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基于锁相放大技术的融雪剂溶液温度特性测试系统

2024-12-05 67 上传者：管理员

摘要：路面冰点温度是一个重要的路面气象参数。目前，对检测路面冰点温度所用融雪剂溶液的低温温度特性的了解尚存不足，影响了高精度路面冰点温度传感器的研制。为此，基于锁相放大技术，设计、制备了关于融雪剂溶液温度特性的自动测试系统。采用锁相放大器、交流电流源及两电极式溶液池构建了计算机控制的融雪剂溶液参数测试硬件系统。溶液温度采用研制的4线制高精度铂温度传感器Pt100检测。基于MATLAB实现上位机与锁相放大器以及温度传感器模块之间的通信。上位机还具有数据实时采集、滤波、保存与实时可视化绘图等功能。测试系统和测试结果将为低温路面冰点温度传感器的研制提供重要的数据支持与参考。

关键词：
Matlab
公路交通安全
温度特性
融雪剂溶液
锁相放大技术
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公路交通安全已经成为日趋关注的热点，在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》中提出实施公共基础设施安全加固和自然灾害防治能力提升工程。中国约60 %的高速公路在冬季存在凝冰积雪现象，约50 %的交通事故是由恶劣天气造成的，其中路面积雪结冰导致的事故占总量的35 %以上。为保障冬季道路的安全和畅通，必须及时清除路面冰雪。撒布融雪剂是常用的融雪除冰方式，其中，氯盐类如氯化钠(NaCl)和氯化钙(CaCl)融雪剂使用广泛，使用量占比超过90 %。融雪剂的使用在提高了融雪除冰效率的同时，也给工程构造物与周边环境造成严重破坏，如引起水泥路面的剥蚀和沥青路面的松散剥落，降低路面服务质量和使用寿命[1,2]。因此，在保证融雪除冰效果的同时，需要提升合理使用融雪剂的技术能力。这一技术问题已得到世界各国的日益重视。

路面冰点温度传感器作为安装在路面现场用以检测融雪剂溶液冰点温度的传感器可以为合理使用融雪剂提供重要参考。但对融雪剂溶液低温温度特性数据掌握的不足，影响了量程低至-40℃的高精度路面冰点温度传感器的研究。锁相放大技术在微弱信号信号检测、测试、传感系统等领域应用广泛，具有可靠性高、检测能力强等优点[3～5]。鉴于在检测中可采用交流信号作为激励信号，从原理上可以将锁相放大技术用于融雪剂溶液温度特性的检测中，于是提出并设计了基于锁相放大技术的测试硬件系统。同时由于温度特性测试耗时长，人工测试获得全面的测试数据异常困难，设计了一种融雪剂溶液低温温度特性自动测试系统。

1、实验测试系统

1.1锁相放大技术的基本原理

锁相放大技术是一种基于待测信号与参考信号具有频率强相关的一种互相关检测技术，其基本原理如图1所示。设待测信号Vin为

Vin=Asin(ωt+α) (1)

式中A为待测信号的幅值，ω为角频率，α为相位，t为时间。

参考信号Vref与待测信号Vin的频率相同，设为

Vref=Bsin(ωt+β) (2)

式中B为参考信号的幅值，β为其相位。

输入信号与参考信号相乘之后的信号Vout为

式中θ为输入信号与参考信号之间的相位差，θ=β-α。

图1锁相放大技术基本原理

当信号Vout通过一个低通滤波器后，角频率为2ω的信号可以被滤掉，最终剩下直流信号输出，如图1所示。该直流信号仅与2个信号的幅值以及相位差θ有关。由于通过调节低通滤波器的响应可很好地滤除掉其他频率的干扰信号，而参考信号Vref已知，从而可由所得到的直流信号表征得到待测信号Vin。

1.2测试系统的设计

1.2.1测试系统的硬件构成

1)溶液参数测量原理及溶液池

融雪剂溶液参数的测试可参考电导率传感器的原理。在原理上，电导率的测量有电极法、电磁感应法和超声波法等原理方法[6]。电极法因具有结构简单、制造使用方便、成本低、电极结构尺寸小以及测量精度高等优点而应用广泛。两电极式测量体系是测量溶液电导率常用的一种方式。融雪剂溶液参数的测试设计采用两电极式溶液池。

