一种冰芯固体直流电导率测量控制电路的制作方法

本发明涉及一种冰芯固体直流电导率测量控制电路。

背景技术：

极地冰芯是气候环境信息的良好载体，具有信息保真度高、时间序列长、分辨率高和受人类扰动较少等一系列优点，是气候环境研究的重要对象和信息源。固体冰芯电学性质测量几乎无损于冰芯，又具有快速、操作简单、成本低和分辨率高等一系列优点，被广泛应用于极地冰芯的分析研究，通常是极地冰芯的首批分析数据，是快速定位重大气候事件和冰芯交叉定年的重要手段。冰芯固体直流电导率测量技术用来测量冰芯剖面的电导率，通过一对高压电极在冰芯的光滑切面上滑动获得信号。由于电极和冰面的贴合度、压力、运移速度和定位等都会影响测量精度，因而对相应装置的测量控制电路要求非常高，同时，考虑到冰芯的存在环境，使得装置的测量控制电路往往工作于极端恶劣工作环境，对测量控制电路的环境适应性要求也非常高，因此，目前针对冰芯固体直流电导率测量控制，尚无成熟解决方案。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题就是提供一种冰芯固体直流电导率测量控制电路，以提高其检测结果的精度。

为解决上述问题，本发明提供如下技术方案：

一种冰芯固体直流电导率测量控制电路，包括微控制器模块、供电电源模块、高压电源模块、模拟采集和转换模块、光栅尺电路和电机控制电路，

所述微控制器模块用于电导率测量数据的分析和处理，并控制伺服电机的运转；

所述供电电源电路用于给各个有源芯片提供供电电源；

所述高压电源模块用于产生高压电压，通过两根可调距离的电导率测量探针作用于冰芯表面；

所述模拟采集和转换模块用于采集高压经过冰芯表面后的电流数据；

所述光栅尺电路用于采集电导率表笔移动测量过程中的位移信号值；

所述电机控制电路用于控制电机的启动、暂停、运转方向和运转速度。

优选地，所述微控制模块进一步包括第一微控制器和第二微控制器，所述第一微控制器分别为对模拟采集和转换模块电路中的模数转换器进行参数配置以及处理采集得到的电流数据、给高压模块电路提供D/A输出以控制高压的产生、通过设置编码器模式来读取光栅尺电路测得的位移信号值，第二微控制器用于向电机控制电路提供PWM波形信号来控制电机。

优选地，进一步包括温度传感器模块，用于采集当前系统所在环境的温度。

优选地，冰芯固体直流电导率测量控制电路设置在金属舱内。

优选地，进一步包括加热模块，用于当温度传感器测量到的温度低于一定阈值时，对金属仓进行加热。

优选地，所述模拟采集和转换模块采用24位高精度的模数转换芯片。

优选地，所述高压电源模块作用于冰芯表面的工作电压范围为500～1200V。

优选地，所述电机控制电路进一步设置用于限位的耐低温接近开关电路。

优选地，所述光栅尺电路采用分辨率可达0.005mm的德普光栅尺，以TTL差动矩形波信号输出，采用数字隔离器芯片将光栅尺每相的输出信号转化为逻辑电平。

优选地，所述电机控制电路采用微处理器模块输出PWM波控制电机的方向和速度。

本发明的有益效果：

1、本发明的冰芯固体直流电导率测量控制电路使得探针沿冰芯表面匀速运动。如此设计，可使探针在冰芯不同位置所停留的时间趋于相同，当探针在冰芯不同位置所停留的时间趋于相同时，探针的温度范围不会发生剧烈的波动，这将有效提高冰芯不同位置电导率检测结果的精度。

