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电位型电化学传感器噪声及滤波技术的研究 南I=科技2007年第9期技术创新 电位型电化学传感器噪声及滤波技术的研究 李素芬 (武汉工业学院) 摘要在讨论电位型电化学传感器高阻抗特性及输出信号噪声的特点的基础上,从软件和硬件两个方面对输出信号进行了 处理.达到了较好的输出效果 关键词电位型电化学传感器噪声滤波 电位型电化学传感器是将电解质溶液中的离子作用于电极产生 的电动势作为传感器的输出信号,通过能~(Nernst)方程和被测 离子联系起来,应用于水质分析,废水处理,环境保护和医学等众 多领域,是目前应用最广泛的电化学传感器.电位型电化学传 感器普遍存在阻抗高的特点,且输出信号巾包含影响测试精度的噪 声成分,必须加以抑制.目前的文献报道中,电化学噪声分析的研 究很多,但几乎都是关于腐蚀方面的研究,有关电化学传感器的 报道仅是对研制过程中噪声电流的描述…,有关信号调理电路的研 究多是针对电路设计的一般问题没有涉及到传感器噪声的特点 及滤除.本文即在分析了电位型电化学传感器的噪声特点,讨沦了 针对噪声特征的硬件滤波电路及软件滤波算法. 1电位型电化学传感器原理及特性 电位型电化学传感器实质是由电极和电解质溶液组成的原电池 体系.构成传感器的两个电极,—个是电极电位能指示被测离子活 度的测量电极,另—个是电极电位不受溶液影响的参比电极.将测 量电极和参比电极共同浸入待测溶液,通过测量原电池的电动势, 即可求得被测离子的活度.常见的电位型电化学传感器包括PH, ORP等,阻抗很高(在lQ～lQ之问). f 1《 图3传感器的高额FFT波形图图4传感器的低额FFT波形图 图2为电位型电化学传感器代表性的波形图,可以看出,输出 的直流信号上叠加了很大的交流分量.从图3高频部分的FFT谱图 得知,4.5kHz的噪声是—个特征频率噪声,其值可以达到有用直流 输出信号的77%,对信号影响较大,且PH和ORP传感器都含有此频 率的噪声.除了高频噪声之外,噪声中也会耦合工频干扰(如图 4)和热噪声等. 3电位型电化学传感器的硬件及软件滤波 目前的滤波技术中,有通过硬件电路来实现的滤波,还有通过 软件算法来实现的数字滤波.其中硬件滤波对高频噪声的滤波效 果比较好.对低频噪声的效果比较差,而数字滤波对低频干扰可以 达到很好的滤波效果.特别是随着智能仪表技术的发展,基于单片 机系统可以方便的滤除工频干扰,而对高频千扰的滤波算法较为复 杂.所以,针对传感器的噪声特点,应采用硬件电路来实现高频滤 波,软件算法来实现低频滤波. 3.1二阶有源滤波电路 二阶有源滤波电路是一种简单的比较常用的滤波方法.针对传 感器的直流输出信号,选取合适的滤波参数.就可以达到较好的滤 波效果.同时降低输出阻抗,提高电路的带载能力. 合理选取RC参数可以获得较好的输出信号..根据传感器的噪 声特点,这里主要抑制45kHz及高于此频率的噪声.所以截至频率 的选取可以针对此参数来设计. 一图5二阶有泺滤波电路图6经过二阶滤波后得波形图 滤波后的图像如图6所示,从图中可以明显的看出,经过滤波 后,能够输出比较平滑的信号,高频噪声得到了很好的抑制. 3.2软件滤波 软件滤波就是通过特定的计算程序处理,降低噪声信号在有用 信号中的比例.软件滤波的稳定性高,滤波器参数修改方便,因而 得到广泛应用.这里主要用来削弱工频干扰的影响. 常用的软件滤波方法有:①限幅滤波;②中位置滤波;③平滑 滤波.平滑滤波还可以分成算术平均滤波,递推平均滤波和加权移 动平均滤波法,滤波方法需要根据噪声信号的特点选择.通过对噪 声信的分析,选择了递推平均滤波的方法. 首先在存储器中开辟—个区域作为暂存队列使用,队列的长度 固定为N,每进行一次新的测量,把测量结果放入队尾,而扔掉原 来队首的那个数据,这样在队列中始终有个必威体育精装版的数据,这就 是递推平均滤波法.递推平均项数的选区是比较重要的环节,N选 得过大,平均效果好,但是对参数变化的反应不灵敏;N选得过 小,滤波效果不显着.经过多次试验以及阅读相关资料,N选取 64比较合理. 软件滤波的子程序如下所示: floatFilter()/*A/D~输入通道为获取的信号(电位值)?, f floatresult=0; inti,j,counter-~a4; floatsum=O; if(filnumlt;=counter)改字滤波,1~64/ f middle[filnum-I]=AdcSubO;/*callA/Dconvertsubroutine*/ forO=l;jlt;=filnum;j++) I sum=sum+middle[j-1]; l result=sum/filnum; mnum++: l else I For(i=l;ilt;counter;i++)f转123