测量时，溶液中的电极与溶液表现为一个复杂的电化学系统。当电流通过电极和溶液时，除呈现电阻外，还呈现有电容。其中，电极表面形成双电层电容；电极附近溶液由于极化效应产生法拉第阻抗。使用交流激励信号可在很大程度上减小极化效应的影响，从而可以忽略法拉第阻抗。测量时溶液池中溶液的简化等效电路如图2所示，其中，Rx为待测溶液的等效电阻，Cx为双电层电容，Cp为引线分布电容。所设计制作的两电极溶液池以及嵌入的温度传感器如图3所示。电极的形状多式多样，有圆柱形电极、点电极、线电极、复合电极等多种样式[7],传统电极多为平板电极。而作为惰性材料的石墨具有良好的导热性、导电性、化学稳定性、温度稳定性和抗侵蚀能力，非常适合制作电导电极。根据路面冰点温度传感器的特点，设计采用石墨面盘电极。

图2待测溶液的简化等效电路

图3嵌有温度传感器的溶液池

2)溶液测温模块

为准确测量融雪剂溶液的温度，溶液池中还嵌入1个四线式Pt100温度传感器。标准铂电阻温度计作为准确度最高的一种测温传感器，具有输出信号大，灵敏度、准确度高，测温范围宽，稳定性好，不需要参考点，温度值可由测得电阻直接求出，输出线性度好等特点[8,9]。对于Pt100温度传感器而言，二线式配置最简单，但因引线电阻与温度传感器串联而无法补偿会增加误差，应用时需注意使引线很短以减小引线电阻对精度的影响。长导线时可使用三线式或四线式配置。三线式配置需要使用2个激励电流来补偿引线所导致的误差。而四线式的连接方式可以较好消除导线电阻引起的误差实现最佳性能[10]。为此，研制了四线式Pt100测温模块。Pt100温度传感器作为一种无源传感器，由测温模块为其提供恒流激励。模块设计使Pt100温度传感器工作于比例模式。在这种工作模式下，由恒流源的失配和漂移等因素所导致的测量误差较小，从而可放宽对电流源的要求[11,12]。测温模块采用Σ-Δ型高精度24位ADC将温度变化所致的模拟电压转换为数字信号。测温模块使用16位单片机读取ADC输出数据，计算电阻值并根据Callender-Van Dusen公式转换成温度值，同时将ADC输出值与计算的温度值从UART接口输出，输出方式为主动连续输出。

3)测试系统的整体构成

根据如图3所示溶液池的特点与融雪剂参数检测需要，设计的基于锁相放大技术的测试系统硬件架构如图4(a)所示。测试系统以锁相放大器SR830为核心，由交流电流源Keithley6211提供交流电流激励信号。SR830是一种正交数字锁相放大器[13,14],使用广泛。图4(b)中所示分别为锁相放大器SR830与交流电流源Keithley6211。

图4测试系统硬件系统

溶液参数的测量采用电流激励—电压检测的方式，两电极式溶液池与参考电阻Rf串联，如图4(a)中所示。在Keithley6221电流源输出的交流电流作用下，溶液池的端电压作为待测信号输入到锁相放大器的信号输入端；参考电阻Rf的端电压输入到锁相放大器作为外部参考信号。主控计算机远程控制锁相放大器，使其工作于外部参考信号模式并读取输出数据。使用GPIB-USB-HS接口卡连接主控计算机与锁相放大器，实现与锁相放大器之间的精确稳定快速的数据传输[15]。

测试系统主控计算机通过串口与测温模块通信以读取溶液温度数据。设计使用了USB转串口模块实现测温模块与主控计算机的连接。安装USB转串口模块的驱动后，测温模块即作为主控计算机的串口设备，通过上位机软件实现二者之间的串口通信。

1.2.2上位机软件设计

测试系统的上位机软件采用MATLAB设计。MATLAB程序语言简单易用，为研究人员提供了一个非常友好的工作平台和编程环境[16～18]。上位机主要功能有接口的配置，锁相放大器的控制，数据的读取，数据的解析、校验与滤波，保存数据，实时绘制并更新图形。

MATLAB对控制计算机与温度模块之间的串口通信配置比较简洁，包括串口对象的创建、串口通信属性的设置、打开串口、数据的读写操作、关闭串口等。串口配置代码如表1所示。MATLAB中的设备控制工具箱(Instrument Control Toolbox)模块提供对串口通信的支持，方便完成串口通信的配置。对串口数据的读取使用MATLAB语言的fread函数实现。

表1控制计算机与温度模块之间串口通信的配置示例

对于控制计算机与SR830之间的GPIB接口，需预安装GPIB-USB-HS接口卡的驱动程序。在MATLAB的仪器控制工具箱中识别到SR830上所连接的GPIB接口卡后，可利用MATLAB中的仪器控制工具箱生成GPIB接口配置代码。

