一种电导特征检测电路、检测方法及检测装置

1.本发明涉及传感器检测技术领域，具体是涉及一种电导特征检测电路及检测方法。


背景技术：

2.电导特征是物质的重要特征之一，并且电导特征的检测原理简单、检测装置成本低；因此，电导特征的检测被广泛应用于物质分类技术、材料分析技术、环境保护技术以及工业生产控制技术中。
3.实际应用过程中，电导特征测量通常采用三电极构成的文氏交流电桥，在检测电导特性时，需要确保文氏交流桥电路中的rc串并联网络中的电阻和电容为固定值，或者满足一定的温漂误差时，最终测得的文氏交流电桥的频率输出才与待检测物体的电导特性成固定关系。
4.为了保证rc串并联网络中的电阻和电容为固定值，或者满足一定的温漂误差，需要复杂的硬件或软件补偿方式才能达成，导致电导特征检测的精度受硬件补偿电路精度的影响非常大。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种电导特征检测电路、检测方法及检测装置，能够通过电路装置实现文氏电桥不同频率输出，进而通过频率确定电导特征，无需考虑文氏电桥电路中的电阻和电容参数，提高文氏电桥振荡电路的稳定性，从而保证了电导特征检测的精度和重复性，并且简化了测试过程和时间。
6.本发明所述的一种电导特征检测电路，包括文氏振荡桥电路、待检测物质，所述文氏振荡桥电路包括接入幅度运算放大器输入端幅度控制电路及选频电路，所述待检测物质的第一端接地，所述待检测物质的第二端与所述选频电路串接；
7.其中，所述选频电路用于切换文氏振荡桥电路的目标输出信号的频率值，使所述文氏振荡桥电路的输出状态为第一状态或第二状态，根据不同输出状态的输出频率计算待检测物质的电导特性；其中，所述第一状态或第二状态均为文氏振荡桥的稳定振荡状态；
8.所述幅度控制电路用于确定所述目标输出信号的稳定幅度值。
9.进一步的，所述选频电路包括rc并联电路、第一开关装置以及rc串联电路，其中：
10.所述rc并联电路包括并联接入的第一电阻r1及第一电容c1，所述rc并联电路的第一端与所述运算放大器的反向输入端电连接，所述rc并联电路的第二端与所述运算放大器的输出端电连接；
11.所述rc串联电路包括串接的第二电阻r2及第二电容c2，所述rc串联电路的第一端与所述待检测物质的第二端电连接，所述rc串接电路的第二端与所述运算放大器的反向输入端电连接；
12.第一开关装置k1与所述第二电阻r2并联,所述第一开关装置k1通过其闭合或断
开，从而控制短接所述第二电阻r2使所述文氏振荡桥电路的输出状态为第一状态或第二状态。
13.进一步的，所述幅度控制电路包括第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、检测电路及第二开关装置k2，其中：
14.所述第三电阻r3的第一端接地，第三电阻r3的第二端与所述第四电阻r4的第一端电连接；
15.所述第四电阻r4的第二端与所述运算放大器的正向输入端电连接；
16.所述第五电阻r5的第一端与所述运算放大器的正向输入端电连接，第五电阻r5的第二端与所述运算放大器的输出端电连接；
17.所述检测电路用于控制所述第二开关装置k2的开启或闭合，所述检测电路的第一端与所述第二开关装置k2电连接，检测电路的第二端与所述运算放大器的输出端电连接；
18.第二开关装置k2用于控制短接所述第三电阻r3以改变所述运算放大器的放大倍数。
19.进一步的，所述第二开关装置k2为三极管或mos管。
20.进一步的，所述rc串联电路与所述待检测物质rw之间还包括一个串联的第六电阻r6，所述第六电阻r6用于在当所述待检测物质rw的阻值为零时避免所述文氏振荡桥电路停振。
21.一种采用上述检测电路对电导特征检测的方法，其步骤为：
22.在所述第一状态时，确定所述文氏振荡桥电路的第一输出频率；
23.在所述第二状态时，确定所述文氏振荡桥电路的第二输出频率；
24.根据所述第一输出频率及所述第二输出频率，计算所述待检测物质的电导特征。
25.进一步的，根据所述第一输出频率、所述第二输出频率以及预设的电导特征算法，确定出所述待检测物质的阻值；
26.根据所述待检测物质的阻值，确定所述待检测物质的电导特征；
27.其中，所述电导特征算法具体为：
[0028][0029]
其中，rw为所述待检测物质的阻值，f1为所述第一输出频率，f2为所述第二输出频率，r2为所述第二电阻的阻值。
[0030]
进一步的，所述第一状态时，确定出所述文氏振荡桥电路的第一输出频率，包括：
[0031]
在所述第一状态时，判断所述检测电路是否满足第一预设条件，所述第一预设条件用于表示所述文氏振荡桥电路处于第一稳定振荡状态；当判断出所述检测电路满足所述第一预设条件时，控制所述第二开关装置断开，确定出所述文氏振荡桥电路的第一输出频率；
