CN114280361A - 一种微弱电流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微弱电流测量装置，包括检测组件、转换组件、电源组件和校准组件，校准组件用于各组件检测数据的修正，并被配置为：基于当前待检测装置的电流源情况，进行手动校准或自动校准的选择。自动校准包括：调整到各检测挡位并分别进行若干次检测，以检测均值作为各组件检测数据的修正标准。本发明的微弱电流测量装置基于高阻法原理设计，并设计校准组件作为该装置的前置组件，在保证装置检测微弱电流时具有较快速度的同时，将量程变更电路集成到计算单元和电流信号转换电路之间，使得使用者能够根据待测电流的大致范围调节至合适量程，保证测量的精准度，使得装置同时具有高性能和实用性，为放射性药品活度现场测量的实际应用打下了基础。

Description

一种微弱电流测量装置

技术领域

本发明涉及极微弱电流检测技术领域，尤其涉及一种微弱电流测量装置。

背景技术

一般将nA量级以下的电流定义为微弱电流，在核技术应用、电离辐射、电化学以及材料学等多领域的科研工作中，经常需要开展关于微弱电流的检测。其中尤其是核医学，由于越来越多的短寿命或超短寿命人工核素应用于临床诊断和治疗，这些核素随着时间高速蜕变，这一特性为活度的绝对测量以及需要随时进行的结果核对工作造成了很大困难。

目前，中国计量科学研究院(NIM)研制了4πγ高压电离室活度测量系统，用于核素活度的快速测量与量值传递。该测量系统由4不γ高压电离室和极微弱电流检测电路组成。其中，极微弱电流检测电路是整个活度测量系统的关键部件。针对4不γ电离室的电流输出具有电流本底低、范围宽等特点，应用于电离室的微弱电流测量电路应具有如下特殊技术要求：

1、具有自动刻度校准功能，刻度校准操作简便；

2、具有fA(1fA＝1O-15A)级的电离室本底电流检测能力；

3、测量动态范围宽，几十fA至mA量级(电离室测量任务中的待测微弱电流信号范围常跨越多个数量级)；

4、具有较快的检测速度，有利于现场检测；

5、电流值检测精度高且示数稳定。

微弱电流检测的难点还在于待测电流信号幅度小，导致极易受到各类干扰源的影响，例如电学噪音、机械振动以及外界磁场的影响。不仅如此，外部温度、湿度以及场景空间大小的差异对电流环境适应能力和体积也有要求，导致基于大体积高值电阻的电流信号转换法无法使用。

针对4πγ电离室的输出电流特性，中国计量科学研究院(NIM)所研制的4πγ高压电离室活度测量系统中的极微弱电流检测电路可测量电流值的范围是0.1pA～10hA。该电路利用了汤姆逊平衡法作为静电计的原理，在保证了比较高的测量精度的同时大大扩充了动态监测范围。但是该设备也存在两点不足：首先汤姆逊平衡法是以牺牲较小电流的检测响应时间来保证极微弱电流的检测精度，其测量电离室本底微弱电流需要几个小时的检测时间，所以基于该技术的电流检测速度较慢；其次，使用了较多集成度低的分立元件，设备体积相当于一台家用立式冰箱大小。基于以上两点，该设备不具备现场实时测量的功能。

相关技术中，医学水平的发展导致使得越来越多的短半衰期、不同活度的放射性核素应用于核医学临床诊断及治疗，对活度计的检测响应时间、检测精确度都提出了更高的要求，研制一款具有更高精度，更广的活度测量范围以及更快响应速度的小体积放射性活度计迫在眉睫。作为活度计的核心部件，极微弱电流检测电路必须具有更广的电流测量动态范围，更高的测量精度与更快的响应速度，因此需要设计适合现场测量的、满足针对4πγ电离室的电流输出特性的极微弱电流检测电路。

