一種多電極陣列腐蝕微電流檢測方法*

王選擇，王科，洪潭，周向東

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院，武漢 430068； 2.湖北省現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點實驗室，武漢 430068)

0 引 言

在絕大多數(shù)情況下，金屬腐蝕是一種電化學(xué)過程，即金屬溶解釋放出電子(陽極反應(yīng))，其它環(huán)境介質(zhì)如氧氣接收電子(陰極反應(yīng))。這種陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)在金屬表面的不同位置同時發(fā)生，通過金屬自身這一良導(dǎo)體交換電子[1]。隨著該電子交換過程在整個金屬表面持續(xù)地進(jìn)行，一旦有足夠大的面積變成陽極，腐蝕就會集中在該區(qū)域形成。采用電子方法[2]，即通過測量電子的流動來探測金屬腐蝕比其它方法更加靈敏和有效，但是由于電子的流動發(fā)生在金屬內(nèi)部，在實際中無法直接探測和測量。

多電極陣列傳感器[3]由一束相互絕緣的金屬元件組成，形成一個電極陣列。每個電極元件通過傳感器裝置的電子線路將探頭的各個電極元件連接起來。在此方式下，與被測金屬的腐蝕過程一樣，在電極元件處可以形成陽極區(qū)(腐蝕)和陰極區(qū)。通過測量各耦合電極元件之間的電流并對其進(jìn)行相應(yīng)的信號處理，可以準(zhǔn)確地探測出被測金屬的腐蝕情況。

陣列電極的特點[4]是通過測量每個微小電極的電化學(xué)信號，從而獲得電化學(xué)參數(shù)分布情況，進(jìn)而研究金屬材料表面腐蝕的電化學(xué)非均勻性。陣列電極技術(shù)已經(jīng)成為研究腐蝕電化學(xué)的重要手段[5]。目前，對于單個電偶腐蝕電流的測量，能夠達(dá)到較高的測量精度[6]，但不適合陣列腐蝕電流的測量。

陣列腐蝕電流的測量的難點在于:(1)是如何消除非理想運算放大器條件偏置電流與失調(diào)電壓的影響下，構(gòu)造零內(nèi)阻的電流轉(zhuǎn)電壓電路；(2)是如何實現(xiàn)多陣列腐蝕電流的的集成化測量；(3)是要求有較高的測量精度，受外界干擾噪聲的影響小，信噪比高、誤差小。

為此，本文結(jié)合STM32單片機技術(shù)[7]，設(shè)計了一種基于電子切換實時比對測量的方法。在選用偏置電流極小的運算放大器的基礎(chǔ)上，通過自動調(diào)壓、開關(guān)懸空與接地的切換方式，消除其失調(diào)電壓的影響；應(yīng)用開關(guān)分別接地與腐蝕電極的切換方式，消除低頻電流噪聲的干擾，提高各陣列微電流的測量精度。

1 測量系統(tǒng)總體思路

測量系統(tǒng)總體框圖如圖1,陣列腐蝕電極通過電阻接地的方式連通在一起，形成正常的金屬腐蝕過程。在電位條件滿足的情況下，通過多路電子模擬開關(guān)，腐蝕電流被引入到電流轉(zhuǎn)電壓傳感處理電路中，微小的腐蝕電流轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢苑直娴碾娢恍盘枺偻ㄟ^單片機的AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，進(jìn)行測量顯示。

圖1 陣列腐蝕電流測量總體框圖

2 無失調(diào)電壓影響的電流轉(zhuǎn)電位傳感處理電路的設(shè)計

2.1 陣列腐蝕電流的分析

如圖1所示的腐蝕陣列電極，通過R1～Rn電阻接地的方式，把腐蝕陣列探頭的各個電極元件連接起來，其中電阻不宜太大，選為100 Ω。在此方式下，陣列電極與被測金屬的腐蝕過程一樣，在電極元件處可以形成陽極區(qū)(腐蝕)和陰極區(qū)。腐蝕過程中?？梢园迅麝嚵刑筋^等效看作一個電流源，如圖2所示，1 μA的腐蝕電流，通過電阻可以產(chǎn)生100 μV的腐蝕電壓。

