溶液咸度的測(cè)量

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)溶液咸度的測(cè)量方法探索與分析題 目: The exploration and analysis of solution 英文題目： measurement method of solution salinity 本頁(yè)為“6畢業(yè)論文Abstract（1頁(yè)或2頁(yè)）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留，不影響打印。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)摘 要溶液咸度的測(cè)量在許多領(lǐng)域都于對(duì)量的需求，在食物中的測(cè)量顯得尤為重要，當(dāng)今時(shí)代，人們對(duì)于食物的要求不僅僅在僅限于量的滿足，更加注重食物的味道和健康程度，并且我們知道食鹽量對(duì)于人身體的健康

2、十分重要，于是，我選擇了本課題，決定使用AD5933實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液咸度的測(cè)量?；贏D5933的阻抗檢測(cè)原理和軟硬件實(shí)現(xiàn)，AD5933是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案，片上集成頻率發(fā)生器與12位、1MSPS的數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用阻抗測(cè)量芯片AD5933，以低功耗高性能處理器STC89C52單片機(jī)作為控制器，用頻率發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)激勵(lì)外部復(fù)阻抗，外部阻抗的響應(yīng)信號(hào)由片上ADC進(jìn)行采樣，然后由片上DSP進(jìn)行離散傅里葉變換（DFT）處理，處理后的信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)顯示，該儀器能夠?qū)崿F(xiàn)電阻、電容、電感阻抗快速、準(zhǔn)確地測(cè)量，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，阻抗幅值和相位測(cè)量的相對(duì)誤差較?。娮枳杩蛊骄顬?

3、.0411，相位平均偏差為0.152°），NaCl水溶液濃度與阻抗呈線性相關(guān)。關(guān)鍵詞：溶液咸度，NaCl，AD5933，阻抗，頻率The exploration and analysis ofmeasurement method of solution salinityAbstractThe measurement of the salinity of the solution is particularly important in many areas where the demand for quantity is measured in food. In today'

4、s times, the requirements for food are not only limited to the amount of food, but also the food taste and health, And we know that the amount of salt for the health of the human body is very important, so I chose this subject, decided to use AD5933 to achieve the measurement of the salinity of the

5、solution.Based on AD5933's impedance detection principle and hardware and software implementation, AD5933 is a high-precision impedance converter system solution, on-chip integrated frequency generator with 12-bit, 1MSPS digital-to-analog converter (ADC). The system design uses the impedance mea

6、surement chip AD5933, with low power consumption high performance processor STC89C52 microcontroller as a controller, with the frequency generator to stimulate the external complex impedance signal, the external impedance of the response signal from the on-chip ADC sampling, and then by the on-chip

7、DSP (DFT) processing, the processed signal transmission to the computer display, the instrument can achieve resistance, capacitance, inductance impedance fast and accurate measurement, the experiment proved that the impedance amplitude and phase measurement of the relative error compared to Small (r

8、esistance impedance average deviation of 0.0411, phase mean deviation of 0.152 °), NaCl aqueous solution concentration and impedance were linear correlation.Key Words：Solution salinity， NaCl， AD5933，impedance， frequency- III -本頁(yè)為“7畢業(yè)論文目錄（1頁(yè)或若干頁(yè)）”，點(diǎn)擊菜單“USTB本科論文各部分”中的本部分菜單進(jìn)行相應(yīng)操作。本提示信息為非打印信息，可一直保留

9、，不影響打印。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)目 錄摘 要IAbstractIII1 引 言12 文獻(xiàn)綜述42.1 實(shí)驗(yàn)室海水電導(dǎo)鹽度計(jì)的研制42.1.1 海水鹽度測(cè)量方法42.1.2 海水電導(dǎo)鹽度計(jì)開發(fā)52.2 含鹽油水混合物濃度測(cè)量方法的研究62.3 溫度校正的NaCl水溶液濃度超聲檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)72.4 電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)82.4.1 電導(dǎo)與電導(dǎo)率82.4.2 電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的機(jī)理92.4.3 影響溶液電導(dǎo)率大小的因素102.5本章小結(jié)103 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)123.1機(jī)械搭建123.2硬件設(shè)計(jì)153.2.1AD5933芯片介紹153.2.2阻抗計(jì)算與校準(zhǔn)173.3.3相角計(jì)算與校準(zhǔn)183.3AD5933評(píng)估軟件

10、介紹183.4軟件應(yīng)用233.5本章小結(jié)244 實(shí)驗(yàn)測(cè)量254.1實(shí)驗(yàn)一、氯化鈉離子濃度測(cè)量254.1.1NaCl溶液的制備254.1.2實(shí)驗(yàn)方法254.1.3純自來(lái)水的電極距離對(duì)阻抗大小影響的驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析264.1.4不同濃度NaCl阻抗測(cè)量結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析294.2實(shí)驗(yàn)二、離子的選擇性314.2.1溶液的制備324.2.2實(shí)驗(yàn)方法324.2.3測(cè)量結(jié)果以及數(shù)據(jù)分析334.3實(shí)驗(yàn)中遇到的問題以及解決方法344.4本章小結(jié)355非技術(shù)因素分析356結(jié) 論36參考文獻(xiàn)37- VI -*本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1 引 言現(xiàn)在人們的生活水平較過去一二十年普遍提高，人們?cè)缫巡辉僮非蟪燥柎┡?，在物質(zhì)上

11、和精神上都有了更高的追求，并且在飲食方面更加注重，注重食品的衛(wèi)生健康程度和食品的口感，也就是不僅僅使得吃的東西健康衛(wèi)生，而且也要達(dá)到美味的標(biāo)準(zhǔn)，滿足人們的味蕾需求，并且我們都知道要使得食物美味，那么必不可少的就是往食物里添加的食鹽，說(shuō)到食鹽，我們都知道食鹽的多與少直接決定該食物的可口程度，并且食鹽的攝入量也與我們身體健康密不可分，我們不能在一天中攝入過量的食鹽，也不可以長(zhǎng)時(shí)間不攝入或者很少攝入食鹽，由此可見，我們所吃的食物中的含鹽量不能被我們忽視，所以本課題將研究一種可以測(cè)量溶液鹽度的方法，進(jìn)而可以控制我們?cè)谝后w方面對(duì)食鹽的攝入量。為了能夠準(zhǔn)確快速測(cè)量溶液中離子濃度而得知溶液咸度，在研究前人對(duì)