中国专利CN101353237B公开了一种微电流检测电路、微电流切换电路，微电流检测电路包括采样电阻，采样电阻的一端与识别电路及被检测电路的检测端连接，采样电阻的另一端与电源及箝位电路连接；识别电路与箝位电路连接；识别电路及箝位电路均包括三极管；识别电路与箝位电路中的三极管型号相同；箝位电路中三极管的发射极偏置电压＝电源电压-箝位电压，识别电路中三极管的发射极偏置电压＝检测端电压-箝位电压；箝位电压为识别电路与箝位电路连接点处的电压。由于识别电路的识别电压为0.2V左右，微电流检测电路可能够检测采样电阻中流过的mA级电流。微电流切换电路中，微电流检测电路连接有切换电路。根据检测电流结果控制切换电路，实现电路切换。该专利的缺陷在于：检测精度过低，只达到mA级电流，无法使用至4πγ高压电离室的极微弱电流检测中，并且该专利缺少量程切换以及校准功能。

中国专利CN101907654A，公开了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。该专利的缺陷在于：虽然该专利具有量程切换功能以及能够达到0.1pA以下的检测精度，但是其量程切换电路仅仅是多个单一量程切换电路的叠加，并未针对叠加后的量程切换电路可能产生的校准难度提高、噪声引入干扰等多种问题提出解决方案。并且不具有自动校准、保护、屏蔽电磁信号干扰、滤除内部噪音干扰、抑制电源和地的噪音信号的引入以及在保证消除噪音干扰的同时，能够进行通讯传输等多种复合功能，对于4πγ高压电离室活度测量系统来说，太过简陋，其并不适用。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于发明人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明的技术方案是提供一种微弱电流测量装置，包括：检测组件、转换组件和电源组件，其特征在于，所述装置还包括：校准组件，所述校准组件用于各组件检测数据的修正，所述校准组件被配置为：基于当前待检测装置的电流源是否接入所述待检测装置或是否提供校准信号，进行手动校准或自动校准的选择，其中，所述自动校准包括：基于所述检测组件中的用于拓宽量程的量程变更电路所具有的各检测挡位，以不进行电流输入的方式依次对所述各检测挡位分别进行若干次检测，将检测均值作为各组件检测数据的修正标准。本发明的微弱电流测量装置基于高阻法原理设计，并设计了校准组件作为该装置的前置检测组件，在保证装置检测微弱电流具有较快速度的同时，保证测量的精准度，使得装置同时具有高性能和实用性。

根据一种优选的实施方式，所述校准组件运行于所述检测组件之前，并进行仪器是否校准的选择，若不进行校准，所述检测组件运行，并进行电流值的检测；若进行校准，基于当前待检测装置的电流源情况，进行手动校准或自动校准的选择，若校准为手动校准，基于各挡位的零电平校准与满量程校准，利用电流源输入电流值进行精准校准；若校准为自动校准，基于不进行电流输入的情况下，对各检测挡位进行若干次检测，以检测均值作为各组件检测数据的修正标准。校准组件对微小电流测量装置进行数据校准，解决了校准极微弱电流源价格昂贵，导致很难保证每一台电流检测的仪器都配有一台可以为其提供校准信号的电流源的问题，并且在提供了快速以及高精度的校准后，也为将微小电流测量装置后续的量程精度设计以及降噪设计提供了实施基础，解决了为获得更小体积、更少噪音以及更精准测量范围带来的校准难度上升的问题。

根据一种优选的实施方式，所述检测组件包括电流信号转换电路、滤波电路、模数转换电路和量程变更电路，所述电流信号转换电路包括静电计级运放；所述静电计级运放的输入端用于接收待测量的电流信号，输出端连接到所述滤波电路，其中，所述电流信号转换电路基于高阻法原理于待测量电流信号的输入端设置有第一电阻，并于静电计级运放的输出端设有第二电阻，所述第一电阻和第二电阻用于将待测量电流信号转换为电压信号，并用于以稳定所述待测量电流信号的方式提高电流检测响应速度。被测电流通过经过高阻值的第一电阻转换为合适范围内的电压信号，再通过检测到电压信号的特性以及反馈电阻阻值的大小，计算出被测电流的大小，其响应速度非常迅速，得到的电流值稳定，并且本发明设置的滤波电路也减少数字信号处理所耗费的时间，实现了快速测量的功能。

