CN109916975A - 一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置，用来测量体液中钙离子浓度，由钙离子选择电极、参比电极、双高阻输入放大单元、差分放大电路、反对数放大单元、数字显示单元等几部分组成。该钙离子浓度检测装置具有斜率调节、定位等功能，可调节参比电极的直流电位，通过补偿电位手段使得参比电极的电位得以差减。同时根据能斯特方程，通过反对数变换可以直接读出浓度值。该直读钙离子计具有体积小、操作简单、方便携带、工作稳定等特点，适合于对骨质疏松患者对体液中钙离子浓度进行实时检测。

Description

一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置

技术领域

本发明属于电化学的钙离子浓度测量技术领域，具体是涉及一种对化学信号产生的弱电信号的检测装置。更具体的说，是涉及一种对离子敏感电极上敏感膜上产生的膜电位进行检测，根据膜电位的大小计算离子活度的一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置。

背景技术

我们知道钙是人体最重要的无机元素之一，其中99％的钙存在于骨骼和牙齿中，因此骨是人体一个巨大的钙储存库。骨质疏松是由于长期骨质流失引起的一种疾病，骨质流失发生的机理是由于骨吸收和骨形成的代谢平衡被打破，骨吸收增加骨形成降低，从而导致钙的缺失。

骨质流失会使得骨质疏松患者体液中钙离子含量发生变化，因此检测体液中钙离子浓度的变化可间接反映骨质疏松患者骨质流失的情况。世界卫生组织建立的地面人群骨质疏松的评价方法主要是骨密度检测的影像学方法，通过双能X线吸收法(DXA)、定量计算机断层扫描成像(QCT)、定量超声成像(QUS)和核磁共振(MRI)等几种成像手段检测骨密度的减少和骨骼微观结构的变化情况，依此来判断骨质流失的发生以及发生的具体部位。但这些仪器存在其一定的缺点，比如操作较为复杂、费用较高、体积较大等，这些因素都使得骨质酥松患者无法实现快速、方便、实时的对骨质疏松进行检测评价。

钙离子计可用于检测骨质疏松患者体液中钙离子的浓度。一般钙离子计由三个部分组成，第一部分是钙离子敏感电极，第二部分参比电极，第三部分为离子计，离子计通常是由阻抗转换器、比例放大器和读出显示器组成。根据奈斯特方程，电极电位值对应于一定浓度值，输出一定的电位值来表示离子浓度。通常钙离子敏感电极内阻很高，一般可达109～1011欧姆，这就要求与其相配的阻抗转换器具有高输入阻抗(大于1014欧姆)和良好的绝缘和屏蔽性能。由于被测体液内离子产生的电信号相当微弱，因此需要对钙离子敏感电极产生的信号放大。目前的离子计大多为双通道高输入阻抗离子计，前置都采用高输入阻抗性能的运算放大器，要求两个运放性能一致，二通道的线路的电线、接头、绝缘性能等都要满足高输入阻抗的要求。其不足之处是结构较复杂、体积较大、操作也不太方便，同时离子计输出值为电压值，必须带入回归曲线，经计算才能得出被测离子的浓度，使用不方便，对使用者两说无法实现随身携带，实时测量，

本发明提供了一种便携式的可对骨质疏松患者体液中钙离子浓度进行检测的装置。该装置在钙离子敏感电极端采用运算放大器做输入放大及阻抗转换器，并通过滑动电阻调节电极斜率；参比电极连接放大器并加一直流电位补偿功能，用于定位调节，同时所得电压值差分放大后连接反对数转换器，通过反对数转换可以直接读出体液中钙离子浓度值。可简单、直观、方便的对体液中钙离子浓度进行检测，实现骨质疏松患者快速、方便、实时的骨丢失评价。

发明内容

为了克服背景技术中存在的现有的测量钙离子浓度装置的使用不便、结构复杂、体积较大等不足，本发明提供了一种体积较小、结构简单、工作稳定、可直读式的钙离子检测装置，其主要特点是直读、便携式，操作简单，适用于骨质疏松患者人群对体液中钙离子浓度进行实时测量的检测装置，已解决背景技术中提出的技术问题。

本发明为克服上述不足而提供一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置，其包括壳体、钙离子敏感电极、参比电极、斜率调节旋钮、定位调节旋钮、按钮S、电源开关、数字显示屏；所述钙离子敏感电极、参比电极通过壳体上的接口与内部电路连接；所述数字显示屏设置在壳体的正面；所述斜率调节旋钮、定位调节旋钮与壳体内部的电路连接；所述按钮S与壳体内部的电位补偿器连接；所述电源开关设置在电源与壳体内部的电路之间。

优选的，所述电源为电池或者家用220V电；所述的电池为可充电电池，也可以为非可充电电池。

优选的，所述的斜率调节旋钮与壳体内部的斜率电位器连接。

优选的，所述定位调节旋钮与壳体内部的定位调节电位器连接。

优选的，该钙离子计还包括运算放大器、差分放大器、定位装置、斜率调节装置、反对数转换器；其中钙离子选择电极连接高输入阻抗前置放大器，参比电极连接放大器的输出端、串接直流电位补偿器，然后两放大器输出端在连接差分放大器，输出再连接反对数转换器、液晶数字显示表。

