摘要 針對七電極電導率傳感器的基本原理和特點進行了闡述，根據傳感器本身物理特性以及高精度測量的要求，設計了能夠滿足低溫漂、高精度、速度快的測量電路。采用D/A、A/D等集成電路芯片去實現對傳感器的精確驅動和高速采樣，相比于傳統方式，驅動的頻率和電壓更加準確，并且容易更改，采用高速采樣可以避免信號在調理過程中出現的失真。通過實驗驗證了電路的測量效果。

電導率測量在工業生產、環境監測、海洋資源開發等領域有著廣泛的應用，準確快速地電導率測量方法對海洋研究、環境保護等方面都有著重要意義。電導率傳感器根據工作原理主要可分為電極式電導率傳感器和電磁式電導率傳感器。電磁式電導率傳感器是根據電磁感應原理進行測量，通過感應電動勢的變化反應電導率的變化;電極式電導率傳感器是根據電解導電原理進行測量，通過被測液體電阻的變化反應電導率的變化。電極式電導率傳感器因其響應速度快、精度高的優點而得到廣泛關注。文章分析了七電極電導率傳感器的工作原理并設計了測量電路。

1 工作原理及概述

七電極電導率傳感器是電極式電導率傳感器中精度較高的一種，同時具備了三電極與四電極的優點。七電極電導率傳感器的電導池實現“電流”電極和“電壓”電極的分離，可減少電極極化阻抗、導流空間大、響應時間快，實現了電導率的快速測量;七電極電導率傳感器的電導池兩端有兩個接地電極，可以有效屏蔽電導池外的影響，使測量結果不受電導池外界的干擾，而且測量過程中無需水泵，同樣能夠保證高精度測量。

1.1 七電極電導率傳感器原理分析

七電極電導率傳感器示意圖如圖1所示，它由鑲嵌在石英玻璃上的7個鉑金屬環組成，電極1～4、電極4～7分別組成兩組測量單元，電流通過公共電極4流入，通過接地電極1和電極7流出，電流流過電導池時會在電極2、3和電極5、6產生電壓。在電極4和地之間加上一個恒定的電壓，通過測量流經公共電極的電流的變化就可以反映出電阻的變化，進而計算出電導池內溶液的電導率。

1.2 測量系統概述

為實現高精度的七電極電導率傳感器測量電路，在設計電路時主要考慮以下幾個方面：(1)減少使用模擬器件，減少因使用模擬器件而引入的噪聲，利用高速采樣提取信號的信息并進行相關計算。(2)A/D和D/A使用同一基準，因為電導率是通過驅動電壓和取樣電阻兩端電壓的比值計算出來的，即使基準有一定的變化，也不會對測量結果產生影響。(3)系統中使用的器件選用低溫漂、高精度的器件，特別是驅動七電極的運放和取樣電阻。

測量電路系統示意圖如圖2所示。微控制器STM32F103控制D/A產生固定頻率和電壓的信號，通過由積分電路和減法電路形成的恒壓源，對七電極電導率傳感器進行驅動，電流流過取樣電阻，形成的電壓值反映了電導率的值，電壓經A/D進行模數變換，采樣得到的A/D值通過算法處理得到電導率值。

系統采用STM32F103作為控制器，STM32F系列屬于中等容量增強型、32位基于ARM核心的帶64或者128kB閃存的微控制器，具有USB、CAN、7個定時器、2個ADC、9個通信接口，廣泛應用于各種工業控制系統、測量儀表等。

2 測量電路分析及實現

2.1 驅動電路分析

2.1.1 矩形波產生電路

七電極電導率傳感器采用美信公司的MAX5312產生800 Hz的矩形波進行驅動，驅動電壓為-8～+8 V。MAX5312為12位、串行、數模轉換器，在雙電源電壓為±12～±15 V時，提供雙極性±5～±10 V輸出，而在單電源電壓為12～15 V時，提供單極性5～10 V輸出。MAX5312具有極佳的線性度，該器件還具有10μs快速的建立時間至0.5 LSB，硬件關斷特性將電流消耗降低至3.5 μA。本電路中MAX5312工作在3.3 V，采用SPI通信方式。

