（生物医学工程专业论文）水环境重金属检测仪器的硬件设计.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ep a p e ri sd i v i d e di n t ot w op a r t s f i r s t l y ，t h ed e s i g no faw i r e l e s ss e n s o rn o d e b a s e do nl i g h ta d d r e s s a b l ep o t e n t i o m e t r i cs e n s o r ( l a p s ) i si n t r o d u c e d t h e m e a s u r e m e n tc i r c u i to f n o d ed i f f e r sb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n td e m a n d t h e na no n 1 i n e a u t o m a t i ca n a l y t i c a li n s t r u m e n tu s e dt od e t e c tf o u rk i n d so ft r a c eh e a v ym e t a l s ( z n ， c d ，p b ，c u ) o fs e a w a t e ri si n t r o d u c e d ，w h i c hu s e st h em e t h o do fd i f f e r e n t i a lp u l s e s t r i p p i n gv o l t a m m e t r y ( d p s v ) t h ed e v e l o p i n gw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s y ) c a nb ei n v o l v e dt ot h ed e t e c t i o n o ft r a c eh e a v ym e t a l s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kh a sp r o v i d e dan e wm e t h o do f g e t t i n g a n dd e a l i n gw i t hi n f o r m a t i o n t h ew i r e l e s ss e n s o rn o d eu s e sm s p 4 3 0a st h ec o n t r o l u n i tt oa c h i e v et h ed e t e c t i o nw i t ht h em e a s u r i n gc i r c u i ta n dw i r e l e s st r a n s f e rc i r c u i t t h el a p sn o d em e a s u r e st h ew e a ka cs i g n a lw h i l et h ee l e c t r o c h e m i s t r yn o d e m e a s u r e st h ew e a kd cs i g n a l s ot h el a p sn o d eu s e sm s p 4 3 0 f g 4 619a st h ec o n t r o l c h i p ，a n da d 5 9 3 3a st h ec o r eo fm e a s u r e m e n tc i r c u i t ，a n dc c 2 5 0 0a st h ew i r e l e s s t r a n s f e rc h i p t h ee l e c t r o c h e m i s t r yn o d eu s e sm s p 4 3 0 f 5 4 3 8a st h ec o n t r o lc h i p ，a n d a d si2 51a st h ec o r eo fm e a s u r e m e n tc i r c u i t ，a n dc c 2 4 2 0a st h ew i r e l e s st r a n s f e r c h i pw h i c hs u p p o r t st h ez i g b e ep r o t o c 0 1 1 h ei n s t r u m e n tc o n t a i n st w op a r t si nf u n c t i o n t h em e a s u r i n gs y s t e ma n d c o n t r o l l i n gs y s t e m t h em e a s u r i n gs y s t e m u s e st h em e t h o do fd p s v t h e e l e c t r o c h e m i c a lm e a s u r e