CN101907654B - 用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于探测大动态微弱电流、要求实时记录并显示测量数据、可用于辐射探测的微弱电流探测装置，包括直流电源模块、微弱电流放大及I-V转换电路、A/D转换电路、用于完成数据处理及量程切换及数据通信功能的中央控制单元、通过选择反馈网络的反馈通路来实现自动量程选择的量程选择开关电路以及用户终端。本发明实现了自动量程切换，在微弱电流放大及I-V转换电路U2的反馈网络采用了T型电阻网络结构，提高了反馈网络的等效电阻，克服了一般高阻带来的温度漂移和容抗影响，从而解决了现有微弱信号测量设备量程小、响应慢、分辨率低等技术问题，使精度达到了0.1pA以下，分辨率为10fA。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于辐射探测的微弱电流探测装置，尤其涉及一种用于探测大动态微弱电流、要求实时记录并显示测量数据的测量装置。
背景技术
辐射探测就是要记录核辐射粒子(包括γ辐射、中子辐射、α和β辐射等)的数目，鉴别粒子的种类，测定它的注量率及确定核辐射的能量分布。随着核物理和粒子物理实验研究的不断深入以及探测器灵敏度的不断提高，探测器输出的电压和电流信号往往十分微弱，微弱电流信号甚至在皮安量级以下。这种微电流信号用普通的电流表是无法测量的，特别是在光电管、光电倍增管等探测器的灵敏度、暗电流等参数标定中，需要用到小电流计之类的专用设备来测量。小电流计对设计电路有极高的要求，包括要求有较快的响应速度以便于分析探测器输出的微小变化，要求有很低的外部噪声以避免对微电流信号的干扰，要求放大器有极高的输入阻抗以便于对小至皮安量级的微电流进行放大以后适于后级测量。而现有产品很难达到辐射探测中对微弱电流探测的要求。
目前，电子学测量中常采用的方法有三种：一种是高输入阻抗法，就是把输入电流转换成已知电阻两端的压降。这种方法对反馈电阻、放大器和系统抗干扰能力的要求很高，而且输入动态范围受放大器的增益和反馈电阻阻值限制。
第二种方法叫对数放大法，将高输入阻抗法的跨阻换成了二极管或三级管，输出就表现出对数的性质。这种方法可以轻松实现大动态范围测量，但是会影响准确度和分辨率。
第三种方法叫积分放大法，是把输入电流转换成已知电容两端的压降。该方法用开关控制充放电，必然存在死时间，而且响应时间慢，还存在电容大小选择的问题。
发明内容
本发明目的是提供一种可实时测量并显示，可测量0.1皮安至2.5毫安大动态电流，并可自动选择量程的用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，其解决了现有微弱信号测量设备量程小、响应慢、分辨率低等技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，特殊之处是，所述探测装置包括可提供直流电源的直流电源模块U1、用于输入信号放大及转换的微弱电流放大及I-V转换电路U2、用于实现模拟信号调制的A/D转换电路U3、用于完成数据处理及量程切换及数据通信功能的中央控制单元U4、通过选择反馈网络的反馈通路来实现自动量程选择的量程选择开关电路U6以及用户终端；
上述微弱电流放大及I-V转换电路U2包括集成运算放大器A和反馈网络；所述集成运算放大器A的反相输入端接输入信号，其正相输入端接地，其输出端接A/D转换电路U3的输入端；所述反馈网络由第一单反馈电阻R1、第二单反馈电阻R2以及T型电阻网络RT并联组成，其一端接集成运算放大器A的输出端，另一端接集成运算放大器A的反相输入端；所述T型电阻网络RT包括第一串联电阻R3、第二串联电阻R4以及接地电阻R5，其中第一串联电阻R3和第二串联电阻R4串联，接地电阻R5的一端接地，其另一端接第一串联电阻R3和第二串联电阻R4的连接点；
