專(zhuān)利名稱(chēng)：利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置及方法，具體是指一種利用共軸線圈對(duì)電導(dǎo)率在σ <10s/m范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置及方法，屬于流體實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電導(dǎo)率是反應(yīng)電解質(zhì)溶液的重要特性的參數(shù)之一，被廣泛應(yīng)用于水質(zhì)監(jiān)測(cè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)研究以及工業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程中。當(dāng)前，和電導(dǎo)率較高的金屬材料相比，由于受自身濃度分布、不穩(wěn)定形態(tài)、溫度等因素的影響，實(shí)現(xiàn)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的準(zhǔn)確、快速的測(cè)量存在一定的難度?，F(xiàn)有技術(shù)中，檢測(cè)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的方法包括電極電導(dǎo)測(cè)量法，以及電容耦合 電導(dǎo)率測(cè)量法。其中，電極電導(dǎo)測(cè)量法在實(shí)際測(cè)量中由于其特殊性而存在較多的局限性。由于這種方法屬于接觸式測(cè)量，在一定程度上會(huì)對(duì)被測(cè)的電解質(zhì)溶液流體造成破壞；并且存在電極長(zhǎng)期與電解質(zhì)溶液接觸而被腐蝕等問(wèn)題。而所述的電容耦合電導(dǎo)率測(cè)量法由于測(cè)量原理和測(cè)量數(shù)量級(jí)的限制，因此較多的還是使用于對(duì)毛細(xì)血管等微小尺度管道的測(cè)量且測(cè)量量程也偏小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置及方法，可以在不與被測(cè)電解質(zhì)溶液接觸，不影響正常使用的情況下，通過(guò)直接檢測(cè)接收線圈上的感應(yīng)信號(hào)即可方便準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測(cè)得到該種電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置，用于測(cè)量電導(dǎo)率在σ <10s/m的特定范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，該裝置包含通過(guò)電路依次連接的PC主機(jī)、FPGA主板、前端板和傳感器裝置，以及用于放置待測(cè)電解質(zhì)溶液的測(cè)量管道；其中，所述傳感器裝置包含平行繞制在所述測(cè)量管道外側(cè)的激勵(lì)線圈和接收線圈，形成共軸線圈。所述的測(cè)量管道的半徑為10mm。所述激勵(lì)線圈和接收線圈均繞制50匝，兩者之間的繞制間距為20mm，共振頻率為25MHz，阻抗為15歐姆。所述傳感器裝置的表面采用環(huán)氧乙烯塑封鋁箔紙包裹以作為屏蔽層。所述FPGA主板包含與所述PC主機(jī)通過(guò)電路連接的USB接口，直接數(shù)字頻率合成器，累加器，微處理器，與所述直接數(shù)字頻率合成器通過(guò)電路連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，以及與所述累加器通過(guò)電路連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。所述前端板包含分別與所述激勵(lì)線圈和接收線圈通過(guò)電路連接的模擬開(kāi)關(guān)，以及與所述模擬開(kāi)關(guān)通過(guò)電路連接的功率放大器和信號(hào)預(yù)處理器；其中，所述功率放大器還與模數(shù)轉(zhuǎn)換器通過(guò)電路連接；所述信號(hào)預(yù)處理器還與數(shù)模轉(zhuǎn)換器通過(guò)電路連接；所述模擬開(kāi)關(guān)還與微處理器通過(guò)電路連接，根據(jù)微處理器發(fā)出的邏輯控制信號(hào)對(duì)激勵(lì)信號(hào)和感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行選通。本發(fā)明還提供一種利用上述測(cè)量裝置對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量的方法，該方法用于測(cè)量電導(dǎo)率在o〈10s/m的特定范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，需在常溫、密閉的環(huán)境下進(jìn)行；所述方法主要包含以下步驟
步驟I、將被測(cè)電解質(zhì)溶液注入測(cè)量管道中；
步驟2、PC主機(jī)經(jīng)由USB接口向直接數(shù)字頻率合成器發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，裝置預(yù)熱10分鐘；步驟3、微處理器向模擬開(kāi)關(guān)發(fā)出邏輯控制信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)被選通；所述直接數(shù)字頻率合成器通過(guò)頻率合成生成原始激勵(lì)信號(hào)，并通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)功率放大器的功率放大處理后，經(jīng)由選通的模擬開(kāi)關(guān)向激勵(lì)線圈施加激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)被測(cè)電解質(zhì)溶液使得接收線圈產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)；