m e n ts y s t e mu s e dt o p e r f o r md p s vm e a s u r e m e n ti s c o n s t r u c t e dw i t ht w op a r t s al o w - c u r r e n tm e a s u r e m e n ts y s t e mc o n s i s t so fl o wi n p u t b i a sc u r r e n to p e r a t i o n a la m p l i f i e ra n dah i g hr e s o l u t i o na d ca n dap o t e n t i a l s t a t c o n s i s t so f h i g hr e s o l u t i o nd a c a n dh i f g hc u r r e n tb u f f e ra m p l i f i e r t h ec o r eo fc o n t r o l s y s t e mc o n s i s t so fm c ud s 8 0 c 3 2 0a n dp r o g r a m m a b l es y s t e md e v i c ep s d 8 5 4 f 2 t h ec o n t r o ls y s t e mc o n f i g st h ep a r a m e t e r so ft h es t a t eo ft h ep u m p sa n dv a l v e st o a c h i e v ec o m p l i c a t e do p e r a t i o na u t o m a t i c l y af e wp e r f o r m a n c et e s t i n g so fw i r e l e s ss e n s o rn o d ea n dt h ei n s t r u m e n ta le c a r r i e do u t s i g n a ls o u r c er e s o l u t i o n ，c u r r e n tr e s o l u t i o n ，p o w e rc o n s u m p t i o na n dt h e 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t d i s t a n c em e a s u r e m e n to fw i r e l e s st r a n s m i t i o na r ei m p l e m e n t e dt ot h ew i r e l e s ss e n s o r n o d e c u r r e n tr e s o l u t i o na n ds t a b i l i t yt e s t i n go fp o t e n t i o s t a ta r ei m p l e m e n t e dt ot h e i n s t r u m e n t t h et e s t i n gr e s u l t s p r o v et h a tt h eh a r d w a r ed e s i g nh a v em e tt h e r e q u i r e m e n t s n o wo u rw i r e l e s ss e n s o rn o d ea n di n s t r u m e n ta r eu n d e rt e s t i n gi no u r l a b t h er e s u l t sp r o v et h a to u rs y s t e mi sf i tf o ro u rr e q u i r m e n t k e y w o r d s ：h e a v ym e t a ta n a l y s i s ，a u t o m a t i ca n a l y t i ci n s t r u m e n t ，w i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k ，w ir e l e s sn o d e l l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：；小吟 签字h 期： 力胛1 7 年弓月侈同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘望叁堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫播等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 弓夺以 签字日期：乙加年妒 f 蛹 翩虢嘭牵 签字日期函7 锣岁月乡日 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 海水重金属现场检测的国内外研究现状 重金属污染是危害最大的水污染问题之一。