12、于離子濃度的測(cè)量后發(fā)現(xiàn)并沒有一個(gè)非常準(zhǔn)確又快速測(cè)量NaCl溶液離子濃度的方法，根據(jù)學(xué)習(xí)了AD5933阻抗模擬分析儀，得知可以應(yīng)用于電化學(xué)分析、生物阻抗分析、阻抗頻譜分析、復(fù)阻抗測(cè)量、無(wú)損檢測(cè)、材料性能分析等等，于是選擇利用AD5933阻抗模擬分析儀對(duì)NaCl溶液阻抗進(jìn)行測(cè)量。阻抗是材料的基本特性之一，阻抗譜即通過測(cè)量阻抗隨頻率的變化，進(jìn)而分析電極過程動(dòng)力學(xué)、雙電層和擴(kuò)散等，研究電極材料、固體電解質(zhì)、導(dǎo)電高分子以及腐蝕防護(hù)等機(jī)理，它與材料的化學(xué)成分、物質(zhì)結(jié)構(gòu)，尺寸參數(shù)、電導(dǎo)率、電容率等參數(shù)有關(guān)。通常用于薄膜，陶瓷等研究，在工業(yè)領(lǐng)域有著很廣泛的應(yīng)用。液體阻抗譜測(cè)量是阻抗譜的一類，通常用于電池狀態(tài)監(jiān)

13、測(cè)、血液分析、發(fā)酵進(jìn)程檢測(cè)等領(lǐng)域。在實(shí)驗(yàn)過程中可以發(fā)現(xiàn)，隨著也同濃度的增加，隨著頻率變化而變化的阻抗曲線峰值在減小，從而根據(jù)曲線峰值的變化繪制溶液阻抗與溶液濃度的關(guān)系曲線，根據(jù)模擬的曲線模擬出曲線表達(dá)式，進(jìn)而間接實(shí)現(xiàn)對(duì)溶液濃度測(cè)量。目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有利用超聲波對(duì)NaCl溶液濃度的檢測(cè)、利用電導(dǎo)率和超聲波渡越時(shí)間對(duì)油鹽混合物濃度的測(cè)量、利用四電極的測(cè)量探頭對(duì)電導(dǎo)性溶液中低頻阻抗譜的測(cè)量以及利用平衡電橋的方式對(duì)海水電導(dǎo)鹽度計(jì)的研制開發(fā)。溫度校正的NaCl水溶液濃度超聲檢測(cè)裝置包括一對(duì)中心監(jiān)測(cè)頻率5MHz的壓電陶瓷超聲換能器、電脈沖發(fā)射接收機(jī)CTS-80787PR、恒溫水浴器、內(nèi)壁距離5mm的有機(jī)玻璃

14、測(cè)試池和采樣頻率為40MS/s的16位PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，利用超聲多重反射回波信號(hào)計(jì)算聲速提高了系統(tǒng)檢測(cè)精度，經(jīng)Labview開發(fā)的應(yīng)用程序采集超聲信號(hào)并分析計(jì)算聲速，建立多元線性回歸模型，測(cè)試驗(yàn)證樣本點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了食鹽溶液濃度的高精度檢測(cè)。油鹽混合物濃度測(cè)量系統(tǒng)包括電導(dǎo)率測(cè)試部分和超聲渡越時(shí)間測(cè)試部分和溫度控制單元，如下圖：四電極液體阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)采用HANNA的HI76302W四環(huán)電極系統(tǒng)，電極上的4個(gè)不銹鋼圓環(huán)沿同一軸心依次排列。測(cè)量系統(tǒng)由TI公司生產(chǎn)的F2812進(jìn)行各部分器件控制和阻抗計(jì)算，該DSP發(fā)送頻率字給DDS產(chǎn)生所需的正弦激勵(lì)波，獲取模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的值，將計(jì)算結(jié)果顯示在液晶屏LC

15、D上，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖：液體阻抗測(cè)量電路結(jié)構(gòu)示意圖電極式海水電導(dǎo)鹽度計(jì)以平衡電橋的方式測(cè)量海水的相對(duì)電導(dǎo)率，該鹽度計(jì)以SOPC技術(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字化方式設(shè)計(jì)測(cè)量電路，水路控制、水浴測(cè)溫、電磁攪拌等與電橋相關(guān)的部分同樣由數(shù)字量控制，通過Quartus 軟件開發(fā)鹽度計(jì)的硬件邏輯，鹽度計(jì)采用18個(gè)鍵操作，以及液晶漢化顯示和多級(jí)菜單顯示結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單、方便，人機(jī)界面友好。溶液咸度是飲食行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的重要指標(biāo)，在不少場(chǎng)合下對(duì)其自動(dòng)測(cè)試是必要的，在查閱大量文獻(xiàn)后得知，現(xiàn)階段已有對(duì)油鹽混合物濃度的測(cè)量方法、電極式海水電導(dǎo)鹽度計(jì)、數(shù)字式海水鹽度計(jì)、四電極液體阻抗譜測(cè)量系統(tǒng)，但是沒有一個(gè)非常快速簡(jiǎn)便而且準(zhǔn)確測(cè)量Na

16、Cl溶液濃度的方案，然而對(duì)于NaCl溶液濃度的測(cè)量十分有必要，于是決定了本課題的研究?jī)?nèi)容和方向。2 文獻(xiàn)綜述2.1 實(shí)驗(yàn)室海水電導(dǎo)鹽度計(jì)的研制海水中溶解有各種鹽分，海水鹽分的成因是一個(gè)復(fù)雜的問題，與地球的起源、海洋的形成及演變過程有關(guān)，主要成分（大量、常量元素）：指海水中濃度大于1×106mg/kg的成分。屬于此類的有陽(yáng)離子鈉離子，鉀離子，鈣離子，鎂離子和鍶離子五種，陰離子氯離子，硫酸根離子，碳酸氫根離子，碳酸根離子，溴離子，氟離子六種，還有以分子形式存在的H3BO3，其總和占海水鹽分的99.9%。海水鹽度是海洋水文中重要要素之一，精確測(cè)量海水鹽度，對(duì)海洋科學(xué)研究和國(guó)計(jì)民生都有重要作

17、用。該文介紹了國(guó)內(nèi)外鹽度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，全面分析、闡述了鹽度計(jì)的工作原理，特別分析了關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)難點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了鹽度計(jì)的整體方案、硬件電路和軟件功能的設(shè)計(jì)，最后介紹了鹽度計(jì)的試驗(yàn)情況2.1.1 海水鹽度測(cè)量方法該文介紹了測(cè)量海水鹽度的各種方法，大致分為兩類，分別是化學(xué)方法和物理方法。物理方法可分為比重法、折射法、電導(dǎo)法三種，化學(xué)方法為硝酸銀滴定法。（1）比重法指一個(gè)大氣壓下，單位體積海水的重量與同溫度同體積蒸餾水的重量之比。由于海水比重和海水密度密切相關(guān)，而海水密度又取決于溫度和鹽度，所以比重計(jì)的實(shí)質(zhì)是，從比重求密度，再根據(jù)密度、溫度推求鹽度。（2）折射率法通過測(cè)量水質(zhì)的折射率來(lái)確定鹽