2.2 理想運放條件下的電流轉(zhuǎn)電壓傳感電路分析

對于理想運算放大器，在運放負(fù)反饋工作條件下，可以認(rèn)為兩輸入端具有相同的電位，因此，可以直接把腐蝕電流引入到負(fù)輸入端，通過電阻的轉(zhuǎn)換，形成容易分辨的電位。如圖3所示,由于運放負(fù)反饋的作用，開關(guān)閉合后，運放負(fù)輸入端電位為0的條件，使得電極腐蝕電流直接流入電阻R。若選用電阻R=100 kΩ，那么1 μA的電流，利用式(1)可知在運放的輸出端將產(chǎn)生100 mV的電壓，很容易測量。

圖2 腐蝕陣列等效電路圖

VO=-IiR

(1)

圖3 理想運放電流轉(zhuǎn)電壓電路

2.3 消除失調(diào)電壓影響的方法

實際的運算放大器都存在失調(diào)電壓與偏置電流的影響[8]，對于一般的精密運放，偏置電流很容易控制在pA數(shù)量級，相對于μA級的電流可以忽略不計。但失調(diào)電壓一般達(dá)到百μV級，且隨著溫度的變化，失調(diào)電壓也會發(fā)生變化，若圖3中，非理想運放失調(diào)電壓為δ，輸入端電流為0且完全接地的情況下，輸出端電壓計算滿足如下公式：

(2)

式中ron為開關(guān)接通電阻，多路模擬開關(guān)AD707典型的ron=2.5 Ω，若反饋電阻R=100 kΩ，簡單計算可以看出，在測量μA級電流情況下，失調(diào)電壓的影響不能忽略。

從圖3中可以看出，為了保證腐蝕電流能夠引入到運放負(fù)輸入端，必須保證在測量過程中，運放負(fù)輸入端電位為0，而對于實際運放而言，此時正端電壓則不能為0，其電壓大小即為輸入失調(diào)電壓Vof。

本文選用偏置電流極小的微功耗運放TLC2254芯片。通過STM32單片機集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換(DAC)功能[9]，并利用如圖4所示的方法，控制正端輸入電壓，獲取并消除失調(diào)電壓的影響,考慮運放芯片失調(diào)電壓處于百HV的數(shù)量級，單片機12位DAC分辨率為mV級、輸出范圍為0～3.3 V的情況，采用電阻分壓的原理，如式(3)，使得正端電壓V+的控制分辨率達(dá)到HV級以下，且電壓范圍達(dá)到(-1.65，1.65) mV，滿足測量系統(tǒng)要求。

(3)

圖4 消除失調(diào)電壓方法圖

消除失調(diào)電壓的方法是當(dāng)開關(guān)閉合后，不斷采集運放輸出端電壓VO，若大于0，則降低VDAC，若小于0，則增加VDAC，直到輸出電壓VO=0或處于允許的誤差范圍之內(nèi)。通常情況下，為了保證輸出電壓能夠被單片機內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)接受，需要把運放輸入端電壓抬高到(0～3.3 V)范圍內(nèi)，也就是在電路的輸出端連接一個加法電路，加上1.65 V的電壓即可。

3 陣列電極腐蝕電流傳感切換測量方法

多電極陣列腐蝕電流[10]測量系統(tǒng)一方面要消除失調(diào)電壓的影響，另一方面要實現(xiàn)多電極陣列腐蝕電流的測量。同一個電路，完成這些任務(wù)，需要多路模擬電子切換開關(guān)的配合。本系統(tǒng)采用16通道的多路模擬開關(guān)AD707，其導(dǎo)通電阻很小，僅2.5 Ω，用于腐蝕電流測量，誤差小。