根据一种优选的实施方式，所述转换组件用于对所述模数转换电路输出的数字信号进行处理，并输出电流信号的检测值，所述转换组件包括计算单元、通信电路和监控电路，所述计算单元与所述模数转换电路连接，所述通信电路和监控电路分别和所述计算单元电连接，所述计算单元通过所述通信电路与上位机通信连接。

根据一种优选的实施方式，所述量程变更电路包括若干个挡位电路，用于提供极宽量程电路检测，所述若干个挡位电路组成了变更量程的电阻网络，所述若干个挡位电路基于所述计算单元的电平信号控制是否接入所述电流信号转换电路的反馈网络中。以多个定值电阻构成了切换量程的电阻网络，能够快速、准确地切换检测量程，达到宽量程快速测量的目的。并且本发明的校准组件与量程变更电路配合，解决了接入多个定值电阻，即挡位电路进行扩展带来的校准难度提升的问题，使得在校准度满足4πγ电离室活度测量的前提下，接入多个定值电阻也不会影响其校准度改变。

根据一种优选的实施方式，所述装置还包括屏蔽组件和保护组件，其中，所述装置的PCB板采用环氧树脂材质制成，所述PCB板上，待测量电流信号的输入端设有保护组件中的保护环，所述保护环以将待测量电流信号的输入端包围的方式设置并用于提高检测组件性能，所述PCB板的下层设有保护层。

根据一种优选的实施方式，所述屏蔽组件设置于高阻抗输入与干扰源之间，所述屏蔽组件包括第一屏蔽体和第二屏蔽体，其中，所述第一屏蔽体连接于静电计级运放的保护电平管脚，所述第二屏蔽体电气连接到低阻抗源，所述屏蔽组件为内外分层结构，所述第一屏蔽体位于内层，所述第二屏蔽体位于外层。其中，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体用于降低电磁信号干扰。连接于保护电平管脚的第一屏蔽体和连接于低阻抗源的第二屏蔽体解决了静电计级别的运放受到不可抗力的影响，例如手或纸张的移动，并且同时降低了环境中各种电磁信号的干扰。

根据一种优选的实施方式，所述滤波电路包括用于模拟信号搭建的八阶有源低通滤波器、用于ADC的可编程滤波器和用于数字信号噪声的滤波算法。所述滤波电路以所述八阶有源低通滤波器、可编程滤波器和滤波算法组成并用于降低所述保护组件和所述屏蔽组件不能抑制的内部噪音干扰，例如机械振动噪声、元器件的热噪声、工频干扰等噪声，极大提高了电流值测量的精密度。

根据一种优选的实施方式，所述电源组件基于限制噪声信号从电源和地信号的引入，设置有模拟电源和数字电源，所述模拟电源和数字电源以分开供电的方式分别向所述检测组件和转换组件供电，其中，所述数字电源以两路隔绝的方式通过电平转换后，一路向所述计算单元和监控电路供电，另一路向通信电路供电。所述模拟电源和所述数字电源用于模拟信号、数字信号和通讯信号三部分供电的完全隔离，解决了在上述的保护、屏蔽以及滤波后，噪音源头所产生的噪音，即在噪声的源头处进行抑制处理，极大程度地限制噪声信号从电源和地信号的引入。

根据一种优选的实施方式，所述模数转换电路包括基准电压源和模数转换器；所述基准电压源连接于所述模数转换器的REF管脚，所述模数转换器的输出端连接到所述转换组件，所述模数转换电路与所述转换组件之间通过基于磁隔离器设计的信号传输电路进行通信连接。所述信号传输电路用于模拟信号、数字信号和通讯信号三部分供电隔离后的通讯，在保证了模拟电路免受数字信号电平频繁转换带来的噪声干扰的同时，又确保了各部分组件能够进行良好的通讯传输。

本发明的有益技术效果：

(1)本发明的微弱电流测量装置基于高阻法原理设计，并设计了校准组件作为该装置的前置检测组件，在保证装置检测微弱电流具有较快速度的同时，通过将量程变更电路集成到计算单元和电流信号转换电路之间，使得使用者能够根据待测电流的大致范围调节至合适量程，保证测量的精准度。本发明的设计方案使得装置同时具有高性能和实用性，为放射性药品活度现场测量的实际应用打下了基础；

