高精度电极式海水电导盐度计设计与开发

摘要

海水盐度是海水中含盐量的标度，是海洋水文的重要要素之一。海水盐度对海洋环境研究、水产养殖、盐化工业、能源探索等方面都具有十分重要的影响。随着海洋事业的迅速发展，对海水盐度的测量精度要求越来越高。对于海水盐度的测量方法主要包括:化学法、光学法、比重法、电导法、微波遥感法、基于光纤技术的测量法等。其中，电导法是一种较为快速、准确且适用于现场测量的方法。其基本原理是通过测量海水的电导率，计算得到海水的盐度。
　　本论文采用电导法，设计了一种基于电桥原理的高精度、全数字式盐度测量系统。该系统主要由高精度数字式电桥、数字式可编程激励源、高灵敏度数字检流计三部分组成。高精度数字式电桥的两个上桥臂是由装有待测海水的电导池和装有标准海水的电导池组成，下桥臂是由可调精密电阻组成。为避免电导池中的海水在激励源直流分量的作用下产生极化，采用数字式可编程激励源产生频率为1kHz交变的对称梯形波作为电桥的激励电源。采用高灵敏度数字检流计检测电桥的输出电压。控制器根据检流计的输出判断电桥的平衡状态，并调整下桥臂的精密电阻，直至电桥达到平衡。根据平衡时精密电阻的阻值，计算出待测电导池与标准电导池的电导率比值，进而计算出待测海水的盐度。
　　实现海水盐度高精度测量的关键技术包括:提高电桥激励波形的对称性、提高数字电桥可调精密电阻的分辨率、提高数字式检流计的灵敏度和测量精度。为实现以上关键技术，盐度计测量系统的设计方案基于SOPC技术实现。系统主控制器为Altera公司CycloneⅡ系列的EP2C35芯片。利用FPGA控制DA芯片产生幅值、频率、波形可控的数字式激励源，并通过高频变压器进行隔离，提高激励波形的对称性。测量电桥下桥臂的精密电阻用一款高精度的DA芯片实现，通过FPGA控制实现高精度、数字、全自动调节电桥。为了提高检流计的灵敏度和精度，采用低噪声放大电路对电桥输出电压进行放大，选用高精度的AD芯片，并利用同步采样精确控制采样点等方法。实验证明，该测量方案具有测量精度高、稳定性好、测量速度快的优点。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外发展现状

1．2．1 盐度的定义及发展

1．2．2 海水盐度的主要测量方法

1．2．3 电导法海水盐度测量技术的国内外研究现状

1．3 本文的主要内容及结构

2 电导法海水盐度测量原理

2．1 海水盐度测量相关概念

2．1．1 实用盐度

2．1．2 电导率

2．2 海水的电导率特性

2．3 平衡电桥法

2．4 本章小结

3 盐度计方案设计

3．1 总体方案设计

3．1．1 总体方案介绍

3．1．2 技术指标

3．2 数字式可编程激励源设计

3．2．1 设计分析

3．2．2 器件选型

3．2．3 硬件电路设计

3．3 高精度数字式测量电桥的设计

3．3．1 设计分析

3．3．2 器件选型

3．4 高灵敏度数字式检流计设计

3．4．1 设计分析

3．4．2 器件选型

3．4．3 硬件电路设计

3．4．4 噪声处理

3．5 电源模块设计

3．6 测量流程

3．7 本章小结

4 基于SOPC的方案设计及实现

4．1 SOPC技术

4．1．1 SOPC技术介绍

4．1．2 FPGA器件介绍

4．1．3 SOPC设计开发工具介绍

4．2 硬件逻辑系统设计

4．2．1 Nios Ⅱ内核设计

4．2．2 激励源模块核设计

4．2．3 测量电桥模块核设计

4．2．4 检流计模块核设计

4．3 软件设计

4．3．1 软件主程序设计

4．3．2 测量子程序设计

4．3．3 串口子程序设计

4．4 本章小结

5 盐度计系统调试

5．1 测试系统介绍

5．2 电路功能验证实验

5．3 系统稳定性实验

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

个人简历

发表的学术论文