优选的，所述钙离子敏感电极连接高输入阻抗前置放大器，所述参比电极连接放大器的输出端、串接直流电位补偿器；然后两放大器输出端再连接差分放大器，输出后连接反对数转换器、液晶数字显示表。

优选的，所述钙离子计还包括电源开关，所述电源开关设置在壳体上。

优选的，所述放大器的输入端通过电阻R3与斜率电位器W1的滑动臂连接，R3为分压电阻，R2和W1为反馈电阻，电极斜率调节通过调节运算放大器的反馈滑动电阻W1来实现。可实现对选择电极测得的电压信号放大，并调节电极斜率。

优选的，所述参比电极与放大器3输出端连接，再与电位补偿器串接；所述电位补偿器由电阻R6、按钮S、滑动电阻W2、电源组成。所述电阻R4、R5是决定放大器3放大倍数的两个电阻。可实现对参比电极测得的电压信号放大，并对其电位进行补偿，增加抗干扰能力。

优选的，所述第一放大器2和第一放大器3的输出端分别接入差分放大器4的输入端，将获得的电压放大信号进行差分放大，获得电势差。

根据能斯特方程可知，当温度一定的时候，被测离子浓度与敏感电极相位电势与参比电极相位电势的差值的反对数成线性关系，反对数转换器就是利用半导体p-n结在小电流范围中电流与电压的反对数关系，使反对数转换器的输出值与输入值的反对数成线性关系。通过合适的比例放大和调节，使得输出电压值能准确的表示被测离子浓度值。

优选的，所述反对数转换器选取硅pnp开关三极管3CK2E作为反对数变换元件，R11、R12及热敏电阻Rt组成的分压电路作为温度补偿及使前置级输出电势与3CK2E的反对数转换特性相匹配。

优选的，电位器W3和电位器W4分别组成的偏流调节电路用来调节两只3CK2E反对数特性的差异及运算放大器失调电流引起的不对称特性，使输入电势与输出电势成为准确的反对数特性，可实现反对数转换，将获得的电压差信号转换为被测溶液钙离子浓度信号。

优选的，所述壳体采用金属材质制成，优选为铝合金、镁合金、铜合金、铅合金等；所述壳体表面喷涂金属漆；所述壳体采用冲压的方式进行生产。

优选的，所述壳体的厚度d为0.3-0.85mm，金属漆的的厚度d1为120-180μm；进一步的，所述壳体的厚度d、金属漆的的厚度d1之间满足d·d1大于等于38.5小于等于145。

优选的，所述壳体的密度ρ为2.6-11.4g/cm³；进一步的，为了提高壳体的屏蔽效果，防止外部的电磁辐射对钙离子浓度检测装置产生干扰，造成测量结果不准确，所述壳体的厚度d、金属漆的的厚度d1、壳体的密度ρ之间满足以下关系：

d1＝α·(ρ²/d)+d0；

其中，α为金属漆的的厚度系数，取值范围为0.17-12.8；d0为调节值，取值范围为60-90。

与现有技术相比，本发明的有益效果和优点是：

(1)本发明的数字直读便携式钙离子浓度检测装置是一种体积较小、结构简单、工作稳定、可直读式的检测装置。其主要特点是直读、便携式，操作简单，适用于骨质疏松患者人群对体液中钙离子浓度进行实时测量的检测装置。

(2)本发明的数字直读便携式钙离子浓度检测装置，放大器的输入端通过电阻R3与斜率电位器W1的滑动臂连接，R3为分压电阻，R2和W1为反馈电阻，电极斜率调节通过调节运算放大器的反馈滑动电阻W1来实现。可实现对选择电极测得的电压信号放大，并调节电极斜率。

(3)本发明的数字直读便携式钙离子浓度检测装置，参比电极与放大器3输出端连接，再与电位补偿器串接；所述电位补偿器由电阻R6、按钮S、滑动电阻W2、电源组成。所述电阻R4、R5是决定放大器3放大倍数的两个电阻。可实现对参比电极测得的电压信号放大，并对其电位进行补偿，增加抗干扰能力。

(4)本发明的数字直读便携式钙离子浓度检测装置，通过参比电极、斜率调节、定位调节，以提高对钙离子测量的准确性。

(5)本发明的数字直读便携式钙离子浓度检测装置，通过设置壳体的材质、结构，以及厚度密度的范围及关系，提高壳体的屏蔽效果，防止外部的电磁辐射对钙离子浓度检测装置产生干扰，造成测量结果不准确。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明便携式数字直读钙离子检测装置作进一步详细说明。

图1为本发明的原理图。

图2为本发明外形正面示意图。

图中：1.钙离子敏感电极；2.参比电极；3.斜率调节旋钮；4.定位调节旋钮；5.按钮S；6.电源开关；7.数字显示器。

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，所描述的实施例仅仅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。