上述量程选择开关电路U6包括与第一单反馈电阻R1串联的第一继电器开关K1、与第二单反馈电阻R2串联的第二继电器开关K2、与T型电阻网络RT串联的第三继电器开关K3、用于控制第一继电器开关K1的第一光电耦合器S1、用于控制第二继电器开关K2的第二光电耦合器S2和用于控制第三继电器开关K3的第三光电耦合器S3；所述第一光电耦合器S1的控制端口P1、第二光电耦合器S2的控制端口P2、第三光电耦合器S3的控制端口P3分别受中央控制单元U4控制。
上述用户终端可为计算机平台U8，所述计算机平台U8可通过USB接口与中央控制单元U4通讯，实现控制操作和显示记录。
上述用户终端还可为显示单元U4，所述显示单元U4与中央控制单元U4连接，实现数据的显示。
上述用户终端还包括控制面板U7；所述控制面板U7可以向中央控制单元U4发送中断请求、实现自动或手动量程选择和采样频率选择。
上述第一单反馈电阻R1、第二单反馈电阻R2、T型电阻网络RT的电阻阻值之比具体可为R1∶R2∶RT＝1∶1000∶1000000。
上述直流电源模块U1包括双极性开关直流电源+VCC/-VCC和电源处理网络；所述双极性开关直流电源为低纹波±12V/1A电源，所述电源处理网络将双极性开关直流电源电压调整为适合探测装置工作的低纹波工作电压。
上述第一单反馈电阻R1、第二单反馈电阻R2、T型电阻网络RT第一串联电阻R3为高精度低温度系数电阻。
上述第一光电耦合器S1、第二光电耦合器S2、第三光电耦合器S3取自贴片式四合一集成光电耦合器；所述第一继电器开关、第二继电器开关和第三继电器开关为贴片式低热电势继电器；所述A/D转换电路U3为一个电荷平衡式转换器，采用∑-Δ过采样转换技术，实现24位无误码模拟信号调制；所述集成运算放大器A为LMP7721。
本发明所具有的优点：
1、本发明在微弱电流放大及I-V转换电路U2的反馈网络采用了T型电阻网络结构，提高了反馈网络的等效电阻，克服了一般高阻带来的温度漂移和容抗影响，使精度达到了0.1pA以下，分辨率为10fA。
2、本发明实现了自动量程切换，扩大了输入动态范围，使测量更方便，也避免了因输入大于单量程造成的过载损坏。
3、本发明采用光电耦合技术实现对继电器的控制，将模拟地和数字地隔离，解决了数字地对模拟地的串扰问题，同时也方便了继电器的控制。
4、本发明采用高位A/D转换电路，分辨率达到24位，避免了模拟数字转换带来的精度问题。
5、本发明所采用器件都为低噪声器件，系统噪声很小，不影响微弱电流信号测量。
6、本发明具有方便的USB人机交互界面，使用者可以通过计算机方便地完成控制、显示和记录。同时控制计算机可以远离实验现场，避免了辐射探测实验中辐射场对实验操作人员的辐射损伤。
7、由于现有能符合辐射探测中对微弱电流探测要求的设备价格昂贵、容易损坏、维修周期长，本发明采用普通电路实现对微弱电流探测，可降低成本。
8、本发明解决了微弱电流测量中的噪声干扰问题以及大动态与测量精度的矛盾，具有方便的控制界面，能够准确完成皮安级至毫安级电流的探测。
附图说明
图1为现有高输入阻抗法原理图；
图2为现有对数放大法原理图；
图3为现有积分放大法原理图；
图4为本发明用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置原理框图；
图5为本发明用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置的微弱电流放大及I-V转换部分U2和量程选择开关部分U6的实施例电路图。
具体实施方式
本发明用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，参见图4，包括可向微弱电流探测装置提供直流电源的直流电源模块U1、微弱电流放大及I-V转换电路U2、A/D转换电路U3、中央控制单元U4、用户终端、量程选择开关电路U6。
用户终端可以是计算机平台U8，计算机平台U8可通过USB接口与中央控制单元U4通讯，实现控制操作和显示记录；具体控制操作包括发送中断请求、实现自动或手动量程选择和采样频率选择。