18、度。海水折射率隨鹽度增大而增大，隨溫度升高而減小。表2-1 氯化鈉溶液（質(zhì)量濃度）與折射率的關(guān)系C NN1N2N3N4N5N平均5%1.34221.34211.34241.34271.34261.342410%1.35121.35081.35111.35091.35091.351015%1.36101.36131.36071.36091.36071.360920%1.37061.37091.37101.37071.37071.370825%1.37881.37891.37901.37951.37941.3792根據(jù)上表可以計(jì)算出經(jīng)驗(yàn)公式：氯化鈉n=1.3331+0.00185c（3）電導(dǎo)法利用

19、不同鹽度具有不同導(dǎo)電特性來(lái)確定海水鹽度。電導(dǎo)法測(cè)量鹽度時(shí)需要補(bǔ)償溫度和壓力對(duì)電導(dǎo)率的影響，采用電路自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臑楦袘?yīng)式鹽度計(jì)。采用恒溫控制設(shè)備，免除電路自動(dòng)補(bǔ)償?shù)柠}度計(jì)為電極式鹽度計(jì)。（4）硝酸銀滴定法其原理是，在氯離子比例恒定的前提下，采用硝酸銀溶液滴定，通過麥克伽萊表查出氯度，然后根據(jù)氯度和鹽度的線性關(guān)系，來(lái)確定水樣鹽度。此法是克紐森等人在1901年提出的，在當(dāng)時(shí)，不論從操作上，還是就其滴定結(jié)果的精確度來(lái)說(shuō)，都是令人滿意的。2.1.2 海水電導(dǎo)鹽度計(jì)開發(fā)電導(dǎo)率測(cè)量鹽度的方法具有精度高、速度快、便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，尤其1978 年實(shí)用鹽標(biāo)制定后，成為海水鹽度測(cè)量的主要手段。該文介紹一種非恒溫式

20、高精度海水鹽度測(cè)量技術(shù)，它以平衡電橋的方式測(cè)量海水的相對(duì)電導(dǎo)率，測(cè)量結(jié)果具有±0.003等效鹽度值的準(zhǔn)確度，分辨率為 105等效鹽度值，精密度優(yōu)于±0.001等效鹽度值，鹽度測(cè)量范圍為 242。鹽度計(jì)以SOPC技術(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)字化方式設(shè)計(jì)測(cè)量電路：電橋的激勵(lì)源由數(shù)字化方式產(chǎn)生，激勵(lì)源的波形、幅值和頻率等可由數(shù)字量控制；平衡電橋標(biāo)準(zhǔn)支路由3個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器組合實(shí)現(xiàn)，測(cè)量時(shí)以逐次逼近的方式調(diào)整電橋的平衡度；檢測(cè)電橋平衡度的高靈敏度數(shù)字檢流計(jì)同樣以數(shù)字化方式設(shè)計(jì)，它的增益由程序控制，將電橋的輸出電壓數(shù)字化，以軟件判斷電橋平衡度。水路控制、水浴測(cè)溫、電磁攪拌等與電橋相關(guān)的部分同樣由數(shù)

21、字量控制。該文通過QuartusII軟件開發(fā)鹽度計(jì)的硬件邏輯。使用SOPC Builder軟件生成Nios II軟核，將CPU、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器等成熟的IP核應(yīng)用到鹽度計(jì)設(shè)計(jì)中，同時(shí)使用硬件描述語(yǔ)言VHDL將底層驅(qū)動(dòng)邏輯設(shè)計(jì)為用戶IP核，如激勵(lì)源IP核、高靈敏度數(shù)字檢流計(jì)IP核、模擬測(cè)溫IP核、日歷時(shí)鐘IP核、數(shù)字測(cè)溫IP核、鍵盤IP核、液晶顯示IP核等。各種IP核的使用，減輕軟件方面的負(fù)擔(dān)，而且軟硬部分協(xié)同設(shè)計(jì)加快了開發(fā)的速度。將FPGA芯片、SDRAM和Flash芯片設(shè)計(jì)為核心板，方便硬件電路的升級(jí)。在電路系統(tǒng)中還應(yīng)用了模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換技術(shù)、電源管理和隔離技術(shù)、可編程增益放大技術(shù)、通訊

22、技術(shù)等。軟件程序主要包括操作系統(tǒng)移植、鍵盤程序、顯示程序、測(cè)量程序、通訊程序等部分，完成儀器狀態(tài)的監(jiān)控、工作模式選擇、系統(tǒng)功能設(shè)置、故障檢測(cè)、參數(shù)標(biāo)定、數(shù)據(jù)維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)通信、文件管理等功能。鹽度計(jì)采用18個(gè)鍵操作，以及液晶漢化顯示和多級(jí)菜單顯示結(jié)構(gòu)，操作簡(jiǎn)單、方便，人機(jī)界面友好。2.2 含鹽油水混合物濃度測(cè)量方法的研究首先，介紹了有關(guān)電導(dǎo)測(cè)試技術(shù)的基本知識(shí)，對(duì)電導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)所面臨的問題作了詳盡的分析，分析了超聲波在液體中傳播的特性以及溫度對(duì)超聲波聲速的影響。然后，測(cè)試實(shí)驗(yàn)利用蒸餾水、基礎(chǔ)油和氯化鈉三種物質(zhì)的乳化液模擬實(shí)際中的原油；利用四電極電導(dǎo)率測(cè)試電路和超聲波渡越時(shí)間測(cè)試電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶液電導(dǎo)率和

23、超聲波渡越時(shí)間的測(cè)量，并對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，利用線形最小二乘的方法對(duì)含鹽率和含油率的函數(shù)進(jìn)行擬合，對(duì)實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行了分析。最后，設(shè)計(jì)四電極電導(dǎo)率的改進(jìn)測(cè)試電路，測(cè)試電路模擬部分包括濾波電路以及驅(qū)動(dòng)電路；數(shù)字部分以單片機(jī)為核心，利用PID調(diào)節(jié)方法和DDS器件實(shí)現(xiàn)了測(cè)試激勵(lì)信號(hào)的變頻和調(diào)幅，利用相關(guān)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)。原油含鹽率測(cè)量方法目前，對(duì)原油含鹽率測(cè)量方法有很多，根據(jù)不同的測(cè)試手段可以分為四種(1)容量法 試樣在溶劑和破乳劑存在下，使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抽提器，用水進(jìn)行抽提，抽出液經(jīng)加硝酸煮沸脫出硫化后，再加異戊醇，用銀量法測(cè)其鹵化物。即將過量的硝酸銀加到抽出液中，剩余的硝酸