重金属通过矿山开采，金属冶炼， 金属加工及化工生产废水，化石燃料的燃烧，施用农药化肥和生活垃圾等人为污 染源，以及地质侵蚀，风化等天然形式进入水体，加之重金属具有毒性大，在环 境中不易被代谢，易被生物富集并有生物放大效应等特点，不但污染水环境，也 严重威胁人类和水生生物的生存【l 】。目前，人们对水体重金属污染问题已有相对 深入的研究，同时采取了多种方法对重金属废水和污染的水体进行处理和修复。 我国水体重金属污染问题十分突出，江河湖库底质的污染率高达8 0 1 。 2 0 0 4 年太湖底泥中总铜、总铅、总镉含量均处于轻度污染水平黄浦江干流表 层沉积物中c d 超背景值2 倍，p b 超l 倍，h g 含量明显增加；苏州河中p b 全部 超标，c d 为7 5 超标，h g 为6 2 5 超标。由长江，珠江，黄河等河流携带入海 的重金属污染物总量约为3 4 万吨，对海洋水体的污染危害巨大。全国近岸海域 海水采样品中铅的超标率达6 2 9 ，最大值超一类海水标准4 9 0 倍；铜的超标率 为2 5 9 ，汞和镉的含量也有超标现象 2 1 。大连湾6 0 测站沉积物的镉含量超标， 锦州湾部分测站排污口邻近海域沉积物锌，镉，铅的含量超过第三类海洋沉积物 质量标准。不仅是水体污染，污灌区的土壤也受到污染【3 】。国外同样存在水体重 金属污染问题，如波兰由采矿和冶炼废物导致约5 0 的地表水达不到水质三级标 准。 因此对海水重金属含量的实时监测就变得非常重要。目前国外已经有商业化 的海水重金属检测仪器，但是其共同的缺点是不能同时满足自动测量与海上实时 测量两个条件，如t h e r m a lf i s h e r 公司的原子吸收光谱能够实现自动测量，但机 身比较大，而且采用的光学方法，不适用于实地测量；t r a c e d e t e c t 公司生产的 n a n o b a n de x p l o r e r 实现了便携式，能够完成实时测量，但是整个测量过程需要 手动完成操作。我们研制的海水重金属含量检测仪实现了对重金属的自动检测， 配合北海分局进行海上实时监测。 * # 硕t 学位论女 1 2 无线传感网络的国内外研究现状 无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) 是当前在国际上备受关 注的、涉及多学科高度交叉，知识高度集成的前沿热点研究领域侍感器技术、 微机电系统、现代网络和无线通信等技术的进步，推动了现代无线传感器网络的 产生和发展无线传感器网络扩展了人们信息获取能力，将客观世界的物理信息 同传输两络连接在一起，在下一代网络中将为人们提供最直接，最有效最真实 的信息。无线传感器网络能够获取客观物理信息，具有十分广阔的应用前景，能 应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗，环境检测抢险救灾，危 险区域远程控制等领域刚已经引起了许多国家学术界和工业界的高度重视，被 认为是对2 1 世纪产生巨大影响力的技术之一 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成， 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、 采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者传感器，感知 对象和观察者构成了无线传感嚣网络的三个要素”】 无线传感器阿络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ) 简称w s n ，是一种由大量小型传 感器所组成的网络。这些小型传感器一般称作辩n $ o r n o d e ( 传感器节点) 或者 m o t e ( 灰尘) 此种网络中一般也有一个或几个基站( 称作s j n k ) 用来集中从小型传 感器收集的数据【6 l 。图1 l 为无线传感嚣网络示意图 图l _ 1 无线传痔墨网络 轨掣一 霹受 霪一 蓟至州 浙江大学硕：t ：学位论文第一章绪论 1 3 论文的主要研究内容 第一章主要介绍课题来源，重金属检测的重要性和迫切性，以及对自动化现 场分析仪的需求以及应用于无限传感网络的前景。 第二章主要介绍了针对两种不同传感器进行的检测系统的原理性研究，并对 检测中的关键环节进行重点探讨。 第三章主要介绍了国家8 6 3 计划中重金属海水检测仪的设计，重点介绍了它 的整体系统，包括了水路系统、电路系统和整个系统的流程。 第四章主要介绍了针对无线传感网络的应用，结合两种传感器的检测原理做 出了两种无线传感网络节点，以及节点间的通讯协议。 第五章主要是性能测试。主要针对重金属检测仪和两种无线传感节点进行测 试，试验证明，重金属检测仪能够对重金属溶液进行检测，节点不仅能够完成对 溶液的检测，而且可以正常的通讯。 第六章是对本文工作进行总结，并对后续工作进行展望。 第= * m “h 暂i 第二章检测系统原理与设计分析 传感罂主要呆用光寻址电位传感器和电化学三电极系统，所以整个检测系统 都是围绕这两种传感器展开。