用户终端还可以是显示单元U4和控制面板，显示单元U4与中央控制单元U4连接，实现数据的显示；控制面板U7可以向中央控制单元U4发送中断请求、实现自动或手动量程选择和采样频率选择。
参见图5，直流电源模块U1包括双极性开关直流电源+VCC/-VCC和电源处理网络；直流电源模块U1分别为微弱电流放大及I-V转换电路U2、A/D转换电路U3、中央控制单元U4和显示单元U5提供直流工作电压。考虑到电源引入噪声对系统性能的严重影响，直流电源模块U1的作用就是将电源引入的噪声通过稳压器转换和滤波等手段控制到最低。电源处理网络将双极性开关直流电源电压调整为适合探测装置工作的低纹波工作电压。
微弱电流放大及I-V转换电路U2，正相输入端接地，输出端接A/D转换电路U3的输入端，集成运算放大器A的反相输入端和输出端之间是反馈网络。反馈网络用于得到适于模数转换的电压，通过U2的转换，输入电流便可转换为适于模数转换的电压。反馈网络受量程选择开关电路U6控制，可选则继电器开关K1、K2、K3的闭合，从而选择不同反馈通路，完成不同量程的切换。
A/D转换电路U3设置在微弱电流放大及I-V转换电路U2之后，是一个电荷平衡式转换器。它采用∑-Δ过采样转换技术，将U2的输出电压采样调制，实现24位无误码模拟数字转换。
中央控制单元U4为一个现场可编程逻辑门整列FPGA，用于完成数据保存，数据处理、输出显示、量程切换以及与计算机通讯等功能。数据处理主要包括偏置调整和平均的处理。采样数据通过适当处理保存在寄存器中，通过对寄存器中数据的读取和串行传输，可将寄存器中的数据显示在液晶显示屏和计算机平台上。中央控制单元U4受计算机平台U8的控制，可以改变采样频率和量程选择控制端口P1、P2、P3的控制信号，从而实现计算机控制。
显示单元U5采用的是带国标汉字字库系列图形点阵液晶显示模块。可通过中央控制单元U4对其端口的控制和通信，实现测量数据的实时显示。
量程选择开关电路U6由控制端口、光电耦合部分和继电器控制三部分组成。控制端口P1、P2、P3由中央控制单元U4控制；控制端口信号用于驱动不同光电耦合器S1、S2、S3及相应继电器开关K1、K2、K3。光电耦合器为贴片式四合一集成光电耦合器，继电器为贴片式低热电势继电器。
控制面板U7，是一个薄膜开关键盘。通过按动薄膜开关按钮，可以向中央控制单元U4发送中断请求，完成量程选择(包括自动量程和手动量程档位的选择)和采样频率选择。
计算机平台U8，通过USB接口与中央控制单元U4完成数据通讯与控制，同时实现数据实时显示，描点趋势图的显示，实验数据的文本记录等功能。控制内容包括量程选择(包括自动量程和手动量程档位的选择)，采样频率选择等。
各电阻阻值可按照以下原则选取，第一单反馈电阻、第二单反馈电阻、T型电阻网络RT的电阻阻值之比为R1∶R2∶RT＝1∶1000∶1000000。
例如：第一单反馈电阻R1＝1kΩ、第二单反馈电阻R2＝1MΩ，第一串联电阻R3＝100MΩ，第二串联电阻R4＝100Ω，接地电阻R5＝10Ω，则T型电阻网络RT的等效反馈电阻约为1G。当输入电流Iin＝1pA，量程控制选择为自动档，中央控制单元U4对输入信号进行判断后输出P1＝0V，P2＝0V，P3＝5V。这时S3被驱动，K1、K2开启，K3闭合，反馈通路为R3、R4、R5组成的T型电阻网络RT。经微弱电流放大及I-V转换电路U2后，输出电压Vout＝1mV，A/D转换电路U3将Vout转换为数字信号，并将其传给中央控制单元U4进行处理、存储并通信。显示单元U5或者计算机平台U8接收到这组数据，显示出来，这就完成了一次实时测量。
Claims (8)
1.一种用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，其特征在于：所述探测装置包括可提供直流电源的直流电源模块(U1)、用于输入信号放大及转换的微弱电流放大及I-V转换电路(U2)、用于实现模拟信号调制的A/D转换电路(U3)、用于完成数据处理及量程切换及数据通信功能的中央控制单元(U4)、通过选择反馈网络的反馈通路来实现自动量程选择的量程选择开关电路(U6)以及用户终端；