24、銀以硫酸鐵銨為指示劑，用硫氨酸鉀滴定，試驗(yàn)結(jié)果以氯化鈉表示。此分析費(fèi)時(shí)費(fèi)工，操作步驟多，含鹽量高時(shí)需要反復(fù)抽提。(2)微庫(kù)侖法 將原油用二甲苯稀釋并加熱，然后用醇水溶液抽提其中包含的鹽，離心分離后用注射器抽取適量抽提液，注入含一定量銀離子的乙酸電解液中，試樣中的氯離子即與銀離子發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)消耗的銀離子由發(fā)生電極補(bǔ)充。通過微庫(kù)侖儀測(cè)量銀離子消耗的電量，根據(jù)法拉第電解定律即可求得原油中的鹽含量。但測(cè)試時(shí)容易受到多種因素影響，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)的要求比較嚴(yán)格。(3)電導(dǎo)法 在溶液中各離子相對(duì)量不變的情況下，溶液的電導(dǎo)率與某種離子的濃度成正比。對(duì)原油試樣用蒸餾水萃取，測(cè)定萃取液的電導(dǎo)率，再由電導(dǎo)率確定氯鹽含

25、量。對(duì)于粘度大的原油，由于其導(dǎo)電性差極易污染電極，影響測(cè)量結(jié)果。(4)電位滴定法 在 pH=10 的條件下，由 EDTA 標(biāo)準(zhǔn)溶液絡(luò)合滴定鈣離子。由汞化的銀復(fù)合電極作指示電極，根據(jù)電位變化發(fā)生突躍來(lái)確定滴定終點(diǎn)。電解池的滴定效率直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，而電極質(zhì)量是決定滴定效率的重要的因素，所以電極質(zhì)量直接影響滴定效率和測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此要密切注意電極質(zhì)量的變化。2.3 溫度校正的NaCl水溶液濃度超聲檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)為了提高NaCl水溶液濃度超聲在線檢測(cè)精度，該文設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，利用該裝置對(duì)NaCl水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行了測(cè)定。試驗(yàn)裝置包括一對(duì)中心頻率5MHz的壓電陶瓷超聲換能器、電脈沖發(fā)射接

26、收器 CTS-80787PR、恒溫水浴器、內(nèi)壁距離 5 mm 的有機(jī)玻璃測(cè)試池和采樣頻率為 40 MS/s的16位PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，裝置的聲速測(cè)誤差小于 1 m/s，有效保證了NaCl水溶液濃度測(cè)量精度。在1030°C梯度為2.5°C的溫度范圍內(nèi)以及010 g/100g梯度為0.5g/100g的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍內(nèi)，配置了標(biāo)準(zhǔn)NaCl水溶液。開發(fā)LABVIEW應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、分析、建模和驗(yàn)證。經(jīng)殘差分析去除異常樣本點(diǎn)和t檢驗(yàn)后得到質(zhì)量分?jǐn)?shù)的普通多元線性回歸模型，模型的校正決定系數(shù)Rcal2達(dá)0.9992，校正標(biāo)準(zhǔn)差RMSEC（root mean square erro

27、r of calibration）為0.0894g/100g。驗(yàn)證決定系數(shù)Rval2達(dá)0.9988，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差RMSEP（root mean squareerror of validation）為0.1015 g/100 g，相對(duì)預(yù)測(cè)性能 RPD（ratio performance deviation）為28.57，最大預(yù)測(cè)誤差小于 0.25 g/100 g，提高了檢測(cè)精度。以上數(shù)據(jù)表明模型具有較高的預(yù)測(cè)精度和穩(wěn)定性，為食鹽水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的超聲高精度在線檢測(cè)提供參考。2.4 電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)2.4.1 電導(dǎo)與電導(dǎo)率雖然金屬導(dǎo)電與電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電有本質(zhì)的區(qū)別，但從外觀看兩者十分相似，特別是采用交

28、流電源時(shí)，溶液的導(dǎo)電問題也可采用歐姆定律處理。當(dāng)電流通過導(dǎo)體時(shí)，都會(huì)受到阻力的作用，稱為電阻，用符號(hào)表示為R，關(guān)系式為R=lA式中 l導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度(cm)；A導(dǎo)體的有效橫截面積(cm2)； 電阻率(*cm)，是導(dǎo)體的一個(gè)電特性參數(shù)。上述關(guān)系適用于任一種導(dǎo)體，不過對(duì)于第二類導(dǎo)體(常為電解質(zhì)溶液)，通常用電導(dǎo)和電導(dǎo)率來(lái)表示這個(gè)阻力的大小。原因在于：第一類導(dǎo)體的電阻溫度系數(shù)是正的，即溫度升高，電阻率就增大，反之則減小。而第二類導(dǎo)體的溫度系數(shù)是負(fù)的，即溫度升高，電阻率減小，反之則增大。若采用電阻的倒數(shù)即電導(dǎo)來(lái)表征，則第二類導(dǎo)體的溫度系數(shù)亦為正。這樣，在實(shí)際運(yùn)用中就比較方便。由此，電導(dǎo)的表達(dá)式為：G=

29、1R=1Al=Al=1K式中 G溶液的電導(dǎo)，單位為西門子(S)；A導(dǎo)體的有效橫截面積(cm2)；電導(dǎo)率，單位為每厘米西門子（*cm）-1或 S/cm；K電導(dǎo)池常數(shù)(cm-1)，它是電導(dǎo)電極兩極片之間的距離l與極片面積A 之比。電導(dǎo)率越高，溶液的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。如圖2-1所示 圖2-1 電解溶液電導(dǎo)2.4.2 電解質(zhì)溶液導(dǎo)電的機(jī)理由電化學(xué)知識(shí)可知，對(duì)電導(dǎo)電極施加直流電，將在陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，這就是法拉第過程。這時(shí)產(chǎn)生了電解產(chǎn)物，并且由電極與溶液構(gòu)成電勢(shì)與外加電勢(shì)相反的原電池，從而使電極間的電流減小，等效溶液電阻增加，產(chǎn)生化學(xué)極化效應(yīng)。同時(shí)在電解過程中，與電極接近處溶液的離子

30、濃度很快減少，由于從溶液中供給離子的速率比因電子交換而失去的離子的速率小，因而電極與溶液的接觸面之間失去平衡狀態(tài)，這也是一種極化效應(yīng)，稱為濃差極化。以下介紹雙電層形成，通過雙電層可以更好的理解極化效應(yīng)以及電容效應(yīng)。當(dāng)浸沒在電解質(zhì)溶液內(nèi)的電極兩端有電位差時(shí)，電流的瞬間波動(dòng)可能在電極表面產(chǎn)生過量或不足的負(fù)電荷。同時(shí)，由于離子是可移動(dòng)的，緊靠電極的溶液層獲得相反的電荷。這種效應(yīng)如圖 2-2 所示。帶電層由兩部分組成：緊密內(nèi)層：其上電位隨電極表面的距離增大而線性的減??；分散層：其上電位的減少呈指數(shù)關(guān)系；緊密內(nèi)層和分散層的交界面稱為外亥姆霍茲平面。這種不均勻的電荷集合稱為雙電層。 圖2-2 電極表面的雙