主控计算机对SR830的配置、控制及数据读取使用锁相放大器SR830的符合IEEE 488.2标准的命令及MATLAB的fprintf函数共同实现。如，fprintf(sr,‘SNAP? 3,4,1,2’)使用了MATLAB函数fprintf将SNAP?命令发送给名称为SR的锁相放大器，以读取锁相放大器输出数据(其中3,4,1,2,分别对应SR830锁相放大器输出的同相分量、正交分量、幅值、相位)。配置SR830的部分例程如表2所示。

表2配置SR830的部分例程

上位机使用MATLAB函数xlswrite将所采集的温度数据以及对应的SR830输出数据保存到Excel文件。所采集到的数据还同时使用plot函数实时绘制溶液参数随温度的变化曲线，呈现可视化的测试数据，以清晰直观地掌握测试结果。上位机的主流程如图5所示。

图5上位机主流程

2、实验测试与结果

测试时由交流电流源Keithley 6211提供频率为1 kHz、幅值为0.1 mA的无偏置交流电流作为激励信号。为使待测溶液温度在期望的范围内变化，使用了精密低温恒温槽(天翎仪器，BD—7030)为融雪剂溶液提供低温环境。低温恒温槽中充满制冷剂，在溶液池内置入定量融雪剂溶液并密封后浸没于制冷剂液面以下。根据融雪剂溶液的理论冰点温度设置精密低温恒温槽的目标工作温度。待恒温槽内制冷剂降温达到设定温度并保持一定时间后再自然升温。低温恒温槽内的制冷剂容量大(30 L)、比热容大，在溶液槽内融雪剂溶液的温度达到设定低温值后的自然升温过程缓慢。可以认为，测试中相应采样时间点所对应的溶液池内融雪剂溶液的温度分布是均匀一致的。

图6所示为MATLAB上位机软件实时绘制的一个测试结果(质量百分比浓度为29 %的CaCl2溶液)。锁相放大器SR830的输出幅值电压与不同温度下溶液的电导率相对应，揭示了融雪剂溶液参数的温度特性。该特性曲线具有单调与非线性的特性，但分作两段可简化分析处理。其中处于低温的一段具有良好的线性特性且温度敏感性强，揭示出这一区域数据对研制路面冰点温度传感器具有尤为重要的价值。而温度稍高的另一段则具有较强的非线性、且温度敏感性较弱，这一段的特性通过拟合处理仍可以供传感器使用。

图6 MATLAB上位机软件所绘制并保存的实时测试曲线

3、结束语

根据研究路面冰点温度传感器的需要，基于锁相放大技术，利用MATLAB研制了融雪剂溶液温度特性自动测试系统。测试系统采用MATLAB开发上位机软件，缩短了开发周期，降低了开发难度，减少了开发投入。测试系统具有使用方便、数据可视化，功能强、开放性、通用性好，扩展性强，易于升级与维护的优点。利用该测试系统可获得多种浓度融雪剂溶液在低温区间尤其是0℃以下的温度特性。测试结果在技术上验证了锁相放大技术在溶液参数测试中的可行性，同时为路面冰点温度传感器的研制提供了坚实的数据支撑。

参考文献:

[1]王腾,郭德栋,周小鹏,等.道路融雪剂融冰能力试验方法的改进研究[J].中外公路,2020,40(2):4.

[2]李平,王梓晗,张洪刚,等.融雪剂融冰能力评价方法研究[J].公路交通科技,2023,40(11):85-95.

[3]李敏,韦铭远,刘俊.锁相放大器实验平台[J].实验技术与管理,2020,37(11):125-130.

[4]杜海伟,朱思源,龙江,等.锁相放大技术提取微弱信号的极限性能仿真与分析[J].现代电子技术,2023,46(3):52-56.

[5]郭忠凯,李永刚,于博丞,等.锁相放大器的研究进展[J].物理学报,2023,72(22):224206.

[6]郭峰,崔永俊,韩一德.基于电导率测量的水纯度检测系统设计[J].仪表技术与传感器,2021(4):75-79.

[7]周明军,尤佳,秦浩,等.电导率传感器发展概况[J].传感器与微系统,2010,29(4):9-11.

[8]侯晓伟,刘莉娜,吕阳,等.MEMS铂薄膜温度传感器的电阻温度系数研究[J].传感技术学报,2020,33(6):825-829.

[9]刘建生,杨超.基于Pt100铂电阻的液氮灌温度记录仪设计[J].实验室研究与探索,2021,40(12):88-91.

[10]张亚芳.基于四线制PT100的高精度温度采集系统[J].佳木斯大学学报(自然科学版),2023,41(2):162-165.

[11]廖旭辉,林定余,王尧君,等.基于Δ-Σ模数转换器比例消源式测温方法研究[J].电子设计工程,2021,29(2):1-5.