0引言
当前市场上的矿泉水品牌繁多，但质量都存在很大差别。为定性区分不同品牌矿泉水和检测矿泉水的质量，近年来使用离子电极检测溶液的方法得到关注，文献［1］使用离子选择电极和单片机技术设计了一种电子系统，可以检测矿泉水与苹果汁，但文献中的检测电路的设计是基于两电极的，当液体变换较大时会使得测量误差增大，同时文献中并没有给出信号检测电路的性能参数。文献［2］使用专用的数据采集卡设计了智能电子舌，实现了对茶饮料的识别，但专用的数据采集卡成本比较高。根据电化学原理，对溶液的测量可以采用基于三电极的检测电路［3，4］。为保证电极工作的稳定性，要求工作电极和参比电极之间的电压要保持恒定，同时要保证参比电极上无电流，因此，设计恒压电路显得非常重要［5］。工作电极和辅助电极之间电流的大小反映了被测溶液中离子的含量，但此电流比较微弱，需要针对实际情况设计微弱电流的检测电路。为保证设计的电路能够满足测量要求，本文采用先进行仿真设计再进行实际实验的方案。常用的仿真软件有Multisim，Proteus，TINA等［6～9］。由于电路主要涉及到运算放大器的选取问题，TINA软件功能强大，可以提供多种仿真功能，具有仿真精度高的特点。TINA的仿真结果更与实际器件接近，因此，本文采用TINA仿真软件进行辅助设计。
1电路设计
总体设计框图如图1所示。使用三电极方法测量液体中金属离子的含量。工作电极(WE)是金属离子敏感电极，参比电极(ＲE)的作用是使得参比电极和工作电极之间的电压保持恒定，参比电极上没有电流。辅助电极(CE)和WE之间构成电流通路，该电流反映了待测溶液中离子的含量。为方便测量，将WE和ＲE之间的电流转换成电压，并进行相应的放大。最后为方便后续显示电路的设计，将输出电压的范围调整为0～5V的单极性电压。
1．1恒电位电路和I/V转换电路
被测溶液可以等效成电阻电容电路，电阻电容参数随着离子含量的不同而变化。由于本设计中采用的是直流信号，可以忽略电容，仿真时用电位器来模拟溶液，如图2中的P1。WE和CE之间有电流流过，电流大小随离子含量的多少而变化。ＲE和WE之间应保持恒定的电位，不随溶液中离子浓度变化。WE和CE之间的电流经电阻器Ｒ1转换成电压，即Ｒ1两端的电压变化放映了溶液中离子的浓度。由于工作电流是μA或mA级的，因此，设计电阻器Ｒ1选择10kΩ阻值。为保证ＲE和WE之间的电位为所给电位VS1的值，要求ＲE上不能有电流，为实现这一点，应选择高输入阻抗、低偏置电流的运算放大器。利用仿真软件TINA，第一组Num1，选择U1为LM324，U2为TL084，第二组Num2，选择U1为OPA333，U2为OPA703。针对这两组，分析随着P1阻值的变化，ＲE点电位是否恒定，分析结果见图3。接下来分析随着参考电位的变化，ＲE点电位是否恒定，仿真结果如图4。从图3可以看出:随着电位器P1阻值的变化，当电阻值逐渐减小时，第一组比第二组先出现VF1点电位(即ＲE点电位)不再恒定为1V的情况，即随着P1阻值的变化，第二组恒电位的性能优于第一组。图4给出了当参考电位VS1改变时，恒定电位VF1随之变化的情况。对于第一组，当参考电位VS1在－1．5～+1．5V之间变化时，ＲE点电位才是随之变化的;第二组当给定参考电位VS1在－3～+3V之间变化时，ＲE点电位都是随之变化的。从图4可知，第二组的性能优于第一组。综合溶液电阻变化和给定参考点变化两种情况，选择第二组运放作为本设计的运放，即图2中U1选OPA333，U2选OPA703。给定参考电位可以是－3～+3V之间的任意值。在图2中VS1是理想电源，在实现时要使用实际电源，为减小实际电源内阻的影响，设计电压跟随电路，将该部分用图5中的电路替代。考虑到图2的VS1与VF1之间的关系(图4)，VS1的值在－3～+3V之间变化，因此，设计电压跟随电路时选择普通运算放大器即可满足要求。图5电路的输入输出电压关系见图6，输入电压在－3．5～+3．5V之间变化时，输出反相跟随其变化，可以满足恒定电位电路中参考电压的要求。
1．2差动放大电路
图2中Ｒ1上的电压反映了被测液体中离子的浓度，该电压很微弱，需要进行放大测量，本系统采用差动放大电路，如图7所示。在差动放大电路部分，分别使用运放TL084，OPA333，OPA354进行TINA仿真，其仿真结果如图7中的U5～U8使用TL084时，当差动输入在－500～+500mV之间时，即传感器上的电流为50μA时，其输出几乎为0;使用OPA333时，仍然存在零交越失真;当采用OPA354时，不存在零交越失真。由于前一级Ｒ1(10kΩ)上的电压很微弱，因此，选择OPA354作差动放大部分，以保证微弱信号也能被检测到。1．3输出电压调整电路为方便后续智能模块对电压的测量，将双极性电压－5～+5V转换成单极性电压0～5V，其电路如图9所示，其电压转换关系如图10。图9电路中选择OPA333，这种运放是输入和输出均为轨到轨的，从图10可以看出在输入输出范围内其线性度良好，性能可以能够满足设计要求。
2整体实现
综合各部分的设计，根据图1的总体设计框图将各部分连接起来，如图11所示。不同品牌的矿泉水中各离子的含量不同，其pH值也不同。为识别矿泉水，本文设计检测矿泉水中的Na离子和pH值。电极均为上海雷磁牌，分别是701型pNa电极和E—201—C型pH电极、217型辅助电极和232型参比电极。综合前面的设计，制作实际电路板进行测试，测量Na离子使用Na离子电极作为工作电极，测量pH值更换工作电极为pH电极，测试结果见表1。从表1中可以看出，不同的矿泉水对应的pH值和Na离子含量均有明显不同，通过这些数据可以明显区分出不同品牌的水。
3结束语
本文借助TINA仿真软件，设计了矿泉水定性检测电路。设计的恒电位电路保证了工作电极和参比电极之间的电位恒定，工作电极和辅助电极之间的电流反映了待测量的大小，通过设计I/V转换电路和差动放大电路，将待测量转换为0～5V的电压值。实际实验也验证了该电路能够定性区别不同品牌的矿泉水。此外通过扩充传感器，本设统计经济论文计也可以用于检测其它液体饮料，如果汁、牛奶等，具有实际意义。
作者：乔继红 李特 单位：北京工商大学 计算机与信息工程学院
