依次连接在所述放大器与单片机之间的电压跟随器和有效值检测电路。

4.根据权利要求2所述的电场测量电极的接收阻抗测量系统，其特征在于，所述电压跟随及过零检测支路，包括依次连接在所述放大器与触发器之间的电压跟随器和过零检测电路。

5.根据权利要求4所述的电场测量电极的接收阻抗测量系统，其特征在于，所述过零检测电路，主要包括LM339集成块。

6.根据权利要求4所述的电场测量电极的接收阻抗测量系统，其特征在于，所述求和处理电路，包括依次连接在每个放大处理支路中电压跟随器和过零检测电路的公共端与单片机之间的加法器、电压跟随器、有效值检测电路和A/D转换电路。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的电场测量电极的接收阻抗测量系统，其特征在于，所述电压跟随器，主要包括运算放大器AD827。

8.根据权利要求3或4或5所述的电场测量电极的接收阻抗测量系统，其特征在于，所述有效值检测电路，主要包括有效值测量电路采用集成芯片AD637。

9.根据权利要求2-5中任一项所述的电场测量电极的接收阻抗测量系统，其特征在于，所述放大器，主要包括宽带电流反馈视频运算放大器AD811。

10.根据权利要求1-5中任一项所述的电场测量电极的接收阻抗测量系统，其特征在于，所述单片机，主要包括单片微处理器SPCE061A；和/或，所述显示单元，主要包括LCD显示器TLC2543。

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