[0032]
其中，所述在所述第二状态时，确定出所述文氏振荡桥电路的第二输出频率，包括：
[0033]
在所述第二状态时，判断所述检测电路是否满足第二预设条件，所述第二预设条件用于表示所述文氏振荡桥电路处于第二稳定振荡状态；当判断出所述检测电路满足所述
第二预设条件时，控制所述第二开关装置断开，确定出所述文氏振荡桥电路的第二输出频率。
[0034]
一种电导特征检测装置，所述装置用于执行上述电导特征检测方法中的部分或全部步骤。
[0035]
本发明的有益效果为：本发明以rc串并联网络为选频网络和正反馈网络，并引入电压串联负反馈，两个网络构成桥路，一对顶点作为输出电压，一对顶点作为放大电路的净输入电压，构成本发明所述的文氏振荡桥电路。所述文氏振荡桥电路的选频电路用于切换文氏振荡桥电路的目标输出信号的频率值以改变文氏振荡桥电路的输出状态，文氏振荡桥电路的幅度控制电路用于确定目标输出信号的稳定幅度值；所述文氏振荡桥电路具有第一状态和第二状态，在第一状态时目标输出信号的频率为第一输出频率；在第二状态时目标输出信号的频率为第二输出频率；第一输出频率以及第二输出频率用于得到待检测物质的电导特性。本发明能够通过电路装置实现文氏电桥不同频率输出，进而通过频率确定电导特征，无需考虑文氏电桥电路中的电阻和电容参数，提高文氏电桥振荡电路的稳定性，从而保证了电导特征检测的精度和重复性，并且简化了测试过程和时间。
附图说明
[0036]
图1是本发明所述的电导特征检测电路的示意图；
[0037]
图2是本发明所述的幅度控制电路及选频电路的一种连接结构示意图；
[0038]
图3是本发明所述的幅度控制电路及选频电路另一种连接结构示意图；
[0039]
图4是本发明所述的电导特征检测方法的流程示意图；
[0040]
图5是本发明实施例公开的一种电导特征检测装置的结构示意图。
具体实施方式
[0041]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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，都属于本发明保护的范围。
[0042]
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或端没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或端固有的其他步骤或单元。
[0043]
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0044]
实施例1
[0045]
如图1所示，本发明所述的一种电导特征检测电路包括一文氏振荡桥电路，文氏振荡桥电路包括接入运算放大器a1输入端的幅度控制电路以及选频电路，本发明并未限定幅
度控制电路以及选频电路接入运算放大器a1的具体输入端，幅度控制电路可以接入其反向输入端，选频电路可以接入其正向输入端；幅度控制电路也可以接入其正向输入端，选频电路此时也可以接入其反向输入端，对此，本发明实施例不做限定，可以根据实际相位和幅度需求进行选取和调整。
[0046]
需要说明的是，选频电路用于切换文氏振荡桥电路的目标输出信号的频率值以改变文氏振荡桥电路的输出状态，也即选频电路可以实现对文氏振荡桥电路的输出频率的改变。此外，幅度控制电路用于确定目标输出信号的稳定幅度值，用于控制文氏振荡桥电路起振之后直至达到稳定输出状态时输出信号的幅度变化倍数。
[0047]
在该实施例中，该电导特征检测电路还包括一待检测物质，其中，待检测物质的第一端接地，待检测物质的第二端与所述选频电路进行串接。
[0048]
本发明实施例中，通过选频电路的调整，控制文氏振荡桥电路在第一状态和第二状态之间进行切换；其中第一状态时，目标输出信号的频率值记为第一输出频率，第二状态时目标输出信号的频率值记为第二输出频率；需要说明的是，第一状态和第二状态均为文氏振荡桥电路的稳定振荡状态。此时，根据第一输出频率、第二输出频率以及预先确定出的电导特征算法，即可计算得到待检测物质的电导特性。
[0049]
在该实施例中，首先调节幅度控制电路以使运算放大器的放大倍数|a|》1，保证文氏振荡桥电路开始起振，在起振之后，调节幅度控制电路以使运算放大器的放大倍数|a|＝1，使得文氏振荡桥电路达到稳定振荡状态，此时记为第一状态，记录此时文氏振荡桥电路的输出频率为第一输出频率。继而，调整选频电路以改变文氏振荡桥的稳态输出频率，之后调节幅度控制电路以使运算放大器的放大倍数|a|》1开始起振，在起振之后，调节幅度控制电路以使运算放大器的放大倍数|a|＝1，使得文氏振荡桥电路达到稳定振荡状态，此时记为第二状态，记录此时文氏振荡桥电路的输出频率为第二输出频率。