步驟4、微處理器向模擬開(kāi)關(guān)發(fā)出邏輯控制信號(hào)，感應(yīng)信號(hào)被選通；所述信號(hào)預(yù)處理器直接檢測(cè)接收線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大預(yù)處理后，傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再傳輸至累加器計(jì)算，最終通過(guò)USB接口傳輸至PC主機(jī)顯示檢測(cè)結(jié)果。綜上所述，本發(fā)明所提供的利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置及方法，用于測(cè)量電導(dǎo)率在σ〈10s/m的特定范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，可以在不與被測(cè)電解質(zhì)溶液接觸，不影響正常使用的情況下，通過(guò)直接檢測(cè)接收線圈上的感應(yīng)信號(hào)即可方便準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測(cè)得到該種電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率。


圖I為本發(fā)明中的利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖
圖2為本發(fā)明中的前端板的電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合圖I 圖2，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例。如圖I所示，本發(fā)明所提供的利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置，用于測(cè)量電導(dǎo)率在σ <10s/m的特定范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，其包含通過(guò)電路依次連接的PC主機(jī)1、FPGA (現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)主板2、前端板3和傳感器裝置，以及用于放置待測(cè)電解質(zhì)溶液的測(cè)量管道。所述的測(cè)量管道的半徑為10mm。所述傳感器裝置包含平行繞制在所述測(cè)量管道外側(cè)的激勵(lì)線圈41和接收線圈42，形成共軸線圈。所述激勵(lì)線圈41和接收線圈42均繞制50匝，兩者之間的繞制間距為20mm，共振頻率為25MHz，阻抗為15歐姆。進(jìn)一步，所述傳感器裝置的表面采用環(huán)氧乙烯塑封鋁箔紙包裹以作為屏蔽層。所述FPGA主板2包含與所述PC主機(jī)I通過(guò)電路連接的USB接口 26，DDS(直接數(shù)字頻率合成器)21，累加器24，MCU (微處理器)25，與所述DDS 21通過(guò)電路連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器22，以及與所述累加器24通過(guò)電路連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器23。所述DDS 21通過(guò)USB接口26接收PC主機(jī)I發(fā)送的啟動(dòng)信號(hào)，通過(guò)頻率合成生成原始激勵(lì)信號(hào)，并通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器22進(jìn)行信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換。所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器23對(duì)檢測(cè)到的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行采集并進(jìn)行信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，傳輸至累加器24計(jì)算，最終通過(guò)USB接口 26傳輸至PC主機(jī)I顯示檢測(cè)結(jié)果。本實(shí)施例中，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器23采用型號(hào)為AD9266的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其采樣頻率為 ，，=WMHz,選擇工作頻率為尤=2. 5MHz。所述FPGA主板2的激勵(lì)頻率和測(cè)量頻率均在I 5MHz之間，以便提高信號(hào)的空間靈敏度，同時(shí)降低高頻干擾。所述前端板3包含分別與所述激勵(lì)線圈41和接收線圈42通過(guò)電路連接的模擬開(kāi)關(guān)31，以及與所述模擬開(kāi)關(guān)通過(guò)電路連接的功率放大器32和信號(hào)預(yù)處理器33 ;其中，所述功率放大器32還與模數(shù)轉(zhuǎn)換器22通過(guò)電路連接；所述信號(hào)預(yù)處理器33還與數(shù)模轉(zhuǎn)換器23通過(guò)電路連接；所述模擬開(kāi)關(guān)31還與MCU 25通過(guò)電路連接，根據(jù)MCU 25發(fā)出的邏輯控制信號(hào)對(duì)激勵(lì)信號(hào)和感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行選通。