[发明专利]一种全阻抗测量电路和测量装置

说明书

本发明公开一种全阻抗测量电路和测量装置，该测量电路包括：第一跨阻放大器，第二跨阻放大器，第一差分放大器，第二差分放大器，参比电阻，传感器，以及四个可编程多路复用器；传感器的电流注入端用于输入电流信号，电压输出端用于检测响应电压信号；第一跨阻放大器的正输入端子和第二跨阻放大器的正输入端子均接地；四个可编程多路复用器可使电路在两种形式下切换。本发明通过交替测量的方式，使得测得的传感器响应电压和参比电阻响应电压的波形均包含两个通道的噪声信息，由此确保二者波形所包含的噪声趋于一致，再通过各自通道的三参数正弦波拟合算法同步减小噪声并获得各自精确的幅值和相位估计值，能够进一步提升电路的测量精度。

技术领域

本发明属于阻抗测量技术领域，具体涉及一种全阻抗测量电路和测量装置。

背景技术

电导率(Conductivity)、温度(Temperature)、以及深度(Depth)传感器(简称CTD或温盐深传感器)是用于监测水域环境的最基本也是最重要的传感器。它不但直接提供了电导率、温度、压力参数，更可用于计算盐度参数和深度参数。这些参数是开展各种水域研究所必不可少的。以海洋研究为例，这些参数不但可用于监测海水的流动、循环、以及气候变化过程，还可以为生物地球化学以及海洋生态系统的研究提供背景物理参数，在研究全球气候问题以及监测海洋生态环境等方面有着重大的意义。同时，温度和盐度参数还为其它各种海洋传感器提供必不可少的背景补偿参数。

常用的温盐深传感器包括：电极式电导率传感器、PRT(platinum resistancethermometer，铂电阻温度计)电桥式温度传感器、压敏电阻电桥式压力传感器，它们对CTD参数的测量最终均可以转换成对相应阻抗的测量。因此，阻抗测量电路的设计方法决定了最终CTD参数测量结果的质量。

目前国内外常见的阻抗测量电路包括以下三种：第一种是基于频率的阻抗测量电路，第二种是基于方波激励的阻抗测量电路，第三种是基于正弦波激励的阻抗测量电路。其中，第一种和第二种不支持全阻抗测量，只有第三种阻抗测量电路支持全阻抗测量。该基于正弦波激励的阻抗测量电路采用正弦波信号作为激励源，所以传感器的响应电压也为正弦波形式，通过ADC(模数转换器)将正弦波形式的响应电压传输至数字电路部分。然后数字电路运行相应的正弦波拟合算法(在激励信号频率精确已知时，运行三参数拟合算法，无需迭代运算；在激励信号不精确已知时，运行四参数拟合算法，需要迭代运算)，从而可以计算出阻抗的幅值和相位。因此，该阻抗测量电路可以支持全阻抗测量，并且通过正弦波拟合算法可以获得较高的测量精度。但是，该阻抗测量电路存在以下问题：1)能否支持实时测量取决于激励信号频率是否精确已知；2)阻抗测量精度会受到电路中元器件的性能参数随温度或时间漂移的影响，因此需要进行漂移补偿。

目前国内外常见的漂移补偿方法分为以下几种。

第一种解决方法是采用极低温度系数的元器件来搭建电路。但是，一方面，极低温度系数的元器件价格昂贵，大大增加电路设计的成本；另一方面，某些元器件(比如差分放大器)在目前的生产工艺下无法做到极低温度系数。所以，该方法无法很好地解决元器件漂移问题。

第二种解决方法是加入额外的极低温度系数的参比电阻提供参考响应电压，通过多路复用器切换测量对象为传感器或者参比电阻，最后根据传感器响应电压与参比电阻响应电压之间的关系获得精确的测量阻值，以此降低漂移影响。该方法相较第一种方法既有效解决漂移问题，又降低了成本，但是通过单通道交替测量传感器和参比电阻的响应电压将整体测量时间增大了一倍。

第三种解决方法是采用双通道并行设计，两个通道同时测量来自传感器和参比电阻的响应电压，后续采用七参数正弦波拟合算法以获得精确的传感器和参比电阻的响应电压值。该方法的模拟信号采集虽然采用双通道并行设计，但是七参数正弦波拟合算法本质是基于四参数在双通道测量场景上的改进(只是综合考虑了两个通道的噪声进行整体拟合计算)，仍然需要迭代计算，无法做到实时信号处理，整体测量时间并未缩短。

上述三种漂移补偿方法都不能保证阻抗测量电路测量的实时性，无法做到实时信号处理。