31、電層宏觀上，對(duì)于直流電來(lái)說(shuō)，雙電層在形成時(shí)需要有瞬時(shí)電流通過，電極上若無(wú)電化學(xué)反應(yīng)，這個(gè)瞬時(shí)電流很快下降為0，產(chǎn)生電極的極化；對(duì)于交流電，每個(gè)周期內(nèi)電荷關(guān)系都將發(fā)生一次顛倒，引起了一系列的電容效應(yīng)。電極表面交替吸引正負(fù)離子，離子主要在平衡位置處往復(fù)振動(dòng)，電能主要消耗在這種離子振動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱上。這時(shí)每個(gè)電極表面都可以看作有一個(gè)電容在起作用，該電容稱為雙電層電容，數(shù)量級(jí)常達(dá)幾十到幾百F/cm2。同時(shí)在兩個(gè)電極之間由于電荷的互相遷移以及電荷對(duì)電極的遷移形成電解質(zhì)電容。2.4.3 影響溶液電導(dǎo)率大小的因素電解質(zhì)溶液在外加電場(chǎng)的作用下，其電流的大小是由外加電壓的溶液導(dǎo)電能力決定的。而溶液的導(dǎo)電能力與

32、下列因素有關(guān)：(1)與電解質(zhì)的種類有關(guān)，不同電解質(zhì)溶液電導(dǎo)率的不同是由于各種離子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)的速度不同而造成的。離子所帶電荷越多，受外加電場(chǎng)作用就越大，其運(yùn)動(dòng)速度就越快，導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。強(qiáng)電解質(zhì)的電導(dǎo)率往往大于弱電解質(zhì)的電導(dǎo)率。因?yàn)閺?qiáng)電解質(zhì)在較稀的濃度范圍內(nèi) 100%電離，而弱電解質(zhì)卻只有很少一部分電離，所以兩種電解質(zhì)溶液，盡管濃度相同，但由于有效離子濃度不同，導(dǎo)電能力完全不同。(2)與溶液濃度有關(guān)，在低濃度范圍內(nèi)，電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率與濃度之間具有線性關(guān)系。隨著溶液濃度的增加，有效離子濃度也增加，電導(dǎo)率也就越高，離子遷移速度就越大，但當(dāng)濃度大到一定程度后，由于離子間相互吸引、碰撞機(jī)會(huì)增加，

33、離子有效濃度反而下降，導(dǎo)電能力也反而降低。對(duì)于電離度不大的弱電解質(zhì)來(lái)說(shuō)，由于受平衡條件的約束，單位體積內(nèi)能導(dǎo)電的離子數(shù)目并不明顯隨濃度的增加而增加，其電導(dǎo)率也就幾乎不隨濃度的變化而變化。(3)與溶液的溫度有關(guān)，如前所述，對(duì)于第二類導(dǎo)體，其電導(dǎo)的溫度系數(shù)是正的。溶液溫度升高時(shí)，溶液的導(dǎo)電能力增大。電導(dǎo)率與溫度之間的關(guān)系表示為Kt=Kt01+1(t-t0)+ 2(t-t0)2式中 Ktt 溫度下溶液的電導(dǎo)率； Kt0t 0 溫度下溶液的電導(dǎo)率；1,2溶液電導(dǎo)的溫度系數(shù)(%/)；要求不高時(shí)，可舍去高次項(xiàng)得Kt=Kt01+1(t-t0)從上述情況了解到，溶液的電導(dǎo)率是隨著電解質(zhì)的種類、離子的濃度、以及

34、溫度的不同而不同。由此，我們可以通過測(cè)量溶液的電導(dǎo)以表征該溶液的物理、化學(xué)性質(zhì)，借以判斷系統(tǒng)所處的狀態(tài)。前兩種因素是電導(dǎo)測(cè)量方法的檢測(cè)機(jī)理，后者則是設(shè)計(jì)制造儀器時(shí)，人為考慮加以消除的因素。2.5本章小結(jié)學(xué)習(xí)了大量文獻(xiàn)后，得知，現(xiàn)階段在國(guó)內(nèi)外有著許多對(duì)于離子濃度測(cè)量的方法，對(duì)于本課題有研究?jī)r(jià)值的文獻(xiàn)中，了解到溶液鹽度的方法分別有：比重法、折射率法、微庫(kù)侖法、電導(dǎo)法、電位滴定法。比重法指一個(gè)大氣壓下，單位體積海水的重量與同溫度同體積蒸餾水的重量之比。折射率法通過測(cè)量水質(zhì)的折射率來(lái)確定鹽度。溶液折射率隨鹽度增大而增大，隨溫度升高而減小。容量法試樣在溶劑和破乳劑存在下，使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抽提器，用水進(jìn)行抽

35、提，抽出液經(jīng)加硝酸煮沸脫出硫化后，再加異戊醇，用銀量法測(cè)其鹵化物。即將過量的硝酸銀加到抽出液中，剩余的硝酸銀以硫酸鐵銨為指示劑，用硫氨酸鉀滴定，試驗(yàn)結(jié)果以氯化鈉表示。微庫(kù)侖法將原油用二甲苯稀釋并加熱，然后用醇水溶液抽提其中包含的鹽，離心分離后用注射器抽取適量抽提液，注入含一定量銀離子的乙酸電解液中，試樣中的氯離子即與銀離子發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)消耗的銀離子由發(fā)生電極補(bǔ)充。通過微庫(kù)侖儀測(cè)量銀離子消耗的電量，根據(jù)法拉第電解定律即可求得原油中的鹽含量。電導(dǎo)法在溶液中各離子相對(duì)量不變的情況下，溶液的電導(dǎo)率與某種離子的濃度成正比。測(cè)量溶液電導(dǎo)率即可得知溶液濃度。電位滴定法在 pH=10 的條件下，由EDTA標(biāo)準(zhǔn)

36、溶液絡(luò)合滴定鈣離子。由汞化的銀復(fù)合電極作指示電極，根據(jù)電位變化發(fā)生突躍來(lái)確定滴定終點(diǎn)。電解池的滴定效率直接影響到測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度，而電極質(zhì)量是決定滴定效率的重要的因素，所以電極質(zhì)量直接影響滴定效率和測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此要密切注意電極質(zhì)量的變化。3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)該電路電源部分采用5VUSB供電，在AD5933的RFB和VIN之間接入標(biāo)定電阻，VIN和VOUT之間接入待測(cè)電阻。通過上位機(jī)發(fā)送頻率掃描命令開始對(duì)溶液施加指定范圍頻率測(cè)出相應(yīng)頻率下的阻抗值，由于每次試驗(yàn)的濃度一定，則濃度和阻抗形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，由此可以測(cè)得一定范圍內(nèi)溶液濃度。結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示： 樣品容器 AD5933 電腦 圖3-