所述微弱电流放大及I-V转换电路(U2)包括集成运算放大器(A)和反馈网络；所述集成运算放大器(A)的反相输入端接输入信号，其正相输入端接地，其输出端接A/D转换电路(U3)的输入端；所述反馈网络由第一单反馈电阻(R1)、第二单反馈电阻(R2)以及T型电阻网络(RT)并联组成，其一端接集成运算放大器(A)的输出端，另一端接集成运算放大器(A)的反相输入端；所述T型电阻网络(RT)包括第一串联电阻(R3)、第二串联电阻(R4)以及接地电阻(R5)，其中第一串联电阻(R3)和第二串联电阻(R4)串联，接地电阻(R5)的一端接地，其另一端接第一串联电阻(R3)和第二串联电阻(R4)的连接点；
所述量程选择开关电路(U6)包括与第一单反馈电阻(R1)串联的第一继电器开关(K1)、与第二单反馈电阻(R2)串联的第二继电器开关(K2)、与T型电阻网络(RT)串联的第三继电器开关(K3)、用于控制第一继电器开关(K1)的第一光电耦合器(S1)、用于控制第二继电器开关(K2)的第二光电耦合器(S2)和用于控制第三继电器开关(K3)的第三光电耦合器(S3)；所述第一光电耦合器(S1)的控制端口(P1)、第二光电耦合器(S2)的控制端口(P2)、第三光电耦合器(S3)的控制端口(P3)分别受中央控制单元(U4)控制。
2.根据权利要求1所述的用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，其特征在于：所述用户终端为计算机平台(U8)，所述计算机平台(U8)通过USB接口与中央控制单元(U4)通讯，实现控制操作和显示记录。
3.根据权利要求1所述的用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，其特征在于：所述用户终端为显示单元(U5)，所述显示单元(U5)与中央控制单元(U4)连接，实现数据的显示。
4.根据权利要求3所述的用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，其特征在于：所述用户终端还包括控制面板(U7)；所述控制面板(U7)向中央控制单元(U4)发送中断请求，实现自动或手动量程选择和采样频率选择。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，其特征在于：所述第一单反馈电阻(R1)、第二单反馈电阻(R2)、T型电阻网络(RT)的电阻阻值之比为R1∶R2∶RT＝1∶1000∶1000000。
6.根据权利要求5所述的用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，其特征在于：所述直流电源模块(U1)包括双极性开关直流电源+VCC/-VCC和电源处理网络；所述双极性开关直流电源为低纹波±12V/1A电源，所述电源处理网络将双极性开关直流电源电压调整为适合探测装置工作的低纹波工作电压。
7.根据权利要求6所述的用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，其特征在于：所述第一单反馈电阻(R1)、第二单反馈电阻(R2)、T型电阻网络(RT)、第一串联电阻(R3)为高精度低温度系数电阻。
8.根据权利要求6所述的用于辐射探测的大动态微弱电流探测装置，其特征在于：所述第一光电耦合器(S1)、第二光电耦合器(S2)、第三光电耦合器(S3)取自贴片式四合一集成光电耦合器；所述第一继电器开关、第二继电器开关和第三继电器开关为贴片式低热电势继电器；所述A/D转换电路(U3)为一个电荷平衡式转换器，采用∑-Δ过采样转换技术，实现24位无误码模拟信号调制；所述集成运算放大器(A)为LMP7721。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |