一种多电极阵列腐蚀微电流检测方法*

2018-08-30王选择王科洪潭周向东

电测与仪表 2018年14期

王选择，王科，洪潭，周向东

(1.湖北工业大学机械工程学院，武汉 430068； 2.湖北省现代制造质量工程重点实验室，武汉 430068)

0 引言

在绝大多数情况下，金属腐蚀是一种电化学过程，即金属溶解释放出电子(阳极反应)，其它环境介质如氧气接收电子(阴极反应)。这种阳极反应和阴极反应在金属表面的不同位置同时发生，通过金属自身这一良导体交换电子[1]。随着该电子交换过程在整个金属表面持续地进行，一旦有足够大的面积变成阳极，腐蚀就会集中在该区域形成。采用电子方法[2]，即通过测量电子的流动来探测金属腐蚀比其它方法更加灵敏和有效，但是由于电子的流动发生在金属内部，在实际中无法直接探测和测量。

多电极阵列传感器[3]由一束相互绝缘的金属元件组成，形成一个电极阵列。每个电极元件通过传感器装置的电子线路将探头的各个电极元件连接起来。在此方式下，与被测金属的腐蚀过程一样，在电极元件处可以形成阳极区(腐蚀)和阴极区。通过测量各耦合电极元件之间的电流并对其进行相应的信号处理，可以准确地探测出被测金属的腐蚀情况。

阵列电极的特点[4]是通过测量每个微小电极的电化学信号，从而获得电化学参数分布情况，进而研究金属材料表面腐蚀的电化学非均匀性。阵列电极技术已经成为研究腐蚀电化学的重要手段[5]。目前，对于单个电偶腐蚀电流的测量，能够达到较高的测量精度[6]，但不适合阵列腐蚀电流的测量。

阵列腐蚀电流的测量的难点在于:(1)是如何消除非理想运算放大器条件偏置电流与失调电压的影响下，构造零内阻的电流转电压电路；(2)是如何实现多阵列腐蚀电流的的集成化测量；(3)是要求有较高的测量精度，受外界干扰噪声的影响小，信噪比高、误差小。

为此，本文结合STM32单片机技术[7]，设计了一种基于电子切换实时比对测量的方法。在选用偏置电流极小的运算放大器的基础上，通过自动调压、开关悬空与接地的切换方式，消除其失调电压的影响；应用开关分别接地与腐蚀电极的切换方式，消除低频电流噪声的干扰，提高各阵列微电流的测量精度。

1 测量系统总体思路

测量系统总体框图如图1,阵列腐蚀电极通过电阻接地的方式连通在一起，形成正常的金属腐蚀过程。在电位条件满足的情况下，通过多路电子模拟开关，腐蚀电流被引入到电流转电压传感处理电路中，微小的腐蚀电流转变为可以分辨的电位信号，再通过单片机的AD转换系统，进行测量显示。

图1 阵列腐蚀电流测量总体框图

2 无失调电压影响的电流转电位传感处理电路的设计

2.1 阵列腐蚀电流的分析

如图1所示的腐蚀阵列电极，通过R1～Rn电阻接地的方式，把腐蚀阵列探头的各个电极元件连接起来，其中电阻不宜太大，选为100 Ω。在此方式下，阵列电极与被测金属的腐蚀过程一样，在电极元件处可以形成阳极区(腐蚀)和阴极区。腐蚀过程中。可以把各阵列探头等效看作一个电流源，如图2所示，1 μA的腐蚀电流，通过电阻可以产生100 μV的腐蚀电压。

2.2 理想运放条件下的电流转电压传感电路分析

对于理想运算放大器，在运放负反馈工作条件下，可以认为两输入端具有相同的电位，因此，可以直接把腐蚀电流引入到负输入端，通过电阻的转换，形成容易分辨的电位。如图3所示,由于运放负反馈的作用，开关闭合后，运放负输入端电位为0的条件，使得电极腐蚀电流直接流入电阻R。若选用电阻R=100 kΩ，那么1 μA的电流，利用式(1)可知在运放的输出端将产生100 mV的电压，很容易测量。

图2 腐蚀阵列等效电路图

VO=-IiR

(1)

图3 理想运放电流转电压电路

2.3 消除失调电压影响的方法

实际的运算放大器都存在失调电压与偏置电流的影响[8]，对于一般的精密运放，偏置电流很容易控制在pA数量级，相对于μA级的电流可以忽略不计。但失调电压一般达到百μV级，且随着温度的变化，失调电压也会发生变化，若图3中，非理想运放失调电压为δ，输入端电流为0且完全接地的情况下，输出端电压计算满足如下公式：

(2)

式中ron为开关接通电阻，多路模拟开关AD707典型的ron=2.5 Ω，若反馈电阻R=100 kΩ，简单计算可以看出，在测量μA级电流情况下，失调电压的影响不能忽略。

从图3中可以看出，为了保证腐蚀电流能够引入到运放负输入端，必须保证在测量过程中，运放负输入端电位为0，而对于实际运放而言，此时正端电压则不能为0，其电压大小即为输入失调电压Vof。

本文选用偏置电流极小的微功耗运放TLC2254芯片。通过STM32单片机集成的模数转换(DAC)功能[9]，并利用如图4所示的方法，控制正端输入电压，获取并消除失调电压的影响,考虑运放芯片失调电压处于百HV的数量级，单片机12位DAC分辨率为mV级、输出范围为0～3.3 V的情况，采用电阻分压的原理，如式(3)，使得正端电压V+的控制分辨率达到HV级以下，且电压范围达到(-1.65，1.65) mV，满足测量系统要求。

(3)

图4 消除失调电压方法图

消除失调电压的方法是当开关闭合后，不断采集运放输出端电压VO，若大于0，则降低VDAC，若小于0，则增加VDAC，直到输出电压VO=0或处于允许的误差范围之内。通常情况下，为了保证输出电压能够被单片机内部的数模转换器(ADC)接受，需要把运放输入端电压抬高到(0～3.3 V)范围内，也就是在电路的输出端连接一个加法电路，加上1.65 V的电压即可。

3 阵列电极腐蚀电流传感切换测量方法

多电极阵列腐蚀电流[10]测量系统一方面要消除失调电压的影响，另一方面要实现多电极阵列腐蚀电流的测量。同一个电路，完成这些任务，需要多路模拟电子切换开关的配合。本系统采用16通道的多路模拟开关AD707，其导通电阻很小，仅2.5 Ω，用于腐蚀电流测量，误差小。

这里的16路模拟开关，15路可以用于腐蚀电流的测量，另外一路用于接地消除失调电压的影响。如果腐蚀电极多于15路，可以采用多个模拟开关并联的方式完成测量。测量流程如图5所示。

图5 腐蚀电流的切换测量过程

考虑当所有开关断开时，相当于腐蚀电流为0的情况，由于此时的电压输出相当稳定，且来自于实际测量电路的输出，因此此电压能够用于后续的零电流条件下的比较测量，而不用考虑实际测量系统中存在的电阻等元器件误差的影响。

4 实验与结果分析

4.1 失调电压控制实验

由于消除失调电压的控制比较简单，本系统采用逐累加采集比较的方式进行，具体思路如下：当接地开关闭合后，单片机通过DAC模块设置2 048输出，理论上为1.65 V，若输出的AD采样结果小于开关断开时的采样结果Voff，增加DAC输出，直到AD转换结果等于或大于Voff，否则降低DAC输出，直到AD转换结果等于或小于Voff。控制结果实验如图6所示。