37、1整體結(jié)構(gòu)圖3.1機(jī)械搭建整體機(jī)械實(shí)驗(yàn)裝置如下圖：圖3-2整體實(shí)物圖圖3-3整體實(shí)物圖（1） 實(shí)驗(yàn)容器圖3-4實(shí)驗(yàn)容器利用簡(jiǎn)易塑料水杯搭建實(shí)驗(yàn)容器，塑料容器可以很好地避免外界的干擾，保證實(shí)驗(yàn)環(huán)境的穩(wěn)定，在容器中放置刻度尺，杯中刻度尺保證每次實(shí)驗(yàn)溶液體積值固定不變，減少了因溶液體積變化帶來(lái)的誤差。（2） 電極固定裝置圖3-5電極固定裝置為了便于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，利用刻度尺制作的電極固定裝置，在刻度尺上分別在4cm、7cm、11cm、12cm處鉆有合適大小的孔，以便電極在合適的位置固定，并且根據(jù)此裝置能夠方便驗(yàn)證在離子溶液中電極距離的不同導(dǎo)致測(cè)量的阻抗值不同。（3） 電極圖3-6電極利用螺絲釘制作簡(jiǎn)易電

38、極，將漆包線纏繞于電極上方以傳輸信號(hào)。（4） AD5933阻抗模擬分析儀圖3-7AD5933將連接電極的漆包線的另一端連接在電路板的輸入口（T7、T8），數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)線傳輸至電腦進(jìn)行處理。3.2硬件設(shè)計(jì)3.2.1AD5933芯片介紹采用AD5933單片機(jī)作為核心處理器，AD5933是一款高精度的阻抗轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)解決方案，片上集成一個(gè)頻率發(fā)生器和一個(gè)12位、1MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。用頻率發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)激勵(lì)外部復(fù)阻抗，外部阻抗的響應(yīng)信號(hào)由片上ADC進(jìn)行采樣，然后由片上DSP進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)處理。DFT算法在每個(gè)頻率上返回一個(gè)實(shí)部I數(shù)據(jù)字和一個(gè)虛部(I)數(shù)據(jù)字。校準(zhǔn)后，使用以下

39、兩個(gè)公式很容易算出各掃描頻率點(diǎn)的阻抗幅度和相應(yīng)的阻抗相位：幅度=R2+I2，相位=Tan -1(I/R)。圖3-8功能框圖發(fā)射級(jí)的激勵(lì)信號(hào)是利用DDS技術(shù)在片內(nèi)提供，該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)Sub-Hz分辨率。接收級(jí)接收來(lái)自未知阻抗的輸入信號(hào)電流，執(zhí)行信號(hào)處理，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。DDS所用的時(shí)鐘由用戶在MCLK上提供的外部參考時(shí)鐘產(chǎn)生，或者由內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生。DDS時(shí)鐘由控制寄存器中的位D3的狀態(tài)決定。3、 發(fā)射級(jí)：AD5933的發(fā)射級(jí)包括一個(gè)27位相位累加器DDS內(nèi)核，它以特定的頻率提供輸出激勵(lì)信號(hào)。頻率掃描可以用三個(gè)參數(shù)充分說(shuō)明：起始頻率、頻率增量、增量數(shù)。起始頻率：一個(gè)24位字，編程寫入片上R

40、AM的寄存器地址0x82、寄存器地址0x83和寄存器地址0x84.。根據(jù)主時(shí)鐘頻率和所需的DDS起始頻率輸出，可以利用如下公式計(jì)算：起始頻率碼=（所需輸出起始頻率（MCLK4）*227。頻率增量：一個(gè)24位字，編程寫入片上RAM的寄存器地址0x85、寄存器地址0x86和寄存器地址0x87。.根據(jù)主時(shí)鐘頻率和所需的DDS起始頻率輸出，可以利用如下公式計(jì)算：頻率增量碼=（所需頻率增量（MCLK4）*227。增量數(shù)：這是一個(gè)9位的控制字，表示掃描中的頻率點(diǎn)數(shù)。該數(shù)編程寫入片上RAM的寄存器地址0x88和寄存器地址0x89，可以變成最大點(diǎn)數(shù)為511。寫入這三個(gè)參數(shù)值之后，就可以向控制寄存器發(fā)出啟動(dòng)頻率

41、掃描命令以啟動(dòng)掃描。2、接收級(jí)：接收級(jí)由電流電壓放大器、可編程增益放大器（PGA）、抗混疊濾波器和ADC組成。原理圖如下所示。未知阻抗連接在VOUT和VIN引腳之間，未知阻抗上產(chǎn)生的信號(hào)電流流入VIN引腳，并在電流電壓轉(zhuǎn)換器的輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓信號(hào)。PGA允許用戶將電流電壓放大器的輸出放大1倍或5倍，該信號(hào)通過低通濾波后，出現(xiàn)在12位、1MSPS ADC的輸入端。圖3-9接收級(jí)ADC輸出的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)直接被送至AD5933的DSP內(nèi)核，以對(duì)采樣數(shù)據(jù)執(zhí)行DFT處理。DFT操作：針對(duì)掃描中的每一個(gè)頻率點(diǎn)，器件都會(huì)計(jì)算一個(gè)DFT。AD5933的DFT算法表示如下：X（f）=n-01023（x（n）（co

42、sn-jsin（n）其中：X(f)是信號(hào)在頻率點(diǎn)f的能量。 x(n)是ADC輸出。 cos(n)和sin(n)是DDS內(nèi)核提供的頻率點(diǎn)f的采樣測(cè)試矢量。 每個(gè)頻率點(diǎn)的1024個(gè)樣本的乘積值累加，結(jié)果存儲(chǔ)在兩個(gè)16位寄存器中，分別代表結(jié)果的實(shí)部和虛部。3.2.2阻抗計(jì)算與校準(zhǔn)阻抗計(jì)算：首先進(jìn)行幅值計(jì)算，每個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗計(jì)算必須計(jì)算該點(diǎn)的DFT幅度，DFT幅度計(jì)算公式為：幅度=R2+I2，其中：R是寄存器地址0x94和寄存器地址0x95中存儲(chǔ)的實(shí)數(shù)；I是寄存器地址0x96和寄存器地址0x97中存儲(chǔ)的虛數(shù)。將幅度值轉(zhuǎn)換為阻抗值，還要乘以校準(zhǔn)系數(shù)也稱為增益系數(shù)，某頻率點(diǎn)的測(cè)量阻抗計(jì)算如下：阻抗=1增益