(2)通过校准组件对微小电流测量装置进行数据校准，解决了校准极微弱电流源价格昂贵，导致很难保证每一台电流检测的仪器都配有一台可以为其提供校准信号的电流源的问题，并且在提供了快速以及高精度的校准后，也为将微小电流测量装置后续的量程精度设计以及降噪设计提供了实施基础，解决了为获得更小体积、更少噪音以及更精准测量范围带来的校准难度上升的问题，而不仅是一个附加的功能；

(3)通过在待测量电流信号的输入端设置第一电阻，并在静电计级运放的输出端设置第二电阻，将待测量电流信号转换为电压信号，并以稳定待测量电流信号的方式提高电流检测响应速度。被测电流通过经过高阻值的第一电阻转换为合适范围内的电压信号，再通过检测到电压信号的特性以及反馈电阻阻值的大小，计算出被测电流的大小，其响应速度非常迅速，得到的电流值稳定，并且本发明设置的滤波电路也减少数字信号处理所耗费的时间，实现了快速测量的功能；

(3)通过量程变更电路的若干个挡位电路，以多个定值电阻构成了切换量程的电阻网络，能够快速、准确地切换检测量程，达到宽量程快速测量的目的。并且本发明的校准组件与量程变更电路配合，解决了接入多个定值电阻，即挡位电路进行扩展带来的校准难度提升的问题，使得在校准度满足 4πγ电离室活度测量的前提下，接入多个定值电阻也不会影响其校准度改变；

(4)量程变更电路中的继电器的控制部分由数字电源进行供电，通过数字电源的两路隔离设计，并且计算单元输出的数字信号也与模拟信号部分进行隔离设计，使得多个量程变更电路的接入带来噪声的干扰可忽略不计；

(5)通过在测量电流信号的输入端设置的保护环以及PCB板的下层设置的保护层，以将需要保护的目标信号包围的方式有效地提高了检测组件的性能；

(6)通过设置于高阻抗输入与干扰源之间的屏蔽组件以及屏蔽组件的内外分层结构，连接于保护电平管脚的第一屏蔽体和连接于低阻抗源的第二屏蔽体解决了静电计级别的运放受到不可抗力的影响，例如手或纸张的移动，并且同时降低了环境中各种电磁信号的干扰；

(7)本发明设置的三种滤波方式，分别是针对模拟信号搭建的八阶有源低通滤波器、ADC内部的可编程滤波器以及针对数字信号噪声的软件滤波算法，降低了上述保护组件和屏蔽组件不能抑制的内部噪音干扰，例如机械振动噪声、元器件的热噪声、工频干扰等噪声，极大提高了电流值测量的精密度；

(8)本发明通过将电源组件按照模拟信号供电和数字信号供电的方式分为模拟电源和数字电源，其中数字电源以两路隔绝的方式通过电平转换后，一路向所述计算单元和监控电路供电，另一路向通信电路供电。如此设计的电源组件解决了在上述的保护、屏蔽以及滤波后，噪音源头所产生的噪音，即在噪声的源头处进行抑制处理，极大程度地限制噪声信号从电源和地信号的引入；

(9)上述模拟信号、数字信号与数据传输部分进行了电源完全隔离的设计，本发明设计了信号传输电路，通过磁隔离器使得模拟电路中ADC的 SPI总线数字信号输出仍然能与计算单元进行通讯，如此配合设计，在保证了模拟电路免受数字信号电平频繁转换带来的噪声干扰的同时，又确保了各部分组件能够进行良好的通讯传输。

附图说明

图1是本发明的一种微弱电流测量装置的优选实施例的电路框架示意图；

图2是本发明的一种微弱电流测量装置的优选实施例的连接框架示意图；

图3是本发明的校准组件的逻辑示意图；

图4是本发明的电流信号转换电路的电路原理图；

图5A-5D是本发明的低通滤波器的电路原理图；

图6是本发明的模数转换电路的电路原理图；

图7是本发明的量程变更电路的电路原理图；

图8是本发明的数字电源的电路原理图；

图9是本发明的PCB板上保护环的结构示意图；

图10是本发明的信号传输电路的电路原理图。

附图标记列表

1：校准组件；2：检测组件；3：转换组件；4：电源组件；5：屏蔽组件；6：信号源；201：电流信号转换电路；202：滤波电路；203：模数转换电路；204：量程变更电路；301：计算单元；302：通信电路；303：监控电路；304：上位机。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