如图2所示，数字直读便携式钙离子浓度检测装置，其包括钙离子敏感电极1、参比电极2、斜率调节旋钮3、定位调节旋钮4、按钮S5、电源开关6、数字显示屏7。

如图1所示，钙离子选择电极输入端连接高输入阻抗前置放大器1，放大器2的输入端通过电阻R3与斜率电位器W1的滑动臂连接，R3为分压电阻，R2和W1为反馈电阻。电极斜率调节通过调节运算放大器的电位器W1来实现。参比电极与放大器3输出端连接，再与电位补偿器串接。所述电位补偿器由电阻R6、按钮S、滑动电阻W2、电源组成。R4、R5是决定放大器3放大倍数的两个电阻。所述第一放大器2和第二放大器3的输出端分别接入差分放大器4的输入端进行差分放大。所述反对数转换器选取硅pnp开关三极管3CK2E作为反对数变换元件，R11、R12及热敏电阻Rt组成的分压电路作为温度补偿及使前置级输出电势与3CK2E的反对数转换特性相匹配。

电位器W3和电位器W4分别组成的偏流调节电路用来调节两只3CK2E反对数特性的差异及运算放大器5、6失调电流引起的不对称特性，使输入电势与输出电势成为准确的反对数特性。根据能斯特方程可知，当温度一定的时候，被测离子浓度与敏感电极相位电势与参比电极相位电势的差值的反对数成线性关系，反对数转换器就是利用半导体p-n结在小电流范围中电流与电压的反对数关系，使反对数转换器的输出值与输入值的反对数成线性关系，通过合适的比例放大和调节，使得输出电压值能准确的表示被测离子浓度值。

如图2所示，使用时，打开电源开关6，将钙离子敏感电极1和参比电极2插入第一种钙离子标准溶液中。按下按钮S 5，调节定位调节旋钮4，使数字显示器7上的显示值等于标准溶液浓度值，放开按钮S 5。取出钙离子敏感电极1和参比电极2，纯水充分冲洗、擦干，插入第二种钙离子标准溶液中，调节斜率调节旋钮3，使得数字显示器7上显示值为该标准溶液的浓度值。定位调节和斜率调节后即可检测被测体液中钙离子溶液，将钙离子敏感电极1和参比电极2用纯水冲洗、擦干后插入被测溶液中，待数字显示器7上的显示值稳定后，读取被测溶液浓度值。

在工作时，通过两种标准溶液完成定位和斜率调节功能，并通过两个硅pnp开关三极管作为反对数转换元件，完成对电压的反对数转换，达到浓度直读功能。本申请的只读钙离子计采用便携式的外观设计，携带方便，操作简单，便于骨质疏松患者进行实时检测。

所述壳体采用金属材质制成，优选为铝合金、镁合金、铜合金、铅合金等；所述壳体表面喷涂金属漆；所述壳体采用冲压的方式进行生产。

所述壳体的厚度d为0.3-0.85mm，金属漆的的厚度d1为120-180μm；进一步的，所述壳体的厚度d、金属漆的的厚度d1之间满足d·d1大于等于38.5小于等于145。

所述壳体的密度ρ为2.6-11.4g/cm³；进一步的，为了提高壳体的屏蔽效果，防止外部的电磁辐射对钙离子浓度检测装置产生干扰，造成测量结果不准确，所述壳体的厚度d、金属漆的的厚度d1、壳体的密度ρ之间满足以下关系：

d1＝α·(ρ²/d)+d0；

其中，α为金属漆的的厚度系数，取值范围为0.17-12.8；d0为调节值，取值范围为60-90。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置，其特征在于，包括壳体、钙离子敏感电极、参比电极、斜率调节旋钮、定位调节旋钮、按钮S、电源开关、数字显示屏；所述钙离子敏感电极、参比电极通过壳体上的接口与内部电路连接；所述数字显示屏设置在壳体的正面；所述斜率调节旋钮、定位调节旋钮与壳体内部的电路连接；所述按钮S与壳体内部的电位补偿器连接；所述电源开关设置在电源与壳体内部的电路之间。

2.根据权利要求1所述的一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置，其特征在于，所述电源为电池或者家用220V电。

3.根据权利要求1或2所述的一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置，其特征在于，所述的斜率调节旋钮与壳体内部的斜率电位器连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置，其特征在于，所述定位调节旋钮与壳体内部的定位调节电位器连接。

5.根据权利要求1所述的一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置，其特征在于，工作时，通过两种标准溶液完成定位和斜率调节功能，并通过两个硅pnp开关三极管作为反对数转换元件，完成对电压的反对数转换，达到浓度直读功能。

6.根据权利要求1或2所述的一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置，其特征在于，所述放大器的输入端通过电阻R3与斜率电位器W1的滑动臂连接，R3为分压电阻，R2和W1为反馈电阻。

7.根据权利要求1或2所述的一种数字直读便携式钙离子浓度检测装置，其特征在于，所述参比电极与放大器3输出端连接，再与电位补偿器串接；所述电位补偿器由电阻R6、按钮S、滑动电阻W2、电源组成。