電位型電化學(xué)傳感器噪聲及濾波技術(shù)的研究

電位型電化學(xué)傳感器噪聲及濾波技術(shù)的研究

 摘要在討論電位型電化學(xué)傳感器高阻抗特性及輸出信號噪聲的特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從軟件和硬件兩個(gè)方面對輸出信號進(jìn)行了 處理．達(dá)到了較好的輸出效果 關(guān)鍵詞電位型電化學(xué)傳感器噪聲濾波 電位型電化學(xué)傳感 器是將電解質(zhì)溶液中的離子作用于電極產(chǎn)生 的電動(dòng)勢作為傳感器的輸出信號，通過能~ (Nernst)方程和被測 離子聯(lián)系起來，應(yīng)用于水質(zhì)分析、廢水處理、環(huán)境保護(hù)和醫(yī)學(xué)等眾 多領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最廣泛的電化學(xué)傳感器 ’。電位型電化學(xué)傳 感器普遍存在阻抗高的特點(diǎn)，且輸出信號巾包含影響測試精度的噪 聲成分，必須加以抑制。目前的文獻(xiàn)報(bào)道中，電化學(xué)噪聲分析的研 究很多 ，但幾乎都是關(guān)于腐蝕方面的研究，有關(guān)電化學(xué)傳感器的 報(bào)道僅是對研制過程中噪聲電流的描述⋯，有關(guān)信號調(diào)理電路的研 究多是針對電路設(shè)計(jì)的一般問題 沒有涉及到傳感器噪聲的特點(diǎn) 及濾除。本文即在分析了電位型電化學(xué)傳感器的噪聲特點(diǎn)，討淪了 多用表| 驗(yàn)電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計(jì)| 電力測量儀| 光度計(jì)| 電壓計(jì)| 電流計(jì)| 針對噪聲特征的硬件濾波電路及軟件濾波算法。

1 電位型電化學(xué)傳感器原理及特性 電位型電化學(xué)傳感器實(shí)質(zhì)是由電極和電解質(zhì)溶液組成的原電池 體系。構(gòu)成傳感器的兩個(gè)電極，—個(gè)是電極電位能指示被測離子活 度的測量電極，另—個(gè)是電極電位不受溶液影響的參比電極。將測 量電極和參比電極共同浸入待測溶液，通過測量原電池的電動(dòng)勢， 即可求得被測離子的活度。常見的電位型電化學(xué)傳感器包括PH、 ORP等，阻抗很高(在l Q～l Q之問)。 f 1《 圖3 傳感器的高額FFT波形圖 圖4 傳感器的低額FFT波形圖 圖2為電位型電化學(xué)傳感器代表性的波形圖，可以看出，輸出 的直流信號上疊加了很大的交流分量。從圖3高頻部分的FFT譜圖 得知，4．5 kHz的噪聲是—個(gè)特征頻率噪聲，其值可以達(dá)到有用直流 輸出信號的77％，對信號影響較大，且PH和ORP傳感器都含有此頻 率的噪聲。除了高頻噪聲之外，噪聲中也會耦合工頻干擾(如圖 4)和熱噪聲等。

3 電位型電化學(xué)傳感器的硬件及軟件濾波 目前的濾波技術(shù)中，有通過硬件電路來實(shí)現(xiàn)的濾波，還有通過 軟件算法來實(shí)現(xiàn)的數(shù)字濾波 ’。其中硬件濾波對高頻噪聲的濾波效 果比較好．對低頻噪聲的效果比較差，而數(shù)字濾波對低頻干擾可以 達(dá)到很好的濾波效果。特別是隨著智能儀表技術(shù)的發(fā)展，基于單片 機(jī)系統(tǒng)可以方便的濾除工頻干擾，而對高頻千擾的濾波算法較為復(fù) 雜。所以，針對傳感器的噪聲特點(diǎn)，應(yīng)采用硬件電路來實(shí)現(xiàn)高頻濾 波，軟件算法來實(shí)現(xiàn)低頻濾波。