但由于两者的工作机理存在较大区别，所以检测电 路中也存在着差异，l a p s 测量系统需要用到锁相放大的机理，而电化学检剥系 统只要到放大后的信号进行模数转换印可本章就针对这两种检测系统做出一些 原理上的解释与分析。 2 1 光寻址电位传感器的工作原理 光寻址电位传感器( l i g h t - a d d r e s s a b l ep o t c n t l o m e t f i cs e n s o r s ，l a p s ) 是八十年 代束发展起来的一种高灵敏度新型硅传感器f 】，它的功能类似于化学场效应管而 结构比较简单。自从l a p s 问世至今短短的十多年中，l a p s 已成功应用于酶标 免疫分析系统和体外实时监测活细胞代谢活性的微生理计。近年来德国和俄罗 斯合作研究了应用激光脉冲沉积技术( p u l s e dl a s e r d c p o s i t i o n ，p l d ) 制各化 学薄膜传感器的可能性，在l a p s 上沉积了p b 2 + 选择性硫属玻璃薄膜井取 得了初步成功，检测下限达ix1 0 - 6 m o l l ”。我们采用p l d 技术在l a p s 器件表面沉积了选择性琉属玻璃薄膜用于检测海水中的痕量重金属。 围2 1l a p s 的基本结构 l a p s 的基本结构有电解质绝缘层，硅( e l e c t r o l y t e i n s u l a t i o n s i l i c o n ，e i s ) 浙江大学硕士学位论文第二章检测系统原理与设计分析 和金属绝缘层硅( m e t a l i n s u l a t i o n s i l i c o n ，m i s ) 两种，e i s 结构和m i s 结构的 不同之处在于敏感层，e i s 结构是离子敏l a p s ，一般用于液体的测量，而m i s 结构是气敏l a p s ，一般用于气体的测量，图2 1 为l a p s 的基本结构示意图。 l a p s 的基本原理是：当半导体受到一定波长的光照射时，半导体吸收光子，发 生禁带到导带的跃迁也就产生了电子空穴对。在一般情况下，电子空穴对很快地 复合，在外电路中就测不到电流。但如果在l a p s 外加反向偏置电压时( n 型硅 加负压，p 型硅加正压) ，半导体中产生耗尽层，这时靠近耗尽层的电子空穴对 就被耗尽层拉开。当固定光强时，就会产生光电压。采用强度调制的光照射在 l a p s 器件的正面或背面，就可以在外电路中测量到电流【9 l 。电流的大小，与光 强、耗尽层的厚度( 即外偏压) 等有关。当固定其他参数，只考虑敏感膜与被测 物的响应电压对耗尽层的影响，那么外电流大小的变化就反映了膜的响应。 描述外电流与偏压关系的曲线就是l a p s 的i v 特性曲线，图2 2 所示是n 型硅基底的l a p s 测试p h 的i v 特性曲线的示意图，特性曲线可以分成截止 区、过渡区和饱和区光电流随耗尽层的增厚而增大，也就是说随着偏置电压的 增加，外电路上的电流从最大值( 饱和区) ，线性减小( 过渡区) ，达到最小值( 截 止区) i l o ，对于p 型硅l a p s 的特性曲线与此相反。 螺 脚 壬一 术 偏置电压 图2 2l a p s 的i v 特性曲线 l a p s 的测量系统如图2 3 所示。在特定偏置电压和特定频率的光源激发下， 通过l a p s 的电流会根据敏感离子的不同而产生变化一一电流的频率与激发光 源的频率相同。当固定其他参数时，电流的大小仅与离子浓度相关。恒流恒电 位仪( p o t e n t i o s t a t g a l v a n o s t a t ) 是该检测系统的核心，用于测量l a p s 纳安级的 响应级电流 6 浙太 碗l 学位论z 镕= ￥r 日系缝b * ”分* 图2 j l a p s 的测量杀统 因此从功能上划分，l a p s 检测系统可以划分为以下三个主要模块： 频率叮调的信号舜 微弱电流信号( 交流) 有效值检测系统。 偏压( 扫描) 电路。 这三个模块的性能决定了整个检测系统的检测精度，在下一节中将对电路的 实现方案进行比较和选择。 2 2 l a p s 检测电路设蚌 2 2 l 信号源的制作 l a p s 测量过程中电流的大小与光强，反向偏置电压等有关，需采用强度频 率均可调制的光照射在l a p s 器件的正面或背面，同时要有适当的偏置电压加于 器件上。当固定其他参数，只考虑敏感膜与被测物的响应电压对耗尽层的影响时， 那么电流大小的变化就反映了膜的响应。但用于重金属拴测的l a p s 器件上沉积 的离子选择性薄膜，硅基底材料也不尽相同，因此对于不同溶液，不同离子，激 发光源的调制频率范围和偏压范围都是不尽相同的。为了满足不同器件的剥试需 要，激发光= 踩的信号源应该能够在l 一1 0 k h z 的范围内步进可调。 信号薄的核心就是产生一个频率稳定的周期性信号设计一个实用信号源， 浙江大学硕：t ：学位论文 第二章检测系统原理与设计分析 可以采用多种振荡电路来产生周期性信号。例如：用频率合成方法产生振荡信号； 利用专用集成函数发生器( 如i c l 8 0 3 8 ) 产生方波、三角波、正弦波信号；利用 直接数字合成( d d s ) 的方法产生振荡信号；利用单片机产生信号波形；利用数 字比例乘法器( 如：c d 4 5 2 7 ) 产生振荡信号。