（信号与信息处理专业论文）基于c8051f020的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计.pdf

基于c 8 0 5 1f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 摘要 腐蚀给国民经济带来的巨大经济损失己经引起人们的重视，腐蚀防护成为现 代科学技术研究的重要领域之一。金属腐蚀速率和机理是研究腐蚀防护的主要内 容，腐蚀监测技术又是研究金属腐蚀速率和机理的重要手段。所以腐蚀监测技术 的重要性突出地显现出来。 恒电量技术是采用先进的电子技术，将已知量的电荷作为激励信号，在极短 的时间内对所研究的腐蚀体系进行扰动，而后记录极化电位随时间的衰减曲线， 经过分析处理得到多个电化学参数的一种测量技术。它有着快速、扰动小、无损 检测和结果定量等优点，而且通过拉普拉斯时一频变换技术从恒电量激励下衰减 信号的暂态响应曲线得到电极系统的阻抗频谱，可以实现实时在线测量，因此是 一种极具应用潜力的腐蚀监测方法 在测控系统中，基于数据采集卡的系统，一是板卡本身的价格高，二是采集 卡必须安装在计算机内，在现场监控应用中有局限性。本系统基于恒电量原理， 采用美国c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机为控制核心，组成了现场腐蚀监测系 统，采样过程不要p c 机控制。由于环境监控站点不集中，区域跨度大，现场挂片 人工取样的方式需要耗费大量的人力、时间等资源。并且无法动态连续的观察腐 蚀数据。为此本系统具有两个全双工串口，一个串口可方便地与计算机相连，另 一个串口与m o d e m 相连，应用标准外置式调制解调器，借助公用电话交换机网络， 不受地点的限制，迅速、安全地实现远距离数据通信。对弱信号的数字滤波采用 小波变换，取得了较理想的去躁效果。上位机监控软件由负责人机交互的主线程 和对串口处理的后台辅助线程组成。 本系统可自动完成选择电量，电量给定，数据采集，数据合理性判断，远程 控制，数据分析和计算，显示结果等。 关键词：腐蚀监测；恒电量；单片机；远程控制；小波变换；多线程 s t u die so nc o rr o sio nm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do n c 8 0 5 1f 0 2 0m c ua n dc o ulo s t a ticm e t h o d a b s t r a c t t h eh u g ee c o n o m i ci o l s sb e c a u s eo fc o r r o s i o nt ot h en a t i o n a le c o n o m yh a sb e e n c a u s e dp e o p l e sa t t e n t i o n ，a n dc o r r o s i o np r o t e c t i o nb e c o m e so n eo ft h ek e ya r e a so f m o d e ms c i e n c ea n dt e c h n o l o g yr e s e a r c h m e t a lc o r r o s i o nr a t ea n dm e c h a n i s mo f c o r r o s i o ni st h em a i nc o n t e n t so fc o r r o s i o np r o t e c t i o n 。a tt h es a m et i m ec o r r o s i o n s c i e n c ea n de n g i n e e r i n gh a v eb e n e 丘t e dt r e m e n d o u s l yf r o mt h ee x p l o s i o ni nt h eu s eo f e l e c t r o c h e m i c a lm e t h o d st h a tc a np r o b et h et h e r m o d y n a m i ca n dk i n e t i ca s p e c t so f c o r r o s i o n ，i n c l u d i n gt h er a t eo fc o r r o s i o n t h e r e f o r e ，t h ei m p o r t a n c eo fc o r r o s i o n d e t e c t i o nt e c h n o l o g yo b v i o u s l ye m e r g e s 皿ee o u l o s t a t i cm e t h o d ，b a s e d f a r a d a y sl a w ，e n a b l e s d e t e r m i n a t i o no f i n s t a n t a n e o u sp a r a m e t e r sf o ri n t e r f a c er e a c t i o n i n 也ec a s eo fac o u l o s t a t i c m e a s u r e m e n t , ap o t e n t i a lt r a n s i e n ti sr e c o r d e di n s t a n t l ya f t e rt h ei n p u t t i n go fas m a l l k n o w na m o u n to fe l l a r g e t h ea b s e n c eo fa n yf l o wo fc u r r e n tb e t w e e nt h ew o r k i n g a n dc o u n t e re l e c t r o d e sw h i l et h ep o t e n t i a li sr e c o r d e dm e a n st h a te l e c t r o l y t er e s i s t a n c e u s u a l l yd o e sn o ti n f l u e n c e 也er e s u l to fc o u l o s t a t i cm e a s u r e m e n t s t h ec o u l o s t a t i c m e t h o dh a sa d v a n t a g e ss u c ha sf a s t - m e a s u r e 、d i s t u r b a n c eo fs m a l l 、n o n - d e s t r c t i v e t e s t i n g 、q u a n t i t a t i v er e s u l t sa n ds oo n m o r e o v e rt h en e wa p p r o a c hb a s e do nl a p l a c e t r a n s f o mc a l lg i v er e a l t i m ea n a l y s i s n o wt h i st e c h n i q u eh a ss i n c eb e e na p p l i e dt o m o r ea n dm o r ec o m p l e xs y s t e m si nt h ee l e c t r o a n a l y s i s a n dc o r r o s i o ns c i e n c e t h em o n i t o r i n ga n dc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ed a t aa c q u i s i t i o nc a r dh a s w e a l n e s s o n es i d e ，t h ep r i c eo ft h ec a r di t s e l fi ss oh i g h ；i na d d i t i o nt h ec a r dm u s tb e i n s t a l l e d i nt h ec o m p u t e ra n dt h es y s t e md o e s n t s u i tf o rt h e f i e l dm o n i t o r i n g c o r r o s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nc 8 0 51 f 0 2 0m c ua n dc o u l o s t a t i cm e t h o d i si n t r o d u c e d ，p o l a r i z a t i o nc u r v ea n dc h e m i c a l k i n e t i cp a r a m e t e rw i l lb eo f f e r e db y t h es u b s y s t e mo fd a t at r a n s a c t i n ga n da n a l y z i n gi np c t os a t i s f y 也ea c t u a ln e e d si n t h em o n i t o r i n go fc o r r o s i o n ，t w 0t y p e so fc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nu p p e rm o n i t o r a n dm i c r o c o n t r o l l e r sa t ed e s i g n e d ，t h r o u g hr s 一2 3 2 cs e r i a lp a r to rm o d e m t h en e w s y s t e mb r a k e sa w a yf r o mt h er e s t r i c to fp c ia n dr e a l i z et e l e c o n t r 0 1 t h ew a v e l e t t r a n s f o r n li su s e dt ob et h ed i g i t a lf i l t e rf o rt h em o n i t o t i n gs y s ；t e ma n dw ca c h i e v e d b e t t e rr e s u l t st oi m p a t i e n t t h em o n i t o t i n gs o f t w a r ei np cc o n s i s t so ft h em a i nt h r e a d w h i c hi s r e s p o n s i b l ef o rh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ，a n dt h es e r i a lp r o c e s s i n g t r e a d t h e s y s y t e m c a n a u t o m a t i c a l l yc h o o s ee l e c t r i c i t y t o t h ep o w e r , d a t a a c q u i s i t i o n ，d a t ar a t i o n a li u d g e m e n t ，r e m o t ec o n t r o l ，d a t aa n a l y s i sa n dc a l u l a t i o na n d t h er e s u l t ss h o w k e y w o r d s ：c o r r o s i o nm o n i t o r i n g ：o o u i o s t a t i c ：c 8 0 5 1 f 0 2 0 ：r e m o t ec e n t r e i ： w a v eie tt r a n s f o r m 。i pm ulti t h r e a d l l 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 蓬! 垫遗查甚丝霞墓挂别直题的：奎拦亘窒或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：菰撅签字日期：历醇年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 葡、掘：鹣丰 导师签字：叹辫干 签字日期：历必年乡月ze l 签字日期：年月e t 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 0 前言 0 1 选题背景 随着现代化建设的飞速发展，金属制品的防腐处理越来越引起各方面的重 视。金属的腐蚀遍及国民经济各个领域，给国民经济带来了巨大的损失。腐蚀的 损害不仅仅限于金属的本身损失，它还能阻碍和破坏生产。据统计，我国每年由 于金属腐蚀造成的经济损失高达3 0 0 亿元以上，约占国民生产总值3 4 ，在发 达国家中每年腐蚀生锈的钢铁占年产量的1 5 2 0 。约有3 0 的设备因腐蚀而报 废。因此研究腐蚀发生的原因及其防护方法已成为国民经济中的一项十分迫切的 任务。 金属的腐蚀按机理分为两类：一类是化学腐蚀，例如：金属在有机液中的腐 蚀。另一类是电化学腐蚀。例如：金属结构在酸、碱、盐以及海水中的腐蚀。金 属腐蚀在绝大多数情况下为电化学腐蚀，因此电化学方法是腐蚀测量最有效的方 法之一。随着电子工业的发展，基于电化学原理的腐蚀测量技术发展迅速。电化 学方法测量腐蚀大部分都是对腐蚀金属电极进行极化，而后测定该电极对外加极 化的响应，可以较为迅速地得出金属在腐蚀介质中腐蚀速度的数据以及找出各种 因素的影响。随着腐蚀电化学研究的不断深入，要求不断发展适应腐蚀金属电极 特点的研究和测量方法，以期获得有关腐蚀金属电极上进行的复杂过程的更详细 的信息。 恒电量技术是采用先进的电子技术，将已知量的电荷作为激励信号，在极短 的时间内对所研究的腐蚀体系进行扰动，而后记录极化电位随时间的衰减曲线， 经过分析处理得到多个电化学参数的一种测量技术。