实施例

本申请涉及一种微弱电流测量装置，包括：检测组件、转换组件和电源组件，其特征在于，所述装置还包括：校准组件，所述校准组件用于各组件检测数据的修正，所述检测组件包括电流信号转换电路、滤波电路、模数转换电路和量程变更电路，所述校准组件被配置为：基于当前待检测装置的电流源情况，进行手动校准或自动校准的选择，其中，所述自动校准包括：调整到各检测挡位并分别进行若干次检测，以检测均值作为各组件检测数据的修正标准。图1示出了一种微弱电流测量装置的示例性实施例的电路框图。本发明的微弱电流测量装置基于高阻法原理设计，并设计了校准组件作为该装置的前置检测组件，在保证装置检测微弱电流时，具有较快速度的同时，通过将量程变更电路集成到计算单元和电流信号转换电路之间，使得使用者能够根据待测电流的大致范围调节至合适量程，保证测量的精准度。本发明的设计方案使得装置同时具有高性能和实用性，为放射性药品活度现场测量的实际应用打下了基础。

根据一种优选的实施方式，所述校准组件运行于所述检测组件之前，并进行仪器是否校准的选择，若不进行校准，所述检测组件运行，并进行电流值的检测；若进行校准，基于当前待检测装置的电流源情况，进行手动校准或自动校准的选择，若校准为手动校准，基于各挡位的零电平校准与满量程校准，利用电流源表输入电流值进行精准校准；若校准为自动校准，基于不进行电流输入的情况下，对各检测挡位进行若干次检测，以检测均值作为各组件检测数据的修正标准。具体地，校准组件运行于所述检测组件之前，运行时将各组件进行初始化参数配置处理，使用者通过计算单元发出是否进行校准的指令，若不进行校准，则检测组件运行，直接对电流值进行检测。若进行校准，基于当前待检测装置的电流源情况选择是否进行自动校准，若不进行自动校准，则运行手动校准，基于各挡位的零电平校准与满量程校准，利用电流源表输入合适的电流值进行及其精准的校准。若进行自动校准，则当不进行电流输入的情况下(即输入电流值为零)进行自动校准，校准组件依次调整到各个检测挡位并进行若干次检测，再将检测均值写入偏置寄存器中，以上已完成自动校准，可启动检测组件，在检测组件的检测过程中，偏置寄存器的数据会对检测数据进行修正，以此实现自动校准的目的。所述偏置寄存器为八个字节的偏置寄存器。

需要说明的是，需要进行校准的原因众多，而在本发明实施例中，其主要由于仪器内部器件存在着不确定的直流偏置，再加上使用环境的差异以及仪器内部老化的因素，极微弱电流检测仪器一般都需要定期进行校准来保证所测得的数据的准确度。但是用于其校准的极微弱电流源价格昂贵，所以很难保证每一台电流检测的仪器都配有一台可以为其提供校准信号的电流源，仪器如果具有自动校准的功能就会使电流检测装置的可用性大大提高。本方案利用了数字电流源表对电流检测装置的各个量程进行手动校准后，并且增添了自动校准功能，设计相应控制逻辑实现校准功能的选择。自动校准功能可以使电流检测设备在没有电流源表的情况下将各个量程档进行校零处理。其中，所述数字电流源表例如由Keithley公司生产的Model-6430，本发明对此不作限定。