几种方式中波形发生器的频率幅 度调制需要更换电阻、电容以及改变外部电压来实现，对于需要固定频率幅度的 应用来说，可以满足设计要求；d d s 合成器凭借其优秀的频率、幅度和相位调 制功能以及极高的频率分辨率在信号源的制作中具有极大的优势，如a d i 公司 的a d 9 8 5 4 。 针对具体的应用还可以有更简便的方法，如l a p s 检测中可以利用集成有 d d s 的器件对检测电路进行优化，如a d i 公司的a d 5 9 3 3 ，它内部集成有一个 频率分辨率达到2 7 位的d d s ，同时还集成有a d 、d a 、温度传感器、d f t 变换 等一系列模块【】，这些应用都可以使电路实现更简便的设计和更高的检测精度。 下面对这两种方法逐一进行介绍； 1 、i c l 8 0 3 8 波形发生器 图2 4 输出范围为2 0 h z - 2 0k h z 的信号发生源 i c l 8 0 3 8 波形发生器是能够用较少的外围器件产生高精度的正弦波，方波， 三角波和锯齿波信号。通过改变外部电阻、电容的大小，输出频率的下限能达到 0 0 0 1 h z ，上限能达到3 0 0 k h z 以上【1 2 】，并且频率调制和扫频能通过改变外部电 压完成。图2 4 为输出频率为2 0 h z - 2 0 k h z 的典型电路。通过改变图中标识为 f r e q 电位器的阻值，即可实现频率的改变 3 浙江大学硕1 ：学位论文第二章检测系统原理与设计分析 不过优缺点也比较明显，优点是电路简单，不占用单片机的控制资源，缺点 是波形的幅度频率范围较窄，实现频率和幅度的切换比较麻烦。 2 、直接数字频率合成( d d s ) 直接数字频率合成器( d d s 一一d i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ) 是一种新的频率合 成技术和信号产生的方法。直接数字频率合成器( d d s ) 具有超高速的频率转换时 间，极高的频率分辨率和较低的相位噪声，在频率改变与调频时，d d s 能够保 持相位的连续，因此很容易实现频率、相位和幅度调制【b 1 。此外，d d s 技术大 部分是基于数字电路技术的，具有可编程控制的突出优点。因此这种信号产生技 术得到了越来越广泛的应用，很多厂家已经生产出了d d s 专用芯片，这种器件 成为当今电子系统及设备中频率源的首选器件。 正 弦 波 输 出 字 | i i i l l l l l l l l l 一一圳l i i i i 图2 5d d s 原理框图 d d s 也被称为数控振荡器，它的基本原理框图如图2 5 所示，由相位累加器、 正弦幅度表、数模转换器( d a ) 及低通滤波器构成。相位累加器相当于受外部时 钟控制的计数器，在时钟脉冲的控制下频率控制字k 由相位累加器累加得到相应 的相码，将相码作为一个地址对正弦幅度表进行寻址，输出不同的幅度编码，再经 过数模变换器得到相应的阶梯波，最后经低通滤波器对阶梯波进行平滑，即得到 由频率控制字k 决定的连续变化的输出波形【1 4 】。d d s 的频率控制字k 由n 位的二 进制数组成，即使用n 位二进制累加器，故频率分辨率等于最低输出频率f o 2 n ， 只要n 足够大，即累加器的位数具有足够长度，总能得到所需的频率分辨率。输 9 浙江大学硕士学位论文第二章检测系统原理与设计分析 出频率由频率控制字决定： 氕= 等 f 一一n y c l u l s tb nn d w i d t h s i n ( x i t xe n ”) l o p a 一 、 ，一一一、 。 、 ，、一一一一、 、， 、! ，l 1 6 f、 ，一 、， t， t ， l t ， t i 上小。县，1 上j 弋搿 k 。 篡二一2 k 翟二， 图2 6 采样输出的频谱分析 ( 2 1 ) d d s 输出信号的频谱如图2 6 所示，在此图中我们假设外部时钟频率( 赢) 3 0 0 m h z ，输出频率( 厶) 为8 0 m h z 。根据奈奎斯特采样定律可知，采样频 率至少为输入信号最高频率的两倍，才能从采样信号系列重构原始信号。在采样 输出信号的频率谱中，镜频响应出现在正触f o w 处。上图中第一镜频响应出现 在正础- 厶处，一2 2 0 m h z 。第二，三，四，五镜频响应分别出现在3 8 0 m h z ， 5 2 0 m h z ，6 8 0 m h z ，8 2 0 m h z 。从图中我们还可以看出当频率为外部时钟频率的 整数倍时，信号幅值为零。当厶大于外部时钟频率的5 0 时，第一镜频响应将 会出现在奈奎斯特带宽内( d c - 去兀越) 而形成混叠现象。使用传统的奈奎斯特 二 抗混叠滤波器不能将混叠镜像从输出中滤出的。在d d s i 约典型应用中低通滤波器 被用来抑制镜频响应在输出频谱中的影响。通常情况下为保证低通滤波器的截止 频率，输出信号厶的频带范围大多限制在外部时钟频率z 黼的4 0 以内 基于上面的分析，可以看出使用1 c l 8 0 3 8 虽然可以满足系统的频率范围要 求，外围电路也比较简单，但是输出频率的分辨率取决于电位器的精度，并且输 1 0 帕 蛐 舱 曲 船 如 主差量it叠 卿 l 彳| 一 量捌 浙江大学硕i ：学位论文第二章检测系统原理与设计分析 出信号的频率改变及相位变化很难实现数字控制。