如圖3所示，本實(shí)施例中，所述功率放大器32采用型號(hào)為74C906和型號(hào)為0PA544·的集成電路芯片實(shí)現(xiàn)，用于接收由DDS 21傳送來(lái)的激勵(lì)信號(hào)，并將該激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大。所述信號(hào)預(yù)處理器33采用型號(hào)為INA105和型號(hào)為INA104的集成電路芯片實(shí)現(xiàn)，用于接收由傳感器裝置的接收線圈42檢測(cè)到的感應(yīng)信號(hào)并進(jìn)行放大預(yù)處理，再將該感應(yīng)信號(hào)傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器23。其中，所述INA1049的集成電路芯片采取差模輸入模式。本發(fā)明還提供一種利用上述測(cè)量裝置對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量的方法，該方法用于測(cè)量電導(dǎo)率在o〈10s/m的特定范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，需在常溫、密閉的環(huán)境下進(jìn)行，以避免溫度和高頻信號(hào)的干擾；所述方法主要包含以下步驟
步驟I、將被測(cè)電解質(zhì)溶液注入測(cè)量管道中；
步驟2、PC主機(jī)I經(jīng)由USB接口 26向DDS 21發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，裝置預(yù)熱10分鐘；
步驟3、MCU 25向模擬開(kāi)關(guān)31發(fā)出邏輯控制信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)被選通；所述DDS 21通過(guò)頻率合成生成原始激勵(lì)信號(hào)，并通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器22進(jìn)行信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)功率放大器
32的功率放大處理后，經(jīng)由選通的模擬開(kāi)關(guān)31向激勵(lì)線圈41施加激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)被測(cè)電解質(zhì)溶液使得接收線圈42產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)；
步驟4、MCU 25向模擬開(kāi)關(guān)31發(fā)出邏輯控制信號(hào)，感應(yīng)信號(hào)被選通；所述信號(hào)預(yù)處理器33直接檢測(cè)接收線圈42上產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大預(yù)處理后，傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器23進(jìn)行信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再傳輸至累加器24計(jì)算，最終通過(guò)USB接口 26傳輸至PC主機(jī)I顯示檢測(cè)結(jié)果。綜上所述，本發(fā)明所提供的利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置及方法，用于測(cè)量電導(dǎo)率在σ〈10s/m的特定范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，可以在不與被測(cè)電解質(zhì)溶液接觸，不影響正常使用的情況下，通過(guò)直接檢測(cè)接收線圈上的感應(yīng)信號(hào)即可方便準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測(cè)得到該種電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置，其特征在于，用于測(cè)量電導(dǎo)率在σ〈lOs/m的特定范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，該裝置包含 通過(guò)電路依次連接的PC主機(jī)(I)、FPGA主板(2)、前端板(3)和傳感器裝置，以及用于放置待測(cè)電解質(zhì)溶液的測(cè)量管道； 其中，所述傳感器裝置包含平行繞制在所述測(cè)量管道外側(cè)的激勵(lì)線圈(41)和接收線圈(42)，形成共軸線圈。
2.如權(quán)利要求I所述的利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置，其特征在于，所述測(cè)量管道的半徑為10mm。
3.如權(quán)利要求I所述的利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置，其特征在于，所述激勵(lì)線圈(41)和接收線圈(42)均繞制50匝，兩者之間的繞制間距為20mm，共振頻率為25MHz，阻抗為15歐姆。
4.如權(quán)利要求3所述的利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置，其特征在于，所述傳感器裝置的表面采用環(huán)氧乙烯塑封鋁箔紙包裹以作為屏蔽層。