恒电量技术具备快速测量、 结果定量以及一般不受溶液介质电阻的影响的诸多优点。利用这种测量技术可以 有效研究金属及表面涂覆层在酸性、中性等不同介质中的腐蚀行为，以期深入探 讨其腐蚀机理。同时研究成果可以在石油化工、动力、食品等行业的冷却设备得 到运用，以满足当前该领域的需求，这无疑是一种科研成果向实际应用的重要转 化，其社会效益是广泛的。 在实验室中有许多电化学测量仪器，为在实验室条件下研究腐蚀提供了有力 的测试手段。但是针对工业生产现场的实时监测而言，这些结构复杂的仪器确是 使用不便、维护困难，难以采用。 在工业发达国家的工业企业如石化企业中，腐蚀监测被认为是实现文明生产 的重要保证手段，由此开发出一批工业腐蚀监测仪。目前国外使用较多的有三类， 即电阻腐蚀探针、线性极化技术仪器以及超生波技术仪器。 电阻式腐蚀探针类型的仪器有英国n a l f o c 公司的产品及美国m a r g n a 仪器公 司生产的“c o r r o s o m e t e r 品牌的腐蚀仪，其中有的型号具有多通道自动测量功 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 能。这种仪器能在多种环境下使用，但它只适用于均匀腐蚀，特别是当有电导性 较大的沉积物在测量元件上生成时易得出错误的结论。而且这种仪器测试速度 慢，不能直接读出腐蚀速度，因此这种仪器的推广应用受到了限制。 线性极化技术是目前工厂腐蚀监测中应用最多的电化学技术。典型的商品仪 器有美国m a g n a 公司c o r r a t o r 系列，p e t r o l i e t 公司的p a i r - m e t e r 系列，英国 w a v e r l e y 电子有限公司的c m 4 7 1 型仪器，法国t a c u s s e le l e c t r o n i q u e 公司生产的 c o r r o v i t 这一类仪器具有快速、定时、灵敏方便等特点，并且能应用于连续自 动记录和现场监测，能获得瞬时的结果，因此它们在工业生产中获得广泛应用。 但是由于线性极化技术本身的局限性使得这类仪器只适用于电阻率小的场合和 均匀腐蚀的情况。在导电性差的介质中，由于溶液电阻极化的影响会导致结果有 较大的误差。在试样表面状态变化很大以及出现钝化膜等高阻表面时该技术就不 能适用。 超声波技术仪器主要用于检测设备或管道本身的裂纹或空洞等缺陷，也常用 于测壁厚，但其测量厚度的精度往往低于仪器精度。当被用于现场腐蚀测量时， 其测量精度及使用环境受到所使用耦合剂的限制( 耦合剂目前最高的使用温度 0 ，有意义。 即恒电量法应用的理论范围为：r p c d ( r s c o ，+ ) 图i - i 恒电量充放电的等效电路示意图 4 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 图中：c o ：i t 存有已知微量电荷的标准电容；r s ：溶液介质电阻；c d ：电极双 电层电容；r p ：电极极化电阻。显然，这与实验结果不一致。实验表明，即使在 r p 0 ，故大大地扩大了其应用范围。但 应注意的是，当( r p c d ) ( r s c o ) 之数值由大变小时，将使恒电量测量由一松 弛的暂态过程向稳态极化过程转化。因此，我们希望控制测试条件保持 r p c d y y r s c o ，以实现测量和分析处理的简单准确。 1 1 3 溶液介质电阻的影响及抑制方法【6 】 溶液介质电阻的增加将影响微量电荷q 瞬间引入电解池的时间，从而影响 测量过程。电荷瞬间引入电解池的方法有恒电荷脉冲和恒电流脉冲两种。恒电荷 脉冲技术是将贮存有已知微量电荷的“标准报告 电容，快速并联到电解池上， 将电荷传送给电解池，这种方法具有简便、可靠、抗干扰能力强等优点，故被广 泛采用，但该方法对电解池充电的速度取决于时间常数r s c o ，即r s 的增大将增 加充电时间，故溶液介质电阻将直接影响测量过程。严格地说，溶液介质电阻的 影响大小，取决于r p c d 与r s c o 两时间常数的比值。由方程式( i - i ) 可知，当 能保持r p c d r s c o 时，溶液介质电阻的影响可以忽略。 由于r s 取决于测量体系，故只有考虑减小c o 来减小时间常数r s c o 。为了保 持足够的极化电量，必须增加c o 上的电压( v o ( q = c o v o ) ) ，所以将采用优先选 用提高电压v o 、降低c o 值的方法，使电荷转送速度提高3 倍以上。 1 1 4 参数解析方法 对于线性等效电路模型的电位响应的求解，拉普拉斯变换【6 j 及其逆运算比常 微分方程组的求解更简捷。故对等效电路模型的处理均使用拉普拉斯变换及其逆 运算。 