這里的16路模擬開關(guān)，15路可以用于腐蝕電流的測量，另外一路用于接地消除失調(diào)電壓的影響。如果腐蝕電極多于15路，可以采用多個模擬開關(guān)并聯(lián)的方式完成測量。測量流程如圖5所示。

圖5 腐蝕電流的切換測量過程

考慮當(dāng)所有開關(guān)斷開時，相當(dāng)于腐蝕電流為0的情況，由于此時的電壓輸出相當(dāng)穩(wěn)定，且來自于實際測量電路的輸出，因此此電壓能夠用于后續(xù)的零電流條件下的比較測量，而不用考慮實際測量系統(tǒng)中存在的電阻等元器件誤差的影響。

4 實驗與結(jié)果分析

4.1 失調(diào)電壓控制實驗

由于消除失調(diào)電壓的控制比較簡單，本系統(tǒng)采用逐累加采集比較的方式進(jìn)行，具體思路如下：當(dāng)接地開關(guān)閉合后，單片機通過DAC模塊設(shè)置2 048輸出，理論上為1.65 V，若輸出的AD采樣結(jié)果小于開關(guān)斷開時的采樣結(jié)果Voff，增加DAC輸出，直到AD轉(zhuǎn)換結(jié)果等于或大于Voff，否則降低DAC輸出，直到AD轉(zhuǎn)換結(jié)果等于或小于Voff?？刂平Y(jié)果實驗如圖6所示。

圖6 消除失調(diào)電壓控制過程圖

從圖6中可以看出：在DAC初始輸出1.65 V時，運放輸出正飽和，通過減1方式逐步降低DAC輸出，經(jīng)過270步，即直到DAC輸出值為1 778，電壓為1.43 V的條件下，運放輸出為0，達(dá)到平衡，也就是輸出失調(diào)電壓的影響基本消除，根據(jù)公式(3)可以計算出此時的失調(diào)電壓為-220 μV。

另外在接地條件下，輸出結(jié)果容易受電噪聲的干擾，輸出穩(wěn)定度降低。

在認(rèn)為運放開環(huán)放大倍數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反饋放大倍數(shù)的條件下，通過對圖6中局部放大區(qū)域運放輸出電壓下降的斜率估計，結(jié)合此時正向輸入端電壓的變化量，可以近似估計測量系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為20 000。根據(jù)式(2)，可以估計得到開關(guān)的連通電阻ron=5 Ω。

4.2 腐蝕電極測量實驗

當(dāng)開關(guān)切換到腐蝕電極后，輸出電壓經(jīng)過如式(4)的計算，可以得到腐蝕電流的大小。

(4)

式中VK為腐蝕電極連通后所輸出的電壓，圖7為8個腐蝕陣列電極的測量結(jié)果。

圖7 實測8個電極腐蝕電流的測量曲線

從圖8中可以看出，8個電極腐蝕電流的測量結(jié)果波動量小于0.1 μA。

若考慮開關(guān)連通電阻的影響，對于圖3中實際腐蝕電流與測量腐蝕電流滿足如下的關(guān)系：

(5)

式中Ic為腐蝕電流；Im為測量電流。

公式表明：連通電阻越小，腐蝕電流測量誤差越小。事實上，在開關(guān)連通電阻已知的條件下，腐蝕電流測量誤差可以通過上式進(jìn)行修正。

5 結(jié)束語

結(jié)合STM32單片機技術(shù)，通過DAC模塊的輸出控制，利用多路模擬電子開關(guān)切換的方法，在消除實際運算放大器影響的情況下，實現(xiàn)了常規(guī)條件下，對腐蝕陣列微電流的高精度檢測。分析與設(shè)計了失調(diào)電壓消除的電路與方法，設(shè)計了相應(yīng)的程序與控制方法。實驗表明，該方法實用有效，具有較高的電流測量精度與零敏度。