电位型电化学传感器噪声及滤波技术的研究

电位型电化学传感器噪声及滤波技术的研究

 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 多用表| 验电笔| 示波表| 电流表| 钩表| 测试器| 电力计| 电力测量仪| 光度计| 电压计| 电流计| 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l Q～l Q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，4．5 kHz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“最新”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，滤波效果不显著。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：分选较好的粉砂一中砂为主，常伴有季节性泥质夹层，由于山前 间歇性洪水供给，使得河口坝边缘形成泥质披覆而构成复合反粒 序，为典型的倒粒序沉积序列。具小型交错层理、平行层理，在较 细的粉砂质泥岩中，可见滑动作用或生物扰动所形成的变形层理及 扰动构造。自然电位曲线呈漏斗——钟形或呈指状。 2．1．4 远砂坝沉积远砂坝主要发育在水下分流河道末端，地 形较平坦的地方，位于河口砂坝的侧方或前方，紧I 前扇三角洲。 由于水下分流河道的水流速度减缓，携带的碎屑物质快速沉积下 来，形成若 —F个舌状砂体。岩性以粉砂岩、细砂岩为主，成熟度较 高；具典型浪成砂纹层理；纵向上表现为砂泥互层，反韵律粒序。 自然电位曲线呈漏斗状或指状。 2．1．5 碎届流沉积碎屑流是含水的砾石级碎屑碰撞和朵基联 合支撑的块体流，主要分布于扇三角洲前缘，是洪流携带的碎屑物 以高密度流的形式注入而成。厚度一般变化较大，常夹于河口坝、 水下分流河道之问，具块状层理。那北l井狮子淘组扇三角洲前缘 碎屑流特征主要有：① 截然的底部冲刷面；② 以砾质砂岩沉积为 主；③总体具有自下而上由粗变细的特征：④自然电位曲线多呈单 一的箱形、钟形。 2．2 前扇三角洲 前扇三角洲位于扇三角洲前缘的前方，是扇三角洲沉积最厚的 地方。沉积物大部分是在波基面以下形成的，主要由暗色粘土和粉 砂质粘土组成。可含有少量的细砂，富含生物化石，前三角洲沉积 分布较窄．与湖相暗色泥岩较难区分。那北l井狮子沟组前扇三角 洲沉积已进入半深湖区，岩性为深灰色、灰黑色泥岩、夹薄层状粉 砂岩及细砂岩．水平层理发育，常见粉砂质透镜体夹层。其中在前 扇三角洲泥以及在深湖暗色泥岩中也常发育碎屑流砂体。出于扇三 角洲前缘斜坡坡度较大，前缘砂体在重力作用下常直接进入到前三 角洲泥中。因此可以进一步将前扇三角洲划分为前扇三角洲泥和碎 屑流沉积两个徽相。自然电位曲线为低幅齿状。 3 扇三角洲沉积层序 { - = ：。： 毓 蓉 ⋯ e 基 手 ； 哼 ．： H 删l k 舾 ‘ 告 圣 嚣 il l = ： l = 一 ● 二：： 焉，●● 《 I 二== } ¨{ l 1 f ； { 霹熹 图2那北1井695-895mig积剖面图 图3那北1井l|o0一l3f 沉积剖面图 (接95页) 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 结论 讨论了电位型电化学传感器的高阻特性及其噪声的特点，测 量并分析了PH、0 P等电位型电化学传感器的噪声信号，发现存 在45 kHz的高频噪声及工频干扰，针对性地i殳计了RC有源滤波电 那北l井狮子淘组(N )顶界深度258．OOm， 底界深度 1573．OOm，视厚度1315』M}m，与下伏地层呈整合接触。 岩性特征：上都(880m一258m 岩性较粗，以浅灰、灰色含 砾不等粒砂岩、杂色砂砾岩、小砾岩为主，灰色泥岩、粉砂质泥 岩次之，夹少量灰黄色粉砂质泥岩、粉砂岩(图2)。中部 (1200m~880m)岩性较细，以灰色泥岩为主，浅灰，灰色粉砂 岩，泥质粉砂岩，浅灰色含砾不等粒砂岩次之，夹少量灰黄，棕 红，棕灰色泥岩及灰色粉砂质泥岩。下部(1573m一12()0m)岩性 较粗，浅灰色泥质粉砂岩，粉砂岩，含砾不等粒砂岩为主，灰 黄、棕红色泥岩次之，夹少量灰、灰黄色粉砂质泥岩，浅灰色细 砂岩等(图3)。 电性特征： 自然伽玛曲线上，砂岩一般在75API左有的中低 值，泥岩一般在IIOAPI的中高值，个别泥岩有200API以上的高 值，其中大多为高铀层(53(1m一47o 芷150API~右，高值为 273．6API：706m~672m在300API左右，高值为715．8API)；自然 电位曲线多呈箱状．异常幅度一般在30m一50mV之问。 综上所述，那北l井狮子淘组发育一套进积型扇三角洲，从 下向上呈现由粗变细，再由细变粗的完整沉积旋回。