这与系统测试自动化的要求相 去甚远。因此我们采用使用基于d d s 技术的信号发生器作为信号源。 例女g a n a l o gd e v i c e s 公司的a d 9 8 5 0 就是一个可以工作在1 2 5 m h z 时钟 频率的，具有1 0 b i td a c 的d d s 芯片。a d 9 8 5 4 是一个可以工作在3 0 0 m h z 时钟频 率，具有i q 两路1 2 b i t d a c 的d d s 芯片【1 5 ，1 6 1 。当今通信系统迅速发展，软件无线 电成为很热门的话题，d d s 在这些系统中都成为很重要的一门技术。 2 2 2 偏置电路 l a p s 的i v 特性曲线描述了外电流与偏压关系，从图2 2 中可知不同浓度 的溶液在曲线斜率最大处的差值最大，选择合适的偏压能够测得明显的电流变 化。测量时选择曲线的斜率绝对值最大点对应的电压作为偏压，需注意偏压不能 选在靠近饱和区和截止区。因为l a p s 是将膜对离子的响应作为偏压考虑它对耗 尽层的影响，所以选择合适的偏压是为了当有相同的膜响应时得到最明显的测量 电流变化，所以也就是要求斜率的绝对值越大越好。但是l a p s 的过渡区只有 l v 左右，并且一般膜的响应表电压为几十或几百个毫伏。所以若将偏压选在靠 近饱和区或截止区的位置，则当响应时，可能会进入非过度区，也就无法反映响 应的变化。 用于重金属检测的l a p s 器件上沉积的离子选择性薄膜，硅基底材料也不尽 相同，因此l a p s 的过渡区的位置不尽相同，根据检测的需要，我们设计的反向 偏置电压电路的扫描范围为4 0 9 6 v 一4 0 9 6 v ，电压分辨率最低为5 m v 。由此可 知，d a 的有效位数应为l 。9 2 8 i 1 9 2 v 1 1 ，考虑到d a 器件的非线性特性及噪声 ) m y 影响，我们选用了1 6 位的d a 芯片生成反向偏置电压。 2 2 3i v 转换电路 2 2 3 1i v 转换电路的类型 由于l a p s 器件的响应信号为电流信号，首先需要把它转换为电压信号以后 才能进行测量。i v 变换电路有两种方案：电阻反馈式和电容反馈式。电阻反馈 式中电流一电压转换增益通过反馈电阻设定；电容反馈式输出电压与积分电容成 浙江大学硕：t = 学位论文第二章检测系统原理与设计分析 反比，电流一电压转换增益可通过对积分时间控制而改变。 1 单电阻反馈式 图2 7 中吩为反馈电阻，用于设定电流电压转换增益，输出电压与输入电 流的关系见公式( 2 2 ) 圪= 一。母 ( 2 2 ) 面 图2 7 单电阻反馈式i v 转换电路 由公式( 2 2 ) g 知为了达到一定的输出电压值，必须运用高阻值的反馈电阻。 但随着尺，增大，必然带来两个问题：一是高阻值的精密电阻实际很难做到，精 度也差；二是阻值越大电阻的输出端热噪声越严重同时电阻的分布电容也降低 了放大器的带宽，同时会使运放的输入失调电流、输入偏置电流和零漂等因素对 电路增益、响应速度及稳定性的影响增大，进而影响输出的灵敏度和精度【1 7 】。 2 t 型反馈网络 g n d6 n d ( a ) t 型反馈网络( ”y 一变换后的等效电路 图2 8t 型反馈网络及其交换 在实用上，一般采用t 型电阻网络来代替单电阻反馈式电路，t 型反馈网络 的优势是不必使用阻值很高的电阻就可以获得较大的等效反馈电阻，有效提高电 1 2 浙江大学硕士学位论文 第二章检测系统原理与设计分析 路的灵敏度和精度引。t 型反馈网络的结构如图2 8 ( a ) 所示。通过y - a 变换后， 图2 8 ( a ) 中由墨，恐，恐组成的t 型反馈网络变换成图2 8 ( b ) 中有焉：，墨， 是，组成的型网络，由y - 变换公式可知： 却恐+ 等 ( 2 3 ) = r + 恐+ 警 ( 2 4 ) 耻恐+ 恐+ 警 ( 2 5 ) 其中墨：为等效反馈电阻，足，并联在运放的反相输入端和地之间，r ，并联 在运放的输出端和地之间。由于运算放大器的同相输入端和反相输入端的“虚短” 特性以及负反馈情况下运放的输出阻抗接近于零，马，心，对于电路的影响可以 忽略不计。因此该电路中输出电压与输入电流的关系为： v o = - 掘一抛+ r + 警 ( 2 6 ) 同时为了要降低噪声，可在反馈电阻的两端并联一个小电容来解决，但该电 容本身的漏电流应该足够小1 9 j 3 积分型1 v 转贫 积分式电流转换电路的电压输出幅度可由积分时间控制2 0 1 ，输出电压为： = 云i p 椭( ，) 魂 ( 2 7 ) 图2 9 积分式i v 转换电路 1 3 浙江大学硕士学位论文第二章检测系统原理与设计分析 对于恒定的输入电流，经过t i n t 时间积分，可得输出电压： v o = - i m i t m r ( 2 8 ) 以上三个电路是较常用的电流一电压转换电路，通常前两种方案应用较多。 