5 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 这里： rv o ，t 1 0 ( 测量开始后) v ( s ) = j 10 ，t r s c o 时，有 丝( s ) 一百面丽a q r 而p 、7 ( 1 + 尺，c 口s ) ( 1 + r p c d s ) 由( i - 6 ) 作拉斯变换逆运算可得 丝o ) 一卸志( e x p ( - t r p c d ) 一e x p n r c o ” 当r s 很小时，r s c o 可忽略时 a e ( t ) 一笋e x p ( 一f r p c d ) 等效电路模型2 图1 - 4 按照等效电路模型l 的分析处理方法进行求解 6 ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) ( i - 8 ) 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 丝( f ) 一吲币鲁函e x p ( - t l r t c l ) + 面而r 2 c x p ( - - t r 2 c 2 ) 一f 鱼 + 墨2 、r l c l r s c or 2 c 2 一r s c o ) e x p ( - t r ，c o ) 】 当溶液介质电阻r s 可以忽略时可简化为 丝p ) 一a q 击e x 小r 1 c 1 ) + 百1 e x p ( 。r 2 c 2 ) 等效电路模型3 图1 - 5 按照等效电路模型l 的分析处理方法可得 丝o ) 一丽a 。t 2 a e x 脚) + b e x p + c c x p 】 其中4 一等器 b 。r 1 + r 2 + r 1 r 2 c 2 s 2 p 2 一s 。) 2 - s ，) 墨兰塑堕& - b - 4 b 2 - - 4 a 1 孙2口 ( 1 - 9 ) ( 1 - 1 0 ) ，r + r + r 1 r 2 c 2 s 3 l 一一 p 。一s 。) 。- s 2 ) 一1 i 7 r c 、 a 。1 一1 r 2 u 2d 。0 k 1 c l + r 2 c 2 + r 2 c 1 ) 当溶液介质电阻r s 可以忽略时化简单为 施2 瓦若菱万似c x p - d + 曰e x p 0 2 f ” 其中小型斧肌一型警 s 1 、s 2 、a 、b 的意义同上。 等效申路模犁4 7 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 图1 - 6 丝m 去似e x p ) 柏e x p ) 其中s 。一二年s 2 一t - b - 、b 2 - 4 az口么4 ( 1 - 1 2 ) 4r2r1+r1lsl，b。一r2r1+r1ls2，口icil，6。三+r1c1r2，c。尺1+尺2s sss 1 一， 。 1 一， - 1 1 5 检测测试和数据采集合格与否的判据 为了获得准确可靠的实验数据，必须对极化幅值以及数据采集时间间隔进行 控制，以达到最佳测量条件因此，测试数据合格的判据的设定十分重要在第二 章2 4 2 节给出软件实现方法。 1 2 系统的结构设计 系统分两部分组成： ( 1 ) 单片机系统负责采集，数字滤波以及存储以及和上位机的通信。 ( 2 ) 上位机监控软件有v c + + 和m a t l a b 混合编程，实现和下位机的数据通信以及 数据的处理分析。 下位机数据采集模块 模拟量输 出模块 d a c l 用于控制标 准电容充电电位 d a c o 用于自然腐 蚀电位补偿 数据采集l l 开关量ll 通信模块 存储模块li 控制模块ll 羹鬻惜剐纂滕 采集并存储ii 电容充放| l 或者远程通信 ji 电i l 8 基于c _ _ 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 图1 7 前端数据采集点的基本功能模块 基本功能模块： 1 模拟量输出模块：d a c l 用于控制标准电容充电电位 d a c 0 用于自腐蚀电位补偿 2 数据采集模块：8 通道过电位采样 3 开关量控制模块：4 组标准电容的充放电控制。 4 通信模块 ：采样数据上传p c 机或者接收手动测量参数。 c 8 0 5 1 f 0 2 0 为主控单元，该系统直接利用c 8 0 5 1 f 0 2 0 已经封装的一个1 2 位的 l o o k s p s 的逐次逼近型a d c 进行8 通道数据采集。p 1 用来控制标准电容充放电。 p 0 端口用来中断和异步串行通信。 图1 - 8 上位机功能模块 上位机监控软件是远程系统中至关重要的部分，对接收到的数据进行整理贮 存，产生历史与实时数据的图形化显示和存档。借助m a t l a b 7 0 强大的数值计算 功能和库文件对采集的弱信号进行小波变换去噪，而后根据的不同的等效模型进 行非线性拟合，给出腐蚀参数。包括系统设置、数据浏览和文件存储、数据分析 和图形显示、以及帮助4 大部分组成。 