一種多電極陣列腐蝕微電流檢測(cè)方法*

王選擇，王科，洪潭，周向東

(1.湖北工業(yè)大學(xué) 機(jī)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guò)程，即金屬溶解釋放出電子(陽(yáng)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(yáng)極反應(yīng)和陰極反應(yīng)在金屬表面的不同位置同時(shí)發(fā)生，通過(guò)金屬自身這一良導(dǎo)體交換電子[1]。隨著該電子交換過(guò)程在整個(gè)金屬表面持續(xù)地進(jìn)行，一旦有足夠大的面積變成陽(yáng)極，腐蝕就會(huì)集中在該區(qū)域形成。采用電子方法[2]，即通過(guò)測(cè)量電子的流動(dòng)來(lái)探測(cè)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(dòng)發(fā)生在金屬內(nèi)部，在實(shí)際中無(wú)法直接探測(cè)和測(cè)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(gè)電極陣列。每個(gè)電極元件通過(guò)傳感器裝置的電子線路將探頭的各個(gè)電極元件連接起來(lái)。在此方式下，與被測(cè)金屬的腐蝕過(guò)程一樣，在電極元件處可以形成陽(yáng)極區(qū)(腐蝕)和陰極區(qū)。通過(guò)測(cè)量各耦合電極元件之間的電流并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的信號(hào)處理，可以準(zhǔn)確地探測(cè)出被測(cè)金屬的腐蝕情況。

陣列電極的特點(diǎn)[4]是通過(guò)測(cè)量每個(gè)微小電極的電化學(xué)信號(hào)，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(duì)于單個(gè)電偶腐蝕電流的測(cè)量，能夠達(dá)到較高的測(cè)量精度[6]，但不適合陣列腐蝕電流的測(cè)量。

陣列腐蝕電流的測(cè)量的難點(diǎn)在于:(1)是如何消除非理想運(yùn)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(shí)現(xiàn)多陣列腐蝕電流的的集成化測(cè)量；(3)是要求有較高的測(cè)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(jī)技術(shù)[7]，設(shè)計(jì)了一種基于電子切換實(shí)時(shí)比對(duì)測(cè)量的方法。在選用偏置電流極小的運(yùn)算放大器的基礎(chǔ)上，通過(guò)自動(dòng)調(diào)壓、開(kāi)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(kāi)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(cè)量精度。

1 測(cè)量系統(tǒng)總體思路

測(cè)量系統(tǒng)總體框圖如圖1,陣列腐蝕電極通過(guò)電阻接地的方式連通在一起，形成正常的金屬腐蝕過(guò)程。在電位條件滿(mǎn)足的情況下，通過(guò)多路電子模擬開(kāi)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?hào)，再通過(guò)單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，進(jìn)行測(cè)量顯示。

圖1 陣列腐蝕電流測(cè)量總體框圖

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

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

2.2 理想運(yùn)放條件下的電流轉(zhuǎn)電壓傳感電路分析

對(duì)于理想運(yùn)算放大器，在運(yùn)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(guò)電阻的轉(zhuǎn)換，形成容易分辨的電位。如圖3所示,由于運(yùn)放負(fù)反饋的作用，開(kāi)關(guān)閉合后，運(yùn)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(yùn)放的輸出端將產(chǎn)生100 mV的電壓，很容易測(cè)量。

圖2 腐蝕陣列等效電路圖

VO=-IiR

(1)

圖3 理想運(yùn)放電流轉(zhuǎn)電壓電路

2.3 消除失調(diào)電壓影響的方法

實(shí)際的運(yùn)算放大器都存在失調(diào)電壓與偏置電流的影響[8]，對(duì)于一般的精密運(yùn)放，偏置電流很容易控制在pA數(shù)量級(jí)，相對(duì)于μA級(jí)的電流可以忽略不計(jì)。但失調(diào)電壓一般達(dá)到百μV級(jí)，且隨著溫度的變化，失調(diào)電壓也會(huì)發(fā)生變化，若圖3中，非理想運(yùn)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(jì)算滿(mǎn)足如下公式：

(2)