43、系數(shù)*幅度對(duì)于不同的測(cè)量頻率點(diǎn)，增益系數(shù)是不同的，所以在不同的頻率點(diǎn)上要分別計(jì)算增益系數(shù)。此外測(cè)量過程中可以通過標(biāo)定電阻的測(cè)量范圍來(lái)優(yōu)化測(cè)量性能。理論上測(cè)量范圍標(biāo)定得越小，測(cè)量結(jié)果越準(zhǔn)確。下表給出了4個(gè)不同的電阻范圍標(biāo)定作為參考。表3-1電阻范圍標(biāo)定測(cè)量范圍/k標(biāo)定電阻/k0.1-10.11-10110-10001001000-900010003.3.3相角計(jì)算與校準(zhǔn)首先對(duì)標(biāo)定電阻進(jìn)行測(cè)量，得到標(biāo)定電阻的相角P=arctan（I/R）。待測(cè)電阻的實(shí)際相角等于測(cè)量值減去標(biāo)定電阻的相角值。測(cè)量時(shí)得到的相角范圍在-90°+90°之間，要根據(jù)實(shí)部值R和虛部值I所確定的象限把相角變換

44、到所在的象限內(nèi)。若R<0，I>0，則說(shuō)明在第二象限內(nèi)，所以計(jì)算時(shí)要把相角加上180°；同理，若R<0，I<0，則在第2象限內(nèi)，所以計(jì)算時(shí)要把相角減去180°。如下表為相位角度表：表3-2相位角度表3.3AD5933評(píng)估軟件介紹安裝AD5933圖形用戶界面軟件。在評(píng)估軟件正確安裝之前，不能將USB電纜從AD5933評(píng)估板連接到計(jì)算機(jī)USB集線器。使用評(píng)估板中提供的USB電纜將計(jì)算機(jī)USB端口連接到評(píng)估板，并在評(píng)估軟件安裝正確后運(yùn)行USB硬件安裝向?qū)Вㄓ布惭b可能會(huì)根據(jù)當(dāng)前的操作系統(tǒng)設(shè)置自動(dòng)進(jìn)行）。確保在整個(gè)評(píng)估板中進(jìn)行適當(dāng)?shù)逆溄印?在打開和運(yùn)行評(píng)估軟件

45、程序之前，妥善啟動(dòng)評(píng)估板。整體界面截圖：圖3-10整體界面（1） 掃描參數(shù)設(shè)置如下圖所示為掃描參數(shù)設(shè)置區(qū)域，在此區(qū)域中，我們可以設(shè)置起始頻率（赫茲）、頻率增量*（赫茲）、增量數(shù)、周期和時(shí)鐘頻率，一般情況周期為15，時(shí)鐘頻率為16000000HZ，在此區(qū)域中，很方便的能夠設(shè)置我們想要測(cè)量的頻率范圍，例如，將起始頻率設(shè)置為300HZ，頻率增量為30HZ，增量數(shù)設(shè)置為100，則我們可以測(cè)量范圍為300HZ到3300HZ的阻抗幅度。 圖3-11（2） 系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置如下圖所示區(qū)域?yàn)橄到y(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置區(qū)，一般使用外部時(shí)鐘，則選擇External clock項(xiàng)圖3-12（3） 輸出激勵(lì)電壓范圍如下圖所示為輸出激勵(lì)

46、電壓范圍選擇區(qū)域，一般將引腳6（VOUT）處的AD5933的輸出激勵(lì)電壓范圍設(shè)置為2 V p-p。 可用的四個(gè)可能的輸出范圍通常為2 V p-p，1 V p-p，0.4 V p-p和0.2 V p-p。 圖3-13（4） 增益選擇在PGA控制部分中，選擇增益=×1選項(xiàng)來(lái)設(shè)置接收臺(tái)上的增益。圖3-14（5） 校準(zhǔn)阻抗選擇如下圖所示為校準(zhǔn)阻抗選擇區(qū)，若選擇純電阻作為校準(zhǔn)阻抗，則應(yīng)選擇Resistor only R1，若選擇電容作為校準(zhǔn)阻抗，則應(yīng)選擇Capacitor only C1，若選擇電阻電容串聯(lián)作為校準(zhǔn)阻抗，則應(yīng)選擇Resistor in series with Capacitor

47、 R1+C1，若選擇電阻電容并聯(lián)作為校準(zhǔn)阻抗，則應(yīng)選擇Resistor in parallel with capacitor R1C1，若選擇復(fù)雜電路作為校準(zhǔn)阻抗，則應(yīng)選擇Complex Circuit(R1C1)+R2。選擇完畢后，填寫相應(yīng)的校準(zhǔn)阻抗值。圖3-15（6） 程序設(shè)備寄存器按鍵單擊程序設(shè)備寄存器，將上述掃描參數(shù)編程到AD5933的相應(yīng)板載寄存器中。圖3-16（7） 掃描時(shí)間設(shè)置如下圖所示可以設(shè)置掃描時(shí)間為1倍，2倍或4倍，一般情況下選擇1倍即X1（Default）圖3-17（8）校準(zhǔn)增益因子評(píng)估軟件可以評(píng)估單個(gè)中點(diǎn)頻率增益因子或多點(diǎn)頻率增益因子（即編程掃描中每個(gè)點(diǎn)的增益因子），中

48、點(diǎn)增益因子在編程掃描的中點(diǎn)確定，在編程的頻率掃描中的每個(gè)點(diǎn)確定多點(diǎn)增益因子。 單擊計(jì)算增益系數(shù)后，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算隨后掃描的增益系數(shù)，隨后，將返回給評(píng)估軟件的增益因子用于掃描正在測(cè)試的阻抗。圖3-18（9）開始掃描鍵單擊Start Sweep鍵開始掃描，一旦評(píng)估軟件完成掃描，它將自動(dòng)返回一個(gè)阻抗與頻率的曲線圖以及被測(cè)阻抗的相位與頻率的關(guān)系曲線，如下圖。圖3-19圖3-20（10）下載數(shù)據(jù)文件單擊Download Impedance Data鍵就可以下載曲線范圍的關(guān)于頻率、阻抗、相位、虛部、實(shí)部、幅度值的Excel文件到指定位置。圖3-213.4軟件應(yīng)用AD5933評(píng)估軟件可以發(fā)送指令，能實(shí)現(xiàn)串口