校准组件的具体运行步骤为：

S1：校准组件运行于所述检测组件之前，运行时将各组件进行初始化参数配置处理；

S2：通过计算单元发出是否进行校准的指令，若不进行校准，则执行步骤S6，若进行校准，则执行步骤S3；

S3：基于当前待检测装置的电流源情况选择是否进行自动校准，若不进行自动校准，则执行S4，若进行自动校准，则执行S5；

S4：运行手动校准，基于各挡位的零电平校准与满量程校准，利用电流源表输入合适的电流值进行及其精准的校准；

S5：当不进行电流输入的情况下(即输入电流值为零)进行自动校准，校准组件依次调整到各个检测挡位并进行若干次检测，再将检测均值写入偏置寄存器中；

S6：检测组件运行，对电流值进行检测，根据偏置寄存器对检测数据进行修正，得出最终检测值。

根据一种优选的实施方式，所述电流信号转换电路包括静电计级运放；所述静电计级运放的输入端用于接收待测量的电流信号，输出端连接到所述滤波电路，其中，所述电流信号转换电路基于高阻法原理于待测量电流信号的输入端设置有第一电阻，并于静电计级运放的输出端设有第二电阻，所述第一电阻和第二电阻用于将待测量电流信号转换为电压信号，并用于以稳定所述待测量电流信号的方式提高电流检测响应速度。具体地，第一电阻设置于电路的RES+位置处，第二电阻设置于电路的RES-位置处，共同组成电流信号转换电路。被测电流通过端子J1输入经过高阻值的第一电阻转换为合适范围内的电压信号，即TP1检测点的对地电压值。通过检测到电压信号的特性以及反馈电阻阻值的大小，计算出被测电流的大小。高阻法的优点在于响应速度非常迅速，只要在电阻中流过稳定的电流值，电阻两端就会检测到稳定的电压值。所以，以高阻法作为基本原理的电流检测设备，其响应时间主要取决于电路中的其他元器件(比如运算放大器)达到新的平衡的速度，以及后期信号处理耗费的时间。本发明在基于高阻法进行电流信号转换电路的构建后，又增添了滤波电路去减少数字信号处理所耗费的时间。在实际测试中，100fA大小的被测电流从开始检测到示数稳定最长时间不超过15秒钟，实现了快速测量的功能。

根据一种优选的实施方式，所述转换组件用于对所述模数转换电路输出的数字信号进行处理，并输出电流信号的检测值，所述转换组件包括计算单元、通信电路和监控电路，所述计算单元与所述模数转换电路连接，所述通信电路和监控电路分别和所述计算单元电连接，所述计算单元通过所述通信电路与上位机通信连接。优选地，计算单元可为MCU最小系统，通信电路通过RS485总线实现电离室电流数据的在较远距离下的可靠传输，有利于实现远程数据监测。

根据一种优选的实施方式，所述量程变更电路包括若干个挡位电路，用于提供极宽量程电路检测，所述若干个挡位电路组成了变更量程的电阻网络，所述若干个挡位电路基于所述计算单元的电平信号控制是否接入所述电流信号转换电路的反馈网络中。本发明通过设计的量程变更电路去快速、准确地切换检测量程，达到宽量程快速测量的目的。本发明的电流准确测量范围为0.05pA-0.5mA，达到了10个数量级的极宽量程电流测量。其原理在于：单个定值电阻的电流测量跨度范围为10³(即最高测量电流值与最低测量电流值比值为10³)，在精度要求极高的电路中，单个定值电阻的电流测量跨度范围就缩小为10²甚至更小。如果仅仅依靠一个定值电阻来完成宽量程的电流测量是实际中不存在的。由于单个定值电阻的测量电流范围越小就越能保证精度，完成电流测量的反馈电阻网络包含越多阻值的电阻就能保证拼接在一起的测量范围越宽。本发明接入了八个定值电阻构成了切换量程的电阻网络，平均每个定值电阻的测量跨度范围大约为20，有效地保证了测量精度。

需要说明的是，定值电阻的接入个数并不是简单的接入越多，所测量精度就越高。定值电阻接入越多，为保证装置检测的精准度，其装置的校准难度变高，本发明通过校准组件的设置，在校准度满足4πγ电离室活度测量的前提下，接入多个定值电阻，以满足检测精准度的需要。即，通过校准组件的设置解决了对挡位电路进行扩展带来的校准困难的影响。