3．1 二階有源濾波電路 二階有源濾波電路是一種簡單的比較常用的濾波方法。針對傳 感器的直流輸出信號，選取合適的濾波參數(shù)。就可以達(dá)到較好的濾 波效果。同時(shí)降低輸出阻抗，提高電路的帶載能力。 合理選取RC參數(shù)可以獲得較好的輸出信號。。根據(jù)傳感器的噪 聲特點(diǎn)，這里主要抑制45kHz及高于此頻率的噪聲。所以截至頻率 的選取可以針對此參數(shù)來設(shè)計(jì)。 一 圖5 二階有濼濾波電路 圖6經(jīng)過二階濾波后得波形圖 濾波后的圖像如圖6所示，從圖中可以明顯的看出，經(jīng)過濾波 后，能夠輸出比較平滑的信號，高頻噪聲得到了很好的抑制。 3．2 軟件濾波 軟件濾波就是通過特定的計(jì)算程序處理，降低噪聲信號在有用 信號中的比例。軟件濾波的穩(wěn)定性高，濾波器參數(shù)修改方便，因而 得到廣泛應(yīng)用。這里主要用來削弱工頻干擾的影響。 常用的軟件濾波方法有：①限幅濾波；② 中位置濾波；③平滑 濾波。平滑濾波還可以分成算術(shù)平均濾波、遞推平均濾波和加權(quán)移 動(dòng)平均濾波法，濾波方法需要根據(jù)噪聲信號的特點(diǎn)選擇。通過對噪 聲信 的分析，選擇了遞推平均濾波的方法。 首先在存儲器中開辟—個(gè)區(qū)域作為暫存隊(duì)列使用、隊(duì)列的長度 固定為N，每進(jìn)行一次新的測量，把測量結(jié)果放入隊(duì)尾，而扔掉原 來隊(duì)首的那個(gè)數(shù)據(jù)，這樣在隊(duì)列中始終有個(gè)“最新”的數(shù)據(jù)，這就 是遞推平均濾波法。遞推平均項(xiàng)數(shù)的選區(qū)是比較重要的環(huán)節(jié)，N選 得過大，平均效果好，但是對參數(shù)變化的反應(yīng)不靈敏；N選得過 小，濾波效果不顯著。經(jīng)過多次試驗(yàn)以及閱讀相關(guān)資料，N選取 64比較合理。 軟件濾波的子程序如下所示：分選較好的粉砂一中砂為主，常伴有季節(jié)性泥質(zhì)夾層，由于山前 間歇性洪水供給，使得河口壩邊緣形成泥質(zhì)披覆而構(gòu)成復(fù)合反粒 序，為典型的倒粒序沉積序列。具小型交錯(cuò)層理、平行層理，在較 細(xì)的粉砂質(zhì)泥巖中，可見滑動(dòng)作用或生物擾動(dòng)所形成的變形層理及 擾動(dòng)構(gòu)造。自然電位曲線呈漏斗——鐘形或呈指狀。 2．1．4 遠(yuǎn)砂壩沉積遠(yuǎn)砂壩主要發(fā)育在水下分流河道末端，地 形較平坦的地方，位于河口砂壩的側(cè)方或前方，緊I 前扇三角洲。 由于水下分流河道的水流速度減緩，攜帶的碎屑物質(zhì)快速沉積下 來，形成若 —F個(gè)舌狀砂體。巖性以粉砂巖、細(xì)砂巖為主，成熟度較 高；具典型浪成砂紋層理；縱向上表現(xiàn)為砂泥互層，反韻律粒序。 自然電位曲線呈漏斗狀或指狀。 2．1．5 碎屆流沉積碎屑流是含水的礫石級碎屑碰撞和朵基聯(lián) 合支撐的塊體流，主要分布于扇三角洲前緣，是洪流攜帶的碎屑物 以高密度流的形式注入而成。厚度一般變化較大，常夾于河口壩、 水下分流河道之問，具塊狀層理。那北l井獅子淘組扇三角洲前緣 碎屑流特征主要有：① 截然的底部沖刷面；② 以礫質(zhì)砂巖沉積為 主；③總體具有自下而上由粗變細(xì)的特征：④自然電位曲線多呈單 一的箱形、鐘形。 2．2 前扇三角洲 前扇三角洲位于扇三角洲前緣的前方，是扇三角洲沉積最厚的 地方。沉積物大部分是在波基面以下形成的，主要由暗色粘土和粉 砂質(zhì)粘土組成。可含有少量的細(xì)砂，富含生物化石，前三角洲沉積 分布較窄．與湖相暗色泥巖較難區(qū)分。那北l井獅子溝組前扇三角 洲沉積已進(jìn)入半深湖區(qū)，巖性為深灰色、灰黑色泥巖、夾薄層狀粉 砂巖及細(xì)砂巖．水平層理發(fā)育，常見粉砂質(zhì)透鏡體夾層。其中在前 扇三角洲泥以及在深湖暗色泥巖中也常發(fā)育碎屑流砂體。出于扇三 角洲前緣斜坡坡度較大，前緣砂體在重力作用下常直接進(jìn)入到前三 角洲泥中。因此可以進(jìn)一步將前扇三角洲劃分為前扇三角洲泥和碎 屑流沉積兩個(gè)徽相。自然電位曲線為低幅齒狀。 3 扇三角洲沉積層序 { - = ：。： 毓 蓉 ⋯ e 基 手 ； 哼 ．： H 刪l k 舾 ‘ 告 圣 囂 il l = ： l = 一 ● 二：： 焉，●● 《 I 二== } ¨{ l 1 f ； { 霹熹 圖2那北1井695-895mig積剖面圖 圖3那北1井l|o0一l3f 沉積剖面圖 (接95頁) I middleli-]]=middle[i】； l middle[63]=AdcSub0； for(i=1；i<=counter；i++) I sum=sum+middle[i-1]； l result-sum／counter； l return(result)； l