5.如權(quán)利要求I所述的利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置，其特征在于，所述FPGA主板(2 )包含與所述PC主機(jī)(I)通過(guò)電路連接的USB接口( 26 )，直接數(shù)字頻率合成器(21)，累加器(24)，微處理器(25)，與所述直接數(shù)字頻率合成器(21)通過(guò)電路連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(22)，以及與所述累加器(24)通過(guò)電路連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(23)。
6.如權(quán)利要求5所述的利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置，其特征在于，所述前端板(3 )包含分別與所述激勵(lì)線圈(41)和接收線圈(42 )通過(guò)電路連接的模擬開(kāi)關(guān)(31)，以及與所述模擬開(kāi)關(guān)通過(guò)電路連接的功率放大器(32)和信號(hào)預(yù)處理器(33)； 所述功率放大器(32 )還與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(22 )通過(guò)電路連接； 所述信號(hào)預(yù)處理器(33)還與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(23)通過(guò)電路連接； 所述模擬開(kāi)關(guān)(31)還與微處理器(25 )通過(guò)電路連接，根據(jù)微處理器(25 )發(fā)出的邏輯控制信號(hào)對(duì)激勵(lì)信號(hào)和感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行選通。
7.一種利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量方法，用于測(cè)量電導(dǎo)率在σ <10s/m的特定范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，需在常溫、密閉的環(huán)境下進(jìn)行，其特征在于，所述測(cè)量方法包含以下步驟 步驟I、將被測(cè)電解質(zhì)溶液注入測(cè)量管道中； 步驟2、PC主機(jī)(I)經(jīng)由USB接口( 26 )向直接數(shù)字頻率合成器(21)發(fā)送啟動(dòng)信號(hào)，裝置預(yù)熱10分鐘； 步驟3、微處理器(25)向模擬開(kāi)關(guān)(31)發(fā)出邏輯控制信號(hào)，激勵(lì)信號(hào)被選通；所述直接數(shù)字頻率合成器(21)通過(guò)頻率合成生成原始激勵(lì)信號(hào)，并通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(22)進(jìn)行信號(hào)數(shù)模轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過(guò)功率放大器(32)的功率放大處理后，經(jīng)由選通的模擬開(kāi)關(guān)(31)向激勵(lì)線圈(41)施加激勵(lì)信號(hào)，通過(guò)被測(cè)電解質(zhì)溶液使得接收線圈(42 )產(chǎn)生感應(yīng)信號(hào)； 步驟4、微處理器(25)向模擬開(kāi)關(guān)(31)發(fā)出邏輯控制信號(hào)，感應(yīng)信號(hào)被選通；所述信號(hào)預(yù)處理器(33)直接檢測(cè)接收線圈(42)上產(chǎn)生的感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行放大預(yù)處理后，傳輸至模數(shù)轉(zhuǎn)換器(23 )進(jìn)行信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換，再傳輸至累加器(24 )計(jì)算，最終通過(guò)USB接口( 26 )傳輸至PC主機(jī)(I)顯示檢測(cè)結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量裝置，用于測(cè)量電導(dǎo)率在σ<10s/m的特定范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，該裝置包含通過(guò)電路依次連接的PC主機(jī)、FPGA主板、前端板和傳感器裝置，以及用于放置待測(cè)電解質(zhì)溶液的測(cè)量管道；其中，所述傳感器裝置包含平行繞制在所述測(cè)量管道外側(cè)的激勵(lì)線圈和接收線圈，形成共軸線圈。本發(fā)明還提供一種利用共軸線圈對(duì)電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的非接觸式測(cè)量方法。本發(fā)明用于測(cè)量電導(dǎo)率在σ<10s/m的特定范圍內(nèi)的電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率，可以在不與被測(cè)電解質(zhì)溶液接觸，不影響正常使用的情況下，通過(guò)直接檢測(cè)接收線圈上的感應(yīng)信號(hào)即可方便準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的檢測(cè)得到該種電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率。
文檔編號(hào)G01R27/02GK102901877SQ20121044957
公開(kāi)日2013年1月30日 申請(qǐng)日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者陳麗婷, 陳廣, 尹武良 申請(qǐng)人:上海海事大學(xué)