具体地，每个量程变更电路的具体电路构件包括反馈电阻、继电器和开关管。图7示出了量程变更电路的具体结构，利用内部为机械结构、体积小、开关速度快、寿命长的单簧管继电器RLY1通过计算单元输出的电平信号 RESRELAY_1控制反馈电阻R5是否连入电流信号转换电路的反馈网络中。继电器的控制部分由数字电源进行供电，所述数字电源为两路隔离的电源，并且计算单元输出的数字信号也与模拟信号部分进行了隔离，所以该电路设计引入的噪声干扰可以忽略不计，在完成量程切换工作的同时最大程度地避免了对测量精度的影响。即，多个量程变更电路的接入会带来噪声的干扰，本发明通过电源分开供电、数字电源进行两路隔离供电以及计算单元的数字信号与模拟信号隔离的多种降噪手段，将接入多个量程变更电路带来的噪音问题消除。

根据一种优选的实施方式，所述装置还包括屏蔽组件和保护组件，其中，所述装置的PCB板采用环氧树脂材质制成，原因在于：由于本装置用于检测极其微弱的被测电流信号，现有技术中即使是阻抗最高的材料也无法在实际运用中实现真正意义上的绝缘，因此电流检测电路中的PCB材质会成为不可忽视的漏电介质，PCB材料的绝缘能力直接关系到电流信号转换电路的转换精度。目前常用的绝缘性比较好的PCB材质例如环氧树脂、聚四氟乙烯、蓝宝石以及聚苯乙烯。其中，蓝宝石由于自身造价昂贵，经济价值不高，故本发明不采用；聚苯乙烯虽属于优异的绝缘材质，但其耐溶剂性、耐氧化以及耐热性较差，导致使用过程中使用寿命受到影响；聚四氟乙烯有很高的绝缘阻抗，耐腐蚀性和耐热性也很强，但是由于聚四氟乙烯材质本身比较柔软难以加工，并且聚四氟乙烯材质在机械应力下易自发形成电流干扰，影响测量稳定性，不适合用作为极微弱电流检测设备的PCB材质。综上，本发明最终采用阻抗相对略低，但耐腐蚀性较强、制板难度较低的环氧树脂材质定制 PCB板。

保护工作是高阻抗工作的基础。需要保护的目标信号应该被另一种驱动到保护电压的导体包围。在实际的生产应用中无法做到理想的保护状态，本发明通过设置的保护措施有效地提高了测量电路的性能，例如PCB板上，待测量电流信号的输入端设有保护组件中的保护环，PCB板的下层设有保护层。具体地，在输入信号周围15mil(1mil＝0.0254mm)处设置保护环以及在信号下层留出一块保护铜层。

根据一种优选的实施方式，所述屏蔽组件设置于高阻抗输入与干扰源之间，所述屏蔽组件包括第一屏蔽体和第二屏蔽体，其中，所述第一屏蔽体连接于静电计级运放的保护电平管脚，所述第二屏蔽体电气连接到低阻抗源，所述屏蔽组件为内外分层结构，所述第一屏蔽体位于内层，所述第二屏蔽体位于外层。由于静电计级别的运放极其敏感，可轻松检测到手或纸张的移动。此类影响不是周期性或可预测的，它们可能显现为古怪的直流漂移。为降低环境中各种电磁信号的干扰，本发明引入屏蔽组件将电流信号转换电路进行屏蔽。屏蔽组件是指在高阻抗输入与干扰源之间增加一块导电材料，并且导电材料必须电气连接到低阻抗源，所述低阻抗源例如信号地。即，将第二屏蔽体电气连接到低阻抗源，第一屏蔽体、第二屏蔽体与保护体的物理构造几乎相同。由于这种相似性，许多保护结构也能提供屏蔽。本发明为保证屏蔽效果，设计了第一屏蔽体和第二屏蔽体相叠加的内外双屏蔽结构，第一屏蔽体连接到静电计级运放ADA4530-1的保护电平管脚，第二屏蔽体连接信号地。