[0050]
可见，该发明实施例描述的电导特征检测电路，能够过电路装置实现文氏电桥不同频率输出，进而通过频率确定电导特征，无需考虑文氏电桥电路中的电阻和电容参数，提高文氏电桥振荡电路的稳定性，从而保证了电导特征检测的精度和重复性，并且简化了测试过程和时间。
[0051]
如图2所示，所述选频电路包括rc并联电路、第一开关装置以及rc并联电路，其中：
[0052]
所述rc并联电路包括并联接入的第一电阻r1及第一电容c1，所述rc并联电路的第一端与所述运算放大器的反向输入端电连接，所述rc并联电路的第二端与所述运算放大器的输出端电连接；
[0053]
所述rc串联电路包括串接的第二电阻r2及第二电容c2，所述rc串联电路的第一端与所述待检测物质的第二端电连接，所述rc串接电路的第二端与所述运算放大器的反向输入端电连接；
[0054]
第一开关装置k1与所述第二电阻r2并联,所述第一开关装置k1用于控制短接所述第二电阻r2以改变所述文氏振荡桥电路的输出状态。
[0055]
本发明实施例中，如图2所示，该文氏振荡桥的等效电桥的4个桥臂分别为：rc串联电路、rc并联电路、幅度控制电路的(r3 r4)、幅度控制电路的r5，构成文氏振荡桥。一对顶点由gnd端和文氏振荡桥的输出端组成，该顶点电压即为文氏振荡桥的输出电压；另外一对顶点由放大器a1的正向输入端和负向输入端组成，该顶点电压即为文氏振荡桥的输入电
压。本发明的文氏电桥振荡电路与传统的文氏电桥振荡电路不同的是，为了推导出便捷的电导特征算法以及保证文氏电桥的振荡特性，本发明中将rc并联电路接入运算放大器的反馈回路(正反馈或者负反馈)中，将rc串联电路接入运算放大器的输入端。
[0056]
在该可选的实施例中，rc串联电路中还包括第一开关装置k1，通过该第一开关装置的断开和闭合来改变整个rc串联电路的振荡系数，以使得文氏振荡桥电路的输出频率发生变化。
[0057]
所述幅度控制电路包括第三电阻r3、第四电阻r4、第五电阻r5、检测电路以及第二开关装置k2，其中：
[0058]
所述第三电阻r3的第一端接地，第三电阻r3的第二端与所述第四电阻r4的第一端电连接；
[0059]
所述第四电阻r4的第二端与所述运算放大器a1的正向输入端电连接；
[0060]
所述第五电阻r5的第一端与所述运算放大器a1的正向输入端电连接，第五电阻r5的第二端与所述运算放大器a1的输出端电连接；
[0061]
所述检测电路用于控制所述第二开关装置k2的开启或闭合，所述检测电路的第一端与所述第二开关装置k2电连接，检测电路的第二端与所述运算放大器a1的输出端电连接；
[0062]
其中，检测电路可以是单片机的ad采样电路，采集文氏振荡桥电路的输出信号的电压值，当该电压值达到预设阈值时，控制k2开关的开启或闭合。
[0063]
需要说明的是，本发明并不限定幅度控制电路的具体电路结构形式，还可以是其他形式。
[0064]
举例说明，如图3所示，其中所述第四电阻r4的第一端接地，第四电阻r4的第二端与所述运算放大器a1的正向输入端电连接；所述第三电阻r3的第一端与所述运算放大器a1的正向输入端电连接，所述第三电阻r3的第一端与所述第五电阻r5的第一端电连接，所述第五电阻r5的第二端与所述运算放大器a1的输出端电连接；所述检测电路的第一端与所述第二开关装置k2电连接，检测电路的第二端与所述运算放大器a1的输出端电连接。
[0065]
本发明实施例中，第二开关装置k2为三极管或mos管或者其他开关器件等电子开关，用于控制短接所述第三电阻以改变所述运算放大器的放大倍数。当k2为三极管时，其集电极和发射极分别与第三电阻r3的两端电连接，其发射极与检测电路电连接；当k2为mos管时，其源极和漏极分别与第三电阻r3的两端电连接，其栅极与检测电路电连接。
[0066]
本发明实施例中，为了保证文氏振荡桥电路的起振条件以及起振之后的稳定振荡状态，本发明中通过检测电路实时监测文氏振荡桥电路的输出信号的参数与状态，进而调整反馈电路的放大倍数，从而使得文氏振荡桥电路迅速达到稳定状态。
[0067]
可见，该发明实施例描述的电导特征检测电路，能够过电路装置实现文氏电桥不同频率输出，进而通过频率确定电导特征，无需考虑文氏电桥电路中的电阻和电容参数，提高文氏电桥振荡电路的稳定性，从而保证了电导特征检测的精度和重复性，同时巧妙的调整rc并联电路和rc串联电路的位置关系，有利于于推导出便捷、简易的电导特征算法，简化了测试过程和测试效率。同时通过检测电路对输出信号的检测以及对运算放大器放大倍数的调整，能够使得文氏振荡桥电路迅速达到稳定状态，提高了电导特征检测的效率和准确率。