4 結(jié)論 討論了電位型電化學(xué)傳感器的高阻特性及其噪聲的特點(diǎn)，測 量并分析了PH、0 P等電位型電化學(xué)傳感器的噪聲信號，發(fā)現(xiàn)存 在45 kHz的高頻噪聲及工頻干擾，針對性地i殳計(jì)了RC有源濾波電 那北l井獅子淘組(N )頂界深度258．OOm， 底界深度 1573．OOm，視厚度1315』M}m，與下伏地層呈整合接觸。 巖性特征：上都(880m一258m 巖性較粗，以淺灰、灰色含 礫不等粒砂巖、雜色砂礫巖、小礫巖為主，灰色泥巖、粉砂質(zhì)泥 巖次之，夾少量灰黃色粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖(圖2)。中部 (1200m~880m)巖性較細(xì)，以灰色泥巖為主，淺灰，灰色粉砂 巖，泥質(zhì)粉砂巖，淺灰色含礫不等粒砂巖次之，夾少量灰黃，棕 紅，棕灰色泥巖及灰色粉砂質(zhì)泥巖。下部(1573m一12()0m)巖性 較粗，淺灰色泥質(zhì)粉砂巖，粉砂巖，含礫不等粒砂巖為主，灰 黃、棕紅色泥巖次之，夾少量灰、灰黃色粉砂質(zhì)泥巖，淺灰色細(xì) 砂巖等(圖3)。 電性特征： 自然伽瑪曲線上，砂巖一般在75API左有的中低 值，泥巖一般在IIOAPI的中高值，個(gè)別泥巖有200API以上的高 值，其中大多為高鈾層(53(1m一47o 芷150API~右，高值為 273．6API：706m~672m在300API左右，高值為715．8API)；自然 電位曲線多呈箱狀．異常幅度一般在30m一50mV之問。 綜上所述，那北l井獅子淘組發(fā)育一套進(jìn)積型扇三角洲，從 下向上呈現(xiàn)由粗變細(xì)，再由細(xì)變粗的完整沉積旋回。