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      纤维表面电荷检测方法的研究(十二)


      4.2.2双脉冲、动态脉冲法[43,44,45,46]

      (1)双脉冲法的工作原理

          在1970年,D. E. Johnson等最早提出了双脉冲电导率测量方法,并用小型计

      算机配上相应的接口电路进行试验,获得了令人满意的效果。随着微型计算机的

      发展和高速线性集成电路的成熟,双脉冲电导率测量技术在仪器中的应用口益广

      泛。

      如图4. 4所示,电导率测量时,对电导池施加两个持续时间很短的脉冲,两脉

      冲要求高度和持续时间相等,极性相反。流经电导池的电流在第二个脉冲结束的

      瞬间测量,此处电导池模型考虑了引线分布电容和双电层电容。第一个脉冲开始

      时,C},被迅速充电,池电流出现一尖峰。若脉冲持续时间T远小十R、与Cx的乘

      积,则Cx上的电压耳很小,并随时间呈线性增长,流经RxCx的电流在T时间

      内由十Cx的充电有轻微的下降。当第二个脉冲开始后极性反转,乓又迅速反向充

      电到新的电位,Cx开始放电。在第二个脉冲T2结束的瞬间,Cx已完全放电,由

      十两个脉冲期间几上积累的电荷为0,故瞬间电压乓=0}相当十短路,乓上的

      电压已稳定,没有电流经过,相当十断路。所以池电压全部降落在R、上,流经电

      导池的瞬间电流i=l Rx。因此在兀结束时测得的瞬时电流与溶液电导成正比,

      CxC无关,即消除了极化双电层电容和引线分布电容的影响。该电流经运放

      转化为电压可供测量使用。

      (2)双脉冲法的特点

          双脉冲法在原理上考虑了极化双电层电容和引线分布电容的影响,并能够在测

      量的瞬间有效克服其影响,在极化效应不能完全忽视的场合下有很大优势。能够

      在较短时间内获得测量数据,方便快速,有条件对大量的测量数据进行处理。

          双脉冲法原理简单,但由十要产生时间极短的双脉冲,目_在第二个脉冲结束瞬

      间测量,实现起来硬件要求高。用到的模拟开关要求有良好的开关特性和很高的

      切换速度,测量高电导值((1毫西门子以上)时,要考虑模拟开关导通电阻。测量

      更高电导值时(微西门子以下)还要考虑关断电阻和开关噪声。使用的运放要求

      失调电压、失调电流、漂移和噪声尽可能小,尤其要求高速,瞬时跟随电导池电

      流的变化。因此造价高。

          脉冲持续时间是双脉冲电导测试技术中的一个重要参数,电导池参数确定后,

      凡和几的值会随着溶液电阻变化Ifu变化,在仪器的全部测量范围内,要保证不远

      小十R、与Cx的乘积,又要使T2结束时,乓上的电势已经稳定,这需要根据不同

      量程的实际情况确定脉冲的持续时间,利用单片机处理,可编制一个持续时间递

      增或递减的程序来运行,以确定不同量程时的最佳值。

      (3)动态脉冲法的工作原理

      如图4. 5所示,R、和乓的并联电路时电导池的简化等效模型。信号源为脉冲

      激励源,在脉冲下降沿时刻测量。假定系统初始态为0,  E为脉冲幅值,尺为测量

      电阻。设脉冲持续时间为T,则由拉氏变换及其反变换可以写出在整个脉冲时间内

      输出电压的表达式如下

       脉冲持续时间足够长,可消除分布电容c}的影响。但由十极化作用的存在,

      使得到的电阻R、包含了极化阻抗,因此要设法消除极化效应。

          极化阻抗与加在两级间的电压大小,时间长短和溶液成分[[47,48,49]有关。因此要

      直接求出极化阻抗时很困难的,甚至是不可能的。经研究发现,对十一定的溶液,

      当两极间施加的电压小十一定值时,溶液将不会发生极化效应,当电压作用时间

      很短时,极化现象可以忽略不计。

          由上述分析我们得出结论,施加的脉冲激励源持续时间在满足消除分布电容影

      响前提下,要尽可能短,ifu }_脉冲幅度要尽可能小。这样才能消除极化效应。也

      就是说我们需要一个脉冲宽度和脉冲幅度均可调的激励源,即动态脉冲。

       

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