[0068]
在该可选的实施例中，又进一步可选的，该文氏振荡电路的rc串联电路与待检测物质之间还包括一相串联的第六电阻r6。本发明实施例中，该第六电阻r6可以用于在当待检测物质阻值rw为零时避免文氏振荡桥电路停振。此时，可以将待检测物质rw的电阻和该第六电阻作为统一电阻(rw r6)，进而通过该统一电阻带入振荡频率的计算模型，最终将得到的统一阻值减掉第六电阻阻值，即可得到待检测物质的电导特性。
[0069]
可见，该发明实施例描述的电导特征检测电路，能够通过在rc串联电路设置一第六电阻来提高该电导特征检测电路的稳定性，提高该检测电路的适用性和通用性。
[0070]
实施例二
[0071]
图4是本发明实施例公开的一种电导特征检测方法的流程示意图。本发明所述的电导特征检测方法是利用本发明所述的电导特征检测电路来实现的，该电路及方法可以应用于电导特征检测方法装置中，执行该电导特征检测方法的装置可以是一个独立的装置，也可以集成在电导率检测设备中，本发明实施例不做限定。
[0072]
如图4所示，该电导特征检测方法方法可以包括以下操作：
[0073]
101、在第一状态时，确定出文氏振荡桥电路的第一输出频率；
[0074]
102、在第二状态时，确定出文氏振荡桥电路的第二输出频率；
[0075]
其中，若在第一状态，第一开关装置为闭合状态时，则计算得到第一输出频率为：
[0076][0077]
若在第二状态时，第一开关装置为断开状态时，则计算得到第二输出频率为：
[0078][0079]
此时，通过两个输出频率之间的关系，即可推到出下述电导特征算法；
[0080]
103、根据第一输出频率以及第二输出频率，计算待检测物质的电导特征。
[0081]
本发明实施例中，根据第一输出频率、第二输出频率以及预设的电导特征算法，确定出待检测物质的阻值；
[0082]
电阻与电导是倒数关系，根据待检测物质的阻值，确定待检测物质的电导特征；
[0083]
其中，电导特征算法具体为：
[0084][0085]
其中，rw为所述待检测物质的阻值，f1为所述第一输出频率，f2为所述第二输出频率，r2为所述第二电阻阻值。
[0086]
本发明实施例中，需要说明的是，通过电导特征算法可以看出，仅仅通过第一输出频率、第二输出频率以及第二电阻的阻值即可确定出待检测物质的电导特性，完全无需考虑文氏电桥电路中的电阻和电容参数。
[0087]
可见，本发明实施例例描述的电导特征检测方法，能够仅仅通过输出频率以及电阻阻值求解出待检测物质的电导特征，极大降低了检测误差，提高电导特性的检测精度和准确度，同时能够简化标定以及测试过程和时间，具有极高的适用性和通用性。
[0088]
实施例三
[0089]
图5是本发明实施例公开的一种电导特征检测装置的结构示意图，该装置为智慧能源数据可视化装置，其可以是一个独立的装置，也可以集成在电导率检测设备中，本发明实施例不做限定。如图5所示，该智慧能源数据可视化装置可以包括：
[0090]
存储有可执行程序代码的存储器201；
[0091]
与存储器201耦合的处理器202；
[0092]
处理器202调用存储器201中存储的可执行程序代码，执行本发明实施例二公开的电导特征检测方法中的部分或全部步骤。
[0093]
实施例四
[0094]
本发明实施例公开了一种计算机存储介质，该计算机存储介质存储有计算机指令，该计算机指令被调用时，用于执行本发明实施例二公开的电导特征检测方法中的步骤。
[0095]
实施例五
[0096]
本发明实施例公开的一种电导特征检测装置，其中，该电导特征检测装置，用于实现图2所描述的电导特征检测方法中部分或全部的步骤。可选的，该电导特征检测装置可以为本发明中任一项所描述的电导特征检测装置，本发明实施例不做限定。
[0097]
以上所描述的实施例仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0098]
通过以上的实施例的具体描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。
[0099]
最后应说明的是：本发明实施例公开的一种电导特征检测电路所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述各项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；而这些修改或替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各项实施例技术方案的精神和范围。