9 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 2 c 8 0 5 1f 0 2 0 数据采集系统的系统组成 2 1 系统总体结构 l 电源模块 d e 接口的 【 p c 硬盘i o 冷 c 8 0 5 1 f 0 2 0 系统复位 台om c u 1 i 。“4 l p 断c f 8 蝴5 6 3 主控单元 v h 卜 p c 机 m 悯2 2 3 数据处理 i 恒电量模块 加 m 悯2 2 3 h - _ m o d e m t d a c 图2 - 1 ：单片机系统组成框图 整个系统主要由三部分组成，分别为前端数据采集模块、数据通信模块、海 量数据存储模块 7 ，引。系统结构如图2 - 1 所示。 前端信号采样模块主要包括两大部分：第l 部分包括高精度稳压电源、快 速开关、阻抗变换器、放大器、自然腐蚀电位补偿装置、标准电容等组成恒电 量扰动仪模块，主要完成恒电量扰动信号的产生和极化电位随时间衰减信号的输 出；第2 部分主要为c 8 0 5 1 f 0 2 0 内部a d 和d a 转换器等。主要完成对恒电量扰 动仪主机的控制和极化电位数据的采集与处理。 。 数据通信模块负责数据采集模块与主控计算机之间的数据传送。如果测量地 点为实验室，我们可以把每次测量的极化曲线所有的数据点，通过r s 2 3 2 串行总 线接口即时的上传到监控p c 机上。如果我们测量的对象为桥墩钢筋混凝土的腐蚀 行为，环境监控站点距离监控中心区域跨度大，仅仅依靠人工取样来实现动态连 续的观察腐蚀数据，是不现实的。为此本系统具有两个全双工串口，一个串口可 方便地与计算机相连，另一个串口与m o d e m 相连，应用标准外置式调制解调器， 借助公用电话交换机网络，不受地点的限制，迅速、安全地实现远距离数据通信。 数据存储单元，考虑到下位机负责放电曲线极化电压的采样，一次测量大概 是3 0 0 0 个点左右，占存储空间为2 0 k - - 一3 0 k ，我们的现场测量的地点与实验室距离 较远，希望下位机持续采样的时间能在两周左右，采集结束后上传p c 机进行数据 处理，因此海量数据的存储采取p c 系统的硬盘，容量大、接口智能化程度高、控 制方便。 1 0 基于c _ , 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 2 2 前段信号采样模块 2 2 1 测量电极等效模型以及实际体系分析 图2 - 2 金属电极等效电路 根据电化学原理【9 l o 川，金属电极可以等效为极化电r p 和双电层微分电容 c d 并联的电路。如图2 - 2 ，若把一己知很小电量aq 施加到电极上，迫使电极化， 其电位将偏离自然腐蚀电位由。产生过电位no ，若过电位no 小于5 m y ，即在线 性极化区可以认为r p 和c d 保持常数。若无其他漏电回路，提供给金属电极上的 电量仅被腐蚀反应消耗( 即通过r p 消耗掉) ，随后电极上的电位又会逐渐返回原 始的自然腐蚀电位由，。通过对获得的电极过电位衰减曲线加以分析和计算，可 以得到r p 和c d 。 图2 - 3 实体测量体系 对上面的实际测量体系起等效电路可用图2 - 4 表示 图2 - 4 实际测量体系的等效电路 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 图中： a - b ：表示研究电极的等效电路。 d - e ：表示辅助电极的等效电路。 r t ：表示辅助电极到参比电极间的溶液电阻。 r z ：表示研究电极到参比电极间的溶液电阻。 r s = r t + r 2 ：表示辅助电极到研究电极间的溶液电阻 如果辅助电极采用大面积铂材料，其双电层电容也较大，故能满足c d ( 辅) c d ( 研) ，因此在分析电路的扰动过程中e 、d 两点是短路的。往往在实际测量 中，辅助电极与研究电极材料相同，面积相同以及表面状态也大致相同，根据拉 氏变换以及逆运算得到解与采用铂材料基本相同。在数据分析处理过程中，电路 等效模型辅助电极与参比电极之间只考虑溶液电阻r 。 我们采样的数据为a 点与c 点即参比电极和研究电极之间的电压n ( t ) ，而 r t ( t ) 不是单一的指数衰减曲线，它即包含了参比电极与研究电极之间溶液电阻 降，有与时间常数r p c d 和r s c o 有关。r s c o 的影响及抑制方法在1 3 节已经讲 述。 f , 7 ( t ) d t 采用积分法求解：足+ r p 一坦( 2 - i ) 一 q 可以准确地求出r ，+ r 。，r ：是参比电极到研究电极表面之间的溶液电阻， 在实验中是未知量。可以人为的创造实验条件，使r ，尽可能地减少。比如可采 用鲁金毛细管作参比电极，并把鲁金毛细管尽可能靠近研究电极表面这样r ，大 大减小；或者把参比电极放在研究电极和辅助电极之外。