2、本发明的冰芯固体直流电导率测量控制电路根据高压电源电路的实时电压变化情况，得出冰芯不同时间的电导率，由于检测单元可以测量驱动单元的运动行程，因此，当驱动单元做匀速运动时，控制单元基于检测单元所测量的驱动单元运动行程，从而获取冰芯不同位置的电导率。如此设计，所计算出在某一时间探针在冰芯上的理论位置与探针在冰芯上的实际位置之间的误差值较小，这将进一步提高冰芯不同位置电导率检测结果的精度。

3、本发明的探针上设置有弹性元件，当冰芯表面凹凸不平时，弹性元件通过第一连接块调整探针的位置，以确保探针始终与冰芯表面接触。

4、本发明的调节机构还包括限位开关，保证系统运动的安全性。

附图说明

图1是本发明一优选实施例中冰芯固体直流电导率测量控制电路的原理框图；

图2是本发明又一优选实施例中冰芯固体直流电导率测量控制电路的原理框图；

图3为本发明一优选实施例的冰芯固体直流电导率测量控制电路的模拟采集和转换模块电路原理图；

图4为本发明一优选实施例的冰芯固体直流电导率测量控制电路的供电电源电路原理图；

图5为本发明一优选实施例的冰芯固体直流电导率测量控制电路的高压模块电路原理图；

图6为本发明本发明一优选实施例的冰芯固体直流电导率测量控制电路的光栅尺电路原理图；

图7为本发明本发明一优选实施例的冰芯固体直流电导率测量控制电路的电机控制电路原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，所示为本发明实施例一优选实施例中冰芯固体直流电导率测量控制电路的原理框图，其包括微控制器模块101、供电电源模块102、高压电源模块103、模拟采集和转换模块104、光栅尺电路105和电机控制电路106，微控制器模块101用于电导率测量数据的分析和处理，并控制电机的运转；供电电源电路102用于给各个有源芯片提供供电电源；高压电源模块103用于产生高压电压，通过两根可调距离的电导率测量探针作用于冰芯表面；模拟采集和转换模块104用于采集高压经过冰芯表面后的电流数据；光栅尺电路用于采集电导率表笔移动测量过程中的位移信号值105；电机控制电路106用于控制电机的启动、暂停、运转方向和运转速度。通过以上设置的冰芯固体直流电导率测量控制电路，将待测冰芯放在冰芯固体直流电导率测试台的V型槽内，调整电导率测量探针与光洁平坦冰面良好接触，探针上装有弹簧，可适应冰芯表面的凹凸不平。当系统工作按钮打开时，电极间接通高压电源模块产生的1200V电压，电压经过冰芯后由模拟采集和转换模块104的AD芯片采集，再由微控制器模块101计算并通过串口把数据发送到上位机。当电机开关打开时，通过操作承载台上的左右运动按钮来控制电机的正反转使电极以一定速度(初始速度10mm/s)在冰芯表面移动，用光栅尺电路来测量电极所在冰芯的位置(初始上电位置为0)。

一具体应用实例中，正电极探针和负电极探针由紫铜制成，正电极探针与负电极探针之间的间隔距离为0.8cm-3cm，更佳的，正电极探针与负电极探针之间的间隔距离为1.5cm。

进一步的，微控制模块101进一步包括第一微控制器和第二微控制器，第一微控制器分别为对模拟采集和转换模块电路中的模数转换器进行参数配置以及处理采集得到的电流数据、给高压模块电路提供D/A输出以控制高压的产生、通过设置编码器模式来读取光栅尺电路测得的位移信号值，第二微控制器用于向电机控制电路提供PWM波形信号来控制电机。一具体应用实例中，第一微控制器选用意法半导体公司(ST)基于ARM Cortex-M3的32位处理器芯片STM32F103VCT6作为微处理器。考虑到实时性和稳定性，第一微控制器采用RTX操作系统。一共有5个线程，即分别为对模拟采集和转换模块电路中的模数转换器进行参数配置以及处理采集得到的电流数据、给高压模块电路提供D/A输出以控制高压的产生、通过设置编码器模式来读取光栅尺电路测得的位移信号值。