如圖3所示，SCK、MOSI、MISO是和微控制器的通信接口，執行SPI協議，/CS2是MAX5312的片選端，VREF是D/A芯片基準的輸入端，該基準由本電路系統中的A/D產生，以實現A/D和D/A使用統一個基準，避免因基準的差異影響測量的精度。OUT是D/A的輸出引腳。為提高驅動能力，產生的矩形波驅動信號要經過由一個高精密運放組成的電壓跟隨器。

2.1.2 驅動電路分析

如圖4所示，驅動信號經過一個積分電路后加在七電極兩端，七電極的2、3兩端電壓和5、6兩端電壓經過減法電路后反作用與積分電路，形成負反饋，實現對七電極的恒壓驅動，R3是取樣電阻。

2.2 采集電路

如圖5所示，R3是取樣電阻;R3兩端電壓加到儀器運算放大器的輸入端;R13確定放大器放大倍數，因為A/D采樣速率較高，所以模擬信號在輸入到A/D之前需要經過差分驅動器，放大器輸出經過差分驅動器后輸入到A/D進行采樣。

選取亞德諾半導體公司的一款差分驅動器，用于輸入范圍最大為±10 V的16～18位ADC。它采用易于使用的單端至差分配置，無需外部元件就能驅動ADC，同時提供驅動最高18位分辨率ADC所需的低失真和高信噪比(SNR)等重要特性，廣泛用于驅動包括工業儀器儀表等各種應用中的ADC。該差分驅動器在精度和驅動能力上能滿足本電路的需要。

本電路設計的核心思想之一就是高速采樣去還原信號本身的特點，避免因不必要的模擬信號的調理引入誤差，所以A/D的選擇對于電路的整體性能起著重要的作用。

圖6是A/D采集電路的示意圖，其中并行通信端口負責向微處理器傳輸數據，VIN+、VIN-是模擬信號輸入端口，VREF是5 V基準。

該A/D不僅能滿足電路對于精度和速度的要求，并且能夠產生5 V基準提供給D/A，實現驅動和采集使用相同的基準，即使基準因溫漂等產生了微小的變化，也不會對采樣結果產生影響，避免了因基準不穩定造成的誤差。

3 測量數據分析及標定

在數據處理方面，首先對單個周期內的波形進行Ⅳ次采樣，之后用得到的A/D值計算出每個驅動周期內的平均A/D值;在采集M個周期后，對M個平均后的A/D值做FFT，求出直流分量即為擬合用A/D值。用FFT可以較好地濾除噪音對采樣結果的影響。在本次標定過程中，每個周期內有128個采樣點，對32個周期的平均A/D值進行FFT變換。

在標定過程中，首先用采集到的擬合A/D值和對應的電導率值，利用最小二乘法進行擬合，得到求電導率的公式，最后進行測量和復檢。擬合公式如下

C=a0+a1×D+a2×D2+a3×D3 (1)

其中，c為電導率;D是A/D值;a0、a1、a2、a3是擬合系數。

在標定的過程中，采用海鳥公司的溫鹽深儀(CTD)作為對比，直接對電導率進行讀取，相對于傳統測鹽度溫度進行電導率測量，這樣更方便快捷，多用于對實驗階段儀器的標定，得到行業內的認同。文中分別對35℃，25 ℃，15 ℃，5℃的海水電導率進行測量。實驗結果見表1～表2所示。

通過標定和復檢可以發現，在25℃，15 ℃，5℃，0℃的4點效果較好，最大誤差在0.005 mS·cm-1以下，但在高溫35 ℃點誤差較大，擬合誤差達到了0.018 mS·cm-1，原因可能是在高溫點某些模擬器件進入了非線性區，或者是由于傳感器本身的物理特性在高溫點存在一些不足。

4 結束語

設計了一款七電極電導率傳感器測量電路，并進行了標定和復檢驗證了電路的穩定性和高精度。在設計過程中，主要利用了減少模擬電路、直接對原始信號采樣進行處理的思想，使電路本身更加穩定和可靠，避免因為一些不必要的處理引入新的噪聲，從而提高了系統的測量精度。