在这种情况下，极化电 流主要通过研究电极和辅助电极形成回路，由于参比电极在回路之外，故极化电 流在参比电极上的压降可忽略不计。这样消除r ，的影响，可准确的计算得到极 化电阻r p 。其中 哗。f o a 衄e ( t ) e t ( 2 - 2 ) 而如果模拟电解池中或者实际测量体系中r ：o ，用( 2 - 2 ) 计算r 。，测量误差 大于5 ，不符合测量要求。 通过双运放回路提高标准电容的充电电压，而降低标准电容放电时间参数， 提高了极化电量向测量体系瞬间转移的速度，( 参照1 1 3 节) 即使在高溶液阻 抗体系中，也能完成电荷的瞬间转移，从而消除了研究电极和参比电极之间溶液 电阻的影响。 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 2 2 2 信号采样基本电路 ( 1 ) 双运放电路 图2 - 5 双运放电路 利用该运放回路，使用普通运放l f 3 5 6 n ，可以在不提高d a 输出信号电压和 仪器工作电源的基础上，使对标准电容的充电电压提高一倍以上。其中r 7 左端 与c 8 0 5 1 f 0 2 0 的d a c i 连接。正如1 1 3 节所述，为实现测量和分析处理的简便 准确，我们希望控制测试条件保持r p c d r s c o 。基于这个原因，在数据采集中， 需要对数据的有效性做判断，1 1 4 节己介绍。由于r s 取决于测量体系，对于 不同的体系，选用不同的标准电容。有四种选择，分别为6 6 0 0 n f 、2 2 0 n f 、2 2 n f 、 2 2 n f 其开关控制电路与单片机的p 1 1 、p 1 2 、p 1 3 、p 1 4 连接。控制端与与 晶体管基极连接，利用晶体管的数字开关功能来控制8 脚双刀双掷继电器。当控 制制端p 1 4 输出为0 ，继电器k 4 的1 和4 掷向2 和5 ，给标准电容c 4 ( 2 2 n f ) 充电，控制端p 1 4 输出为1 ，继电器k 4 的1 和4 掷向3 和6 。电容c 4 把预先存 贮的电量aq 通过溶液电阻施加到研究电极，研究电极上的电量通过极化电阻r p 逐渐消耗掉。c e l l 插接口连接电解池探头，其中1 与辅助电极( 图2 4 中e ) 相 连，2 与研究电极( 图2 4 中a ) 相连，3 与参比电极( 图2 4 中c ) 相连研究电极 接地。 ( 2 ) 标准电容电路 继电器k 5 由p 1 0 控制，p 1 o 为0 ，k 5 的1 ，4 点投掷向2 和5 ，为阳极极化， 反之为阴极极化。单片机通过d a c i 给出充电电位，经过双运放电路放大，给标 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 准电容充电。 图2 - 6标准电容电路 采样信号预处理流程： 图2 , - 7 采样信号预处理流程图 研究电极与参比电极之间的电压信号放大器放大后，一路送给加法器，一路 送到电压比较器，电压比较器用作判断输入电压极性，以供单片机补偿自然腐蚀 电位用采用内部a d c o ，参考电压为v p , e f ，因此a d 转换只能接受小于v r e f 的正 的模拟输入信号，如输入信号为负，a d 将把它作为o v 信号处理恒电量腐蚀监测 系统在做r p 测量时，激励信号电压幅值和极性都不相同，为了使a d 转换能接受 反向电压信号，在本系统加入了绝对值电路和限幅器，以实现正、反信号自动切 换，这样可保证输给a d 转换器的信号恒为正采用有单片机，a d 转换( 内置) ， d a 转换( 内置) ，加法器共同构成的自然腐蚀电位自动补偿电路。系统在软件 的支持下即可自动补偿腐蚀电位，又能充分发挥放大器和a d 转换器的功能，不 需增加很多硬件。 ( 3 ) 信号放大电路 1 4 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 用于信号放大的任何一个放大器，必须考虑其频率响应、噪声水平及输入阻 抗三个基本技术参数。这三个参数是保证所放大的信号清晰、真实的前提。在 实际测量时，应根据被测信号的性质选择合适的放大器。应选择低噪声、高输入 阻抗的放大器。金属研究电极是一种界面电极。其内阻一般可达1 0 6 - - 一1 0 sq ， 这样高的电阻将给系统带来测量误差。为了保证一定的测量精度，要求放大器具 有较高的输入阻抗。否则会破坏电极系统的平衡，引起电极严重极化。c a 3 1 4 0 e 是采用m o s f e t ( m e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o rf i e l d - e f f e c tt r a n s i s t o r ：金属 一氧化层一半导体一场效晶体管) ，m o s f e t 是电压控制型器件，它的偏置电流( 输 入漏电流) 很小，可达p a 数量级，因此其输入阻抗高达1 0 1 2q 以上。