虽然积分方式有其自身的优点，如输出电压与积分电容成反比，电流一电压转换 增益可通过对积分时间控制而改变，易于程控，而且积分电路对噪声有一定的衰 减作用，但是在系统中还要求i v 转换电路的输入端需要保持零电位，积分式i v 转换在积分过程中可以保证这个要求，在保持和复位状态都无法满足要求，反馈 电容快速放电所产生的瞬态电压也将对电路的输入和输出端造成影响，因此我们 选取了电阻反馈式方案。 2 2 3 2 运放非理想输入特性引起的误差 微弱信号检测中运放的非理想输入特性参数，如输入偏置电流，8 ，输入失 调电压u o s 对于测量结果的准确度和精确度都有直接的影响。理论上对于偏置电 流和失调电压都可通过外部电路补偿，但其温度漂移无法补偿。同时补偿电路又 引入新的噪声，如电阻的热噪声以及新的温度漂移等问题。定量分析运放的基本 输入特性参数在测量系统中所产生的测量误差，比较不同的运算放大器的输入 特性参数对系统所造成的误差，从而选择最佳的运放组成系统。 面 图2 1 0 考虑u 和厶的单电阻反馈武i - v 转换电路等效模型 图2 1 0 为考虑了运放输入失调电压，输入偏置电流影响的单电阻反馈式i v 转换电路图中为电流源，r s 为源阻抗，吩为反馈电阻，为输入失调电 压，厶。、厶：为运算放大器反相输入端和同相输入端的输入偏置电流口1 1 根据叠 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章检测系统原理与设计分析 加定律可知其对应的电路中的输出电压为： 铲厶r f + u o s ( 1 + 针她 亿9 ， 从上式中可以看出，当反馈电阻r ，越大，偏置电流引起的误差也越大；源 阻抗越小，失调电压造成的误差也越大。从理论上来讲运放的输入偏置电流应比 最低检测电流更低才不至引起较大的直流误差，因此选择前置放大器时应首先考 虑运放的输入偏置电流。u o s 同时也包含输入温度漂移电压，静态偏移很容易通 过软件的方法修正，而温漂则很难处理，因此运放的温漂应引起足够注意。 图2 1 1 考虑u o s 和厶的t 型反馈网络及其等效电路 图2 1 l 为考虑了运放输入失调电压，输入偏置电流的t 型反馈网络及其等 效电路。其对应的输出电压： = 一厶局：+ u o s ( ，+ 瓦9 1 21 + 厶。r ： c 2 t 。， 比较公式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) ，我们可以看出t 型反馈网络，虽然使用较小阻值的电 阻就能够获得较大的等效反馈电阻，但是同时由于电阻r 。，对源电阻b 的并联效 应，增大了输入失调电压对输出的影响，因此对运放的偏置电流和失调电压提出 更高的要求。 2 2 3 3i v 转换电路方案的方案选择 由前面三节的分析可知，当待测电流很小的时候，反馈电阻的选取可能会相 当困难，特别是低温漂，高精度的大阻值电阻的选取。通过引入t 型网络提高 浙江大学硕i ：学位论文第二章检测系统原理与设计分析 了等效电阻，降低了对反馈电阻的阻值要求。但是t 型网络牺牲了系统性能， 引入更大的噪声，扩大输入失调电压及温漂特性的影响。对于1 v 转换中使用的 运放，首要考虑的是运放的偏置电流，而运放的温漂和噪声则很难同时兼顾。 因此针对用于检测不同重金属离子的l a p s 器件的响应电流具有不同量级 特点，采用具有不同反馈系数的i v 变换电路。在反馈电阻允许的情况下，优先 采用单电阻反馈网络i v 转换电路；当被检电流较小，必须运用高阻值的反馈电 阻时，则选用t 型反馈网络方案。 同时在跨阻放大器的选择上也很重要，不仅要求运放的输入阻抗高、偏置电 流小、带宽足够大、还要求运放有尽可能高的增益。如a d i 公司的a d 8 6 6 3 ，t i 公司的o p a l 2 9 都是性能优异的跨阻放大器。 2 2 4 交流信号有效值的检测方法 2 2 4 1 峰值检测 图2 1 2 峰值检测电路 峰值检测是交流信号有效值检测最常用的方法。最简单的峰值检测电路由一 个二极管和一个电容组成，如图2 1 2 所以所示。它是利用二极管的单向导电性 和电容器的存储作用来保持信号峰值。当输入信号大于电容c 上的电压值时， 二极管d 导通，电容器被充电至信号峰值时，二极管d 反向截至，电容c 保持 信号峰值。但是在这种电路中存在以下问题： 1 ) 输入阻抗不是一个定值，并且当二极管d 正向导通时，输入阻抗很低。 2 ) 由于二极管d 的阈值电压( 通常为0 6 v ) 使得该电路不能用于检测峰值小 于0 6 v 的信号，并且对于信号峰值大于0 6 v 的输入信号存在检测误差。 3 ) 二极管d 导通电压随外界温度和电流而变化，而二极管的正向电流等于流经 1 6 浙江大学硕士学位论文 第二章检测系统原理与设计分析 电容的电流j ：c 华，因此该电路的检测结果与环境温度及输出信号的变化 a t 率有关。 若把集成运算放大器接成闭环状态，把二极管接在负反馈网络中，如图2 1 3 所示，构成了精密峰值检测电路，这种电路能大大减小二极管d 的阈值电压带来 的影响。此时二极管的阈值电压带来的影响等于阈值电压坼除以集成运放i c l 的开环电压放大倍数a a ，即坼= 珥4 。集成运放的开环电压放大倍数以通常 很大，因此二极管的阈值电压带来的影响已经变的很小，在许多场合这是完全可 以忽略不计的。 