式中ron為開(kāi)關(guān)接通電阻，多路模擬開(kāi)關(guān)AD707典型的ron=2.5 Ω，若反饋電阻R=100 kΩ，簡(jiǎn)單計(jì)算可以看出，在測(cè)量μA級(jí)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(yùn)放負(fù)輸入端，必須保證在測(cè)量過(guò)程中，運(yùn)放負(fù)輸入端電位為0，而對(duì)于實(shí)際運(yùn)放而言，此時(shí)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(yùn)放TLC2254芯片。通過(guò)STM32單片機(jī)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(yùn)放芯片失調(diào)電壓處于百HV的數(shù)量級(jí)，單片機(jī)12位DAC分辨率為mV級(jí)、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(jí)以下，且電壓范圍達(dá)到(-1.65，1.65) mV，滿(mǎn)足測(cè)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(kāi)關(guān)閉合后，不斷采集運(yùn)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(jī)內(nèi)部的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(ADC)接受，需要把運(yùn)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(gè)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(cè)量方法

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

這里的16路模擬開(kāi)關(guān)，15路可以用于腐蝕電流的測(cè)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(gè)模擬開(kāi)關(guān)并聯(lián)的方式完成測(cè)量。測(cè)量流程如圖5所示。

圖5 腐蝕電流的切換測(cè)量過(guò)程

考慮當(dāng)所有開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，相當(dāng)于腐蝕電流為0的情況，由于此時(shí)的電壓輸出相當(dāng)穩(wěn)定，且來(lái)自于實(shí)際測(cè)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(cè)量，而不用考慮實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中存在的電阻等元器件誤差的影響。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 失調(diào)電壓控制實(shí)驗(yàn)

由于消除失調(diào)電壓的控制比較簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)閉合后，單片機(jī)通過(guò)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(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)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(shí)驗(yàn)如圖6所示。

圖6 消除失調(diào)電壓控制過(guò)程圖

從圖6中可以看出：在DAC初始輸出1.65 V時(shí)，運(yùn)放輸出正飽和，通過(guò)減1方式逐步降低DAC輸出，經(jīng)過(guò)270步，即直到DAC輸出值為1 778，電壓為1.43 V的條件下，運(yùn)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(jì)算出此時(shí)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(yùn)放開(kāi)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(guò)對(duì)圖6中局部放大區(qū)域運(yùn)放輸出電壓下降的斜率估計(jì)，結(jié)合此時(shí)正向輸入端電壓的變化量，可以近似估計(jì)測(cè)量系統(tǒng)的電壓放大倍數(shù)為20 000。根據(jù)式(2)，可以估計(jì)得到開(kāi)關(guān)的連通電阻ron=5 Ω。

4.2 腐蝕電極測(cè)量實(shí)驗(yàn)

當(dāng)開(kāi)關(guān)切換到腐蝕電極后，輸出電壓經(jīng)過(guò)如式(4)的計(jì)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(gè)腐蝕陣列電極的測(cè)量結(jié)果。

圖7 實(shí)測(cè)8個(gè)電極腐蝕電流的測(cè)量曲線

從圖8中可以看出，8個(gè)電極腐蝕電流的測(cè)量結(jié)果波動(dòng)量小于0.1 μA。

若考慮開(kāi)關(guān)連通電阻的影響，對(duì)于圖3中實(shí)際腐蝕電流與測(cè)量腐蝕電流滿(mǎn)足如下的關(guān)系：

(5)

式中Ic為腐蝕電流；Im為測(cè)量電流。

公式表明：連通電阻越小，腐蝕電流測(cè)量誤差越小。事實(shí)上，在開(kāi)關(guān)連通電阻已知的條件下，腐蝕電流測(cè)量誤差可以通過(guò)上式進(jìn)行修正。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合STM32單片機(jī)技術(shù)，通過(guò)DAC模塊的輸出控制，利用多路模擬電子開(kāi)關(guān)切換的方法，在消除實(shí)際運(yùn)算放大器影響的情況下，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)條件下，對(duì)腐蝕陣列微電流的高精度檢測(cè)。分析與設(shè)計(jì)了失調(diào)電壓消除的電路與方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的程序與控制方法。實(shí)驗(yàn)表明，該方法實(shí)用有效，具有較高的電流測(cè)量精度與零敏度。