由三只 c a 3 1 4 0 e 组成的放大单元如图2 - 8 ： 图2 - 8 信号放大电路 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) d 匕3a 匕2 一l 一一( 1 + 詈收模 ( 2 5 ) 、 ( 4 ) 绝对值电路 将双极性信号转换为单极性信号，最简单的绝对值电路是二极管整流电路。 在普通的二极管整流电路中，由于二极管存在的死区电压，使得在小信号时误差 教大，为了提高精度，采用运算放大器和二极管共同组成精密绝对值电路，它利 用运算放大器的特点，把二极管接至放大器的反馈网路，以达到降低二极管的门 槛电压，改善小信号整流特性的目的。在加法器后加一级绝对值电路和限幅器， 楱 濮 峨= 、1 ， r 一墨 r 一日 + + o 0 1 2 1 2 一 + 楱 旗 喙 i i 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 可保证整个放大单元的输出单元为单极性并且小于v r e f ，以满足a d c o 的需要， 精密绝对值电路如图2 9 所示。 r 4 ( 5 ) 采样保持电路 图2 - 9 绝对值电路 图2 - 1 0l f 3 9 8 内部原理图 a d 转换器对模拟量进行量化过程，需要一些时间方能完成，在此转换期间 应保持所输入的模拟电压基本不变。否则会影响转换精度，因此对模拟信号变化 较快的系统采用采样保持器l f 3 9 8 对整个数据采集系统是至关重要的。采用保持 电容采用漏电较少的聚氟乙烯电容器。 由高精度稳压电源、快速开关、阻抗变换器、放大器、自然腐蚀电位补偿 装置、标准电容等组成的恒电量扰动仪模块，主要完成恒电量扰动信号的产生和 极化电位随时间衰减信号的输出，其电路原理图如下： 1 6 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 图2 - 1 1恒电量模块 2 3 单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 外围电路组成 2 3 1s o c 介绍 c 8 0 5 1 f 0 2 0 器件1 1 加j 是完全集成的混合信号系统级m c u 芯片，具有6 4 个数 字i o 引脚。 下面列出了一些主要特性： 0 高速、流水线结构的8 0 5 1 兼容的c i p - 5 1 内核( - - 达2 5 m i p s ) 口全速、非侵入式的在系统调试接口( 片内) 口真正1 2 位i 0 0k s p s 的8 通道a d c o ，带p g a 和模拟多路开关 口真正8 位5 0 0k s p s 的a d c i ( p 1 ) ，带p g a 和8 通道模拟多路开关 口 两个1 2 位d a c ，具有可编程数据更新方式 口6 4 k 字节可在系统编程的f l a s h 存储器 口4 3 5 2 ( 4 0 9 6 + 2 5 6 ) 字节的片内r a m 口 可寻址6 4 k 字节地址空间的外部数据存储器接口 口 硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和两个u a r t 串行接口 口5 个通用的1 6 位定时器 口 具有5 个捕捉比较模块的可编程计数器定时器阵列 口 片内看门狗定时器、v d d 监视器和温度传感器 具有片内v d d 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的c 8 0 5 1 f 0 2 0 是真正能独 立工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能禁止和配置。 1 7 基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的恒电量腐蚀监测系统的研究与设计 f l a s h 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现 场更新8 0 5 1 固件。 片内j t a g 调试电路允许使用安装在最终应用系统上的产品m c u 进行非侵入 式( 不占用片内资源) 、全速、在系统调试。该调试系统支持观察和修改存储器 和寄存器，支持断点、观察点、单步及运行和停机命令。在使用j t a g 调试时， 所有的模拟和数字外设都可全功能运行。 每个m c u 都可在工业温度范围( - 4 5 至u + 8 5 ) 内用2 7 v - 3 6 v 的电压工作。 端口i o 、r s t 和j t a g 引脚都容许5 v 的输入信号电压。 2 3 2a d c o 块