参见图2，所示为本发明又一优选实施例的冰芯固体直流电导率测量控制电路的原理框图，进一步包括温度传感器模块，用于采集当前系统所在环境的温度。冰芯固体直流电导率测量控制电路设置在金属舱内。进一步包括加热模块108，用于当温度传感器测量到的温度低于一定阈值时，对金属仓进行加热。

进一步的，由于所测电流值在微安量级，模拟采集和转换模块104采用24位高精度的模数转换芯片。一具体应用实例中，参见图3所示，模拟采集和转换模块104采用24位高精度的ADS1240芯片。ADS1240芯片采集的数据包括高压模块输出的实时电压值和高压经过电导率测量表笔后作用于冰芯表面得到的电流值。测量信号输入采用差分连接的方式。在ADS1240的输入端采用LMV321芯片作为电压跟随器，起缓冲、隔离作用。同时输入采用T型三端滤波器。参考电源采用REF5025高精度基准源芯片。

进一步的，参见图4，所示为本发明一优选实施例的冰芯固体直流电导率测量控制电路的供电电源电路原理图。具体的，电源转换电路包括9到36V宽电压输入转12V电路，12V转5V电路，5V转3.3V电路。9到36V宽电压输入转12V电路采用了MORNSUN的URB2412YMD-6WR2模块，12V转5V电路采用BL8516芯片，5V转3.3V电路采用SP6201EM5-3.3芯片。

进一步的，为了防止操作不当损坏设备，电机控制电路进一步设置用于限位的耐低温接近开关电路。一具体应用实例中，接近开关是NPN常开型，检测距离8mm就是平常的时候是24V电压，在8mm内有金属，就会把电平变为0，强制关闭电机的运转。

进一步的，高压电源模块作用于冰芯表面的工作电压范围为500～1200V。一具体应用实例中，参见图5，所示为本发明实施例的冰芯固体直流电导率测量控制电路的高压电源模块的电路原理图。高压电源模块的主要功能就是产生0到1200V可调的电压，而实际作用于冰芯表面的工作电压范围优选的为500～1200V。高压电源模块采用北京滨松光子技术股份有限公司生产的CC22809P-09Y型号电源模块。输入电源的开关电路中采用NPN型三极管S8050和P沟道MOS管Si2301做开关控制电路。当S8050三极管基级电压升高时，集电极和发射极之间导通，使Si2301MOS管的G级拉低，从而使12V电源导通。模块的电压控制端采用微处理器的D/A输出经过LMV321运算放大器后的电压，来控制输出电压。

进一步的，光栅尺电路采用分辨率可达0.005mm的德普光栅尺，以TTL差动矩形波信号输出，采用数字隔离器芯片将光栅尺每相的输出信号转化为逻辑电平。一具体应用实例中，参见图6，所示为冰芯固体直流电导率测量控制电路的光栅尺电路原理图，其采用的德普光栅尺EA5分辨率可达0.005mm，以TTL差动矩形波信号输出，有A、B、Z三相，其中每相有2路差分信号。采用数字隔离器Si8711CC-B芯片将光栅尺每相的输出信号转化为逻辑电平，并与微处理器隔离开。

进一步的，电机控制电路采用微处理器模块输出PWM波控制电机的方向和速度。一具体应用实例中，参见图7，所示为本发明实施例的冰芯固体直流电导率测量控制电路的电机控制电路原理图，电机控制电路采用微处理器输出PWM波控制电机的方向和速度，由于电机驱动器需要5V输入，故采用74LVC4245逻辑芯片将PWM波信号转换成5V电平信号。电机采用瑞士INFRANOR公司生产的精密交流伺服耐低温电机，型号为BLS-0408。

应当理解，本文所述的示例性实施例是说明性的而非限制性的。尽管结合附图描述了本发明的一个或多个实施例，本领域普通技术人员应当理解，在不脱离通过所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种形式和细节的改变。