面 图2 1 3 精密峰值检测电路 在峰值检测电路中，选择电容c 的容值时必须综合考虑运放输入偏置电流 和最大输出电流所造成的影响。 磊 图2 1 4 消除二极管反向电流影响的峰值检测电路 选用低输入偏置电流的集成运放( 最低可以达到0 0 1 p a ) ，二极管的反向漏 电流引起的电容电压变化远远大于运放输入偏置电流所引起的变化。图2 1 4 为 一能消除二极管反向电流影响的峰值检测电路。当输入电压大于电容电压时，运 放i c i 对电容c 充电，运放i c 2 对输出没有影响。当输入电压小于电容电压时 1 7 浙江大学硕：t = 学位论文 第二章检测系统原理与设计分析 运放处于负饱和状态，而运放i c 2 保持x 点与电容电压相等，从而消除了二极 管d 2 反向漏电流的影响。d l 反向漏电流流经反馈电阻r l 所造成的压降可忽略 不计。 选用聚苯乙烯或聚碳酸酯材料等材料的电容，其漏电流较小，可以减小测量 误差，提高检测精度。但是相比较运放的输入偏置电流，电容漏电流要大的多。 因此电容的漏电流成为决定检测精度的决定性因素。 2 2 4 2 锁相放大器 在测量中噪声是限制和影响测量灵敏度、精确性和重复性的重要因素。对微 弱信号放大和传递影响最大的是元器件中的热噪声，散粒噪声所形成的白噪声和 l f 的低频噪声。这些噪声是无法通过屏蔽等措施消除的。为了减少噪声对有用 信号的影响，常使用窄带滤波器滤除通带外的噪声，以提高信噪比，但是由于一 般滤波器的中心频率不稳定，且它的带宽与中心频率及滤波器品质因数q 有关 等原因，使它不能满足更高的滤除噪声的要求【2 。 锁相放大器是一种能测量微弱周期性信号的仪器，这些信号的量级可以小至 纳伏，甚至当信号淹没在大于其数千倍的噪声当中，也能精确的测得【2 2 1 锁相 放大器实际上是一个模拟的傅立叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压， 正比于输入信号中某一特定频率( 参数输入频率) 的信号幅值【2 3 1 。而输入信号 中的其他频率成分将不能对输出电压构成任何贡献。图2 1 5 是锁相放大器的结构 电路图。 r e f e r e n c e t r i g g e r 图2 1 s 锁相放大器中结构图 锁相放大器采用相敏检测技术( p h a s e s e n s i t i v ed e t e c t i o n ，p s d ) i ) j , 抽取特定频 率与相位的信号，而不同于此频率的噪声则被抑制，提高了输出信号的信噪比。 浙江大学硕士学位论文 第二章检测系统原理与设计分析 具体说来，只有与参考信号频率完全一致的信号才能在乘法器输出端得到直流偏 量，其他信号在输出端都是交流信号2 4 1 。如果在乘法器的输出端加一个低通滤 波器，那么所有的交流信号分量全部被滤掉，剩下的直流分量就只是正比于输入 信号中的特定频率的信号分量的幅值。 锁相放大器的工作原理 r e f e r e n c e l o c k - i nr e f e r e n c e 圈2 1 6 锁相放大器中的参考信号和调制信号 锁相测量需要一个参考频率，通常情况下锁相放大器自身提供了信号源用于 激励被测目标，实验目标的响应信号与激励信号的频率相等，锁相放大器同时生 成相同频率的信号作为参考信号用于测量激励响应。如图2 1 6 所示外部基准信 号( r e f e r e n c e ) d 一频率为魍的方波，假设其为波形发生器的同步信号。由此波形 发生器生成正弦信号激励实验装置，其响应信号为( s i g n a l ) 可以表示为 圪g s i n b f + 晓辔) 。而锁相放大器会由外部基准信号产生对应的正弦波作为参考 信号( l o c k - i nr e f e r e n c e ) ，其可表示为圪s i nr o l t + 吼) 。锁相放大器先将响应信号 放大，并利用p s d 将它与参考信号相乘，因此p s d 的输出为： v p s d = k 辔v ls i n ( t o ，f + 皖辔s i n k 屯，+ 谚可) = 2 l _ z 。喀圪c 。s ，一缈。】f + 一) 一2 l _ v ，喀圪c 。s 呐，+ 缈l + + ) q 1 1 可见此p s d 输出信号包含两个不同频率的交流信号，一为和频信号t o ，+ 国，一为 差频信号( o r 一吼若经过一个低通滤波器，则一般情况下将没有任何信号输 1 9 浙江大学硕士学位论文第二章检测系统原理与设计分析 出，因为所有交流信号都被滤除了。当缈，= 缈，时，经低通滤波的器的输出信号为： = 去圪c 。s 缸留一) ( 2 1 2 ) 输出为直流分量，幅度正比于待测信号的幅度。但是同时输出信号的幅度也依赖 于待测信号与参考信号之间的相位差【2 5 1 。 p s d 输出中除了包含待测信号k ，窖外，还包含噪声信号触。经过低通滤波 器后，仅输出与参考频率相等的信号。而噪声信号经过p s d 后，无论是和频信号 r - o o 妇+ ，还是差频信号船。一，经过低通滤波器后都将被滤除。当然在 真实情况中与参考频率接近的噪声信号仍会通过低通滤波器，其衰减程度取决于 后端低通滤波器的带宽和衰减速度( 或积分器的时间常数) 。 所以，即使有用的信号被淹没在噪