49、通信，來(lái)傳輸阻抗數(shù)據(jù)文件，頻率掃描流程如下：將頻率掃描參數(shù)編程寫入相應(yīng)寄存器（1）起始頻率寄存器（2）增量數(shù)寄存器（3）頻率增量寄存器（）將AD5933置于待機(jī)模式復(fù)位：向控制寄存器發(fā)出復(fù)位命令，器件便進(jìn)入待機(jī)模式向控制寄存器發(fā)出以起始頻率初始化命令經(jīng)過足夠的建立時(shí)間后，向控制寄存器發(fā)出啟動(dòng)頻率掃描命令輪詢狀態(tài)寄存器，檢查DFT轉(zhuǎn)換是否完成向控制寄存器發(fā)出遞增頻率或重復(fù)頻率命令讀取實(shí)值和虛值寄存器輪詢狀態(tài)寄存器，檢查頻率掃描是否完成將AD5933置于省電模式3.5本章小結(jié)在本章節(jié)中，利用塑料水杯當(dāng)做實(shí)驗(yàn)容器，螺絲釘作為電極，刻度尺作為固定電極裝置，AD5933作為核心器件，搭建了實(shí)驗(yàn)裝置，簡(jiǎn)易

50、的裝置體現(xiàn)了艱苦樸素的作風(fēng)和精神，在實(shí)驗(yàn)條件允許的情況下盡可能的完善實(shí)驗(yàn)，采用AD5933單片機(jī)作為核心處理器，用頻率發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)激勵(lì)外部復(fù)阻抗，外部阻抗的響應(yīng)信號(hào)由片上ADC進(jìn)行采樣，然后由片上DSP進(jìn)行離散傅里葉變換(DFT)處理。數(shù)據(jù)傳輸至電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，生成數(shù)據(jù)曲線。4 實(shí)驗(yàn)測(cè)量4.1實(shí)驗(yàn)一、氯化鈉離子濃度測(cè)量中文名氯化鈉英文名Sodiumchloride別稱食鹽化學(xué)式NaCl分子量58.44，外觀是白色晶體狀，其來(lái)源主要是在海水中，是食鹽的主要成分。熔點(diǎn)801，沸點(diǎn)1465，水溶性易溶于水、甘油，微溶于乙醇、液氨；不溶于濃鹽酸，水中溶解度35.9g（室溫），密度2.165g

51、/cm3外觀白色晶體，閃點(diǎn)1413，應(yīng)用礦石冶煉，制造調(diào)味品，醫(yī)學(xué)上用來(lái)靜脈注射，工業(yè)制取氯氣或純堿安全性描述。在空氣中微有潮解性。穩(wěn)定性比較好。氯化鈉溶液為無(wú)色的澄明液體，味微咸，其藥理毒理如下：氯化鈉是一種電解質(zhì)補(bǔ)充藥物。鈉和氯是機(jī)體重要的電解質(zhì)，主要存在于細(xì)胞外液，對(duì)維持正常的血液和細(xì)胞外液的容量和滲透壓起著非常重要的作用。正常血清鈉濃度為135145mmol/L，占血漿陽(yáng)離子的92%，總滲透壓的90%，故血漿鈉量對(duì)滲透壓起著決定性作用。正常血清氯濃度為98106mmol/L，人體中鈉、氯離子主要通過下丘腦、垂體后葉和腎臟進(jìn)行調(diào)節(jié)，維持體液容量和滲透壓的穩(wěn)定。4.1.1NaCl溶液的制備

52、為了減小實(shí)驗(yàn)誤差、方便實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行以及數(shù)據(jù)處理的簡(jiǎn)單，利用高精度電子秤量取溶質(zhì)質(zhì)量，我采取每次加入氯化鈉質(zhì)量約為0.45g，利用量筒量取水的體積為450ml即水的質(zhì)量保持為450g不變，然后將水倒入事先準(zhǔn)備好的實(shí)驗(yàn)容器，在完成實(shí)驗(yàn)器材連接后，逐次加入溶質(zhì)，每次質(zhì)量為0.45g，加入溶質(zhì)后，使用攪棒對(duì)溶液充分?jǐn)噭?dòng)，使得溶質(zhì)完全溶于水中并且使溶質(zhì)均勻分布在溶液中。4.1.2實(shí)驗(yàn)方法首先，完成實(shí)驗(yàn)裝置的連接，用USB接口為AD5933供電以及傳輸數(shù)據(jù)，將兩個(gè)電極分別利用漆包線連接在VIN端和VOUT端，再將電極通過電極固定裝置在合適的位置插入溶液以待實(shí)驗(yàn)測(cè)量，基礎(chǔ)裝置連接好后，打開上位機(jī)軟件，設(shè)置合理

53、的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，將起始頻率設(shè)置為300HZ，頻率增量為30HZ，增量數(shù)設(shè)置為100，一般情況周期為15，時(shí)鐘頻率為16000000HZ，系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置選擇外部時(shí)鐘即External clock，輸出激勵(lì)電壓范圍選擇Range1:2vp-p，增益選擇為1倍增益，校準(zhǔn)阻抗由于我們只有純電阻作為校準(zhǔn)阻抗，所以選擇Resistor only R1，掃描時(shí)間設(shè)置選擇1倍即X1（Default），校準(zhǔn)增益因子選擇單個(gè)中點(diǎn)頻率增益因子。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置完成后，單擊程序設(shè)備寄存器（Program Device Register），將上述掃描參數(shù)編程到AD5933的相應(yīng)板載寄存器中，然后單擊計(jì)算增益系數(shù)（Calculat

54、e Gain Factor）后，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算隨后掃描的增益系數(shù)，隨后，將返回給評(píng)估軟件的增益因子用于掃描正在測(cè)試的阻抗，最后，單擊Start Sweep鍵開始掃描，一旦評(píng)估軟件完成掃描，它將自動(dòng)返回一個(gè)阻抗與頻率的曲線圖以及被測(cè)阻抗的相位與頻率的關(guān)系曲線。單擊Download Impedance Data鍵就可以下載曲線范圍的關(guān)于頻率、阻抗、相位、虛部、實(shí)部、幅度值的Excel文件到指定位置。為了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置連接的正確，檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)是否良好，采取的方法如下：在未加氯化鈉溶質(zhì)的情況下利用實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)純自來(lái)水進(jìn)行阻抗分析測(cè)量，實(shí)驗(yàn)采取多次測(cè)量減小實(shí)驗(yàn)誤差的方法，對(duì)兩個(gè)電極之間的距離作為實(shí)驗(yàn)的測(cè)量變量，第一次電極的距離為7cm，第二次電極的距離為1cm，分別記錄兩組多次測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。接下來(lái)，保持電極距離不變?yōu)?cm，溶液質(zhì)量為450g，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫的情況下，逐次加入固定質(zhì)量0.45g的溶質(zhì)氯化鈉，并且記錄實(shí)驗(yàn)順序，即第一次實(shí)驗(yàn)溶質(zhì)質(zhì)量為0.45g（溶液濃度為0.1%），第二次試驗(yàn)溶質(zhì)質(zhì)量0.9g（溶液濃度為0.2%），第三次實(shí)驗(yàn)溶質(zhì)質(zhì)量為1.35g（溶液濃度為0.3%），以此類推。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)嘗試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)起始頻率為3