根据一种优选的实施方式，所述滤波电路包括用于模拟信号搭建的八阶有源低通滤波器、用于ADC的可编程滤波器和用于数字信号噪声的滤波算法。上述的保护组件和屏蔽组件的设置能够极大限度地抑制外界噪声干扰，提高电路的测量性能，但是由于电路工作中，不可避免地产生例如机械振动噪声、元器件的热噪声、工频干扰等噪声，导致其依旧无法完全消除噪声带来的影响。电路本身具有的或者伴随输入信号的噪声是实际存在的，是不可避免的，无法通过保护和屏蔽来将其抑制，滤波是降低这些噪声干扰的有效手段。为降低电路的噪声水平，本发明设计了三种滤波的手段，分别是针对模拟信号搭建的八阶有源低通滤波器、ADC内部的可编程滤波器以及针对数字信号噪声的软件滤波算法。经过滤波后电流值测量的精密度极高，实际中最小电流测量档的绝对误差小于5fA，极大程度地满足了测量的需求。

根据一种优选的实施方式，所述电源组件基于限制噪声信号从电源和地信号的引入，设置有模拟电源和数字电源，所述模拟电源和数字电源以分开供电的方式分别向所述检测组件和转换组件供电，其中，所述数字电源以两路隔绝的方式通过电平转换后，一路向所述计算单元和监控电路供电，另一路向通信电路供电。通过上述的保护、屏蔽以及滤波后，抑制噪声的工作中还剩余一个最重要的部分，即在噪声的源头处进行抑制处理。在精度要求极高的电路中，电源信号噪声是不可忽略的噪声信号干扰源。电源中信号的纹波大小直接影响到使用该电源的各组件电路噪声水平。电源隔离技术可以很大程度地限制噪声信号从电源和地信号的引入。本发明对此选用电源纹波较低的锂电池作为电源，在内部利用隔离电源模块IB0505S-W75R3设计了数字电源电路，生成了两路隔离的电源电压，经过电平转换后分别为计算单元等数字信号部分以及隔离的RS485总线进行供电，实现了模拟信号、数字信号与向显示端传输数据的RS485总线三部分电源完全隔离。

根据一种优选的实施方式，所述模数转换电路包括基准电压源和模数转换器；所述基准电压源连接于所述模数转换器的REF管脚，所述模数转换器的输出端连接到所述转换组件，所述模数转换电路与所述转换组件之间通过基于磁隔离器设计的信号传输电路进行通信连接。虽然模拟信号、数字信号与数据传输部分进行了电源完全隔离的设计，但是为了保证模拟电路中ADC 的SPI总线数字信号输出仍然要与单片机进行良好的通讯，设置了信号传输电路进行通讯。本发明利用磁隔离器ADμM1401BRW设计了信号隔离传输电路进行单片机与ADC的隔离通讯，这样的设计在保证了模拟电路免受数字信号电平频繁转换带来的噪声干扰的同时，又确保了各部分组件能够进行良好的通讯传输。最后，在电路工作频率普遍为低频(小于1MHz)的情况下，为了降低地线公共阻抗，模拟电路部分使用并联单点接地的设计。

本发明通过合理规划测量方案、精心设计屏蔽系统、有针对性地设计合适的滤波降噪方案等一系列措施达到了测量精度高于0.2％～1％的指标。

为了便于理解，将本发明一种微弱电流测量装置的工作原理和使用方法进行论述。

为降低检测电路自身带来的噪声干扰与直流漂移，本发明利用低噪、低漂移的器件设计模拟电路部分。其中，电流信号转换电路中的高值电阻选用玻璃密封电阻器或金属氧化物电阻，这两种电阻稳定性极高。本发明选用的电阻大部分温漂小于50PPM/℃，电阻中最大的温漂数值不超过 100PPM/℃，阻值受温度变化极小。小于1GΩ的取样电阻上并联一个3pF 左右的云母电容来避免电路产生自激振荡，云母电容相较于其他材质的电容具有自身电感和漏电损耗都很小、可靠性高、性能稳定以及容量精度高等优点。同理，在进入ADC之前的滤波电路中，本发明选择温漂低至2PPM/℃的薄膜电阻器作为分压电阻，来保证电路稳定的性能。选用24位高精度模数转换器AD7172-2，结合高精度电压基准ADR4525设计了的ADC采样电路。

本方案经过广泛的调研，吸取了各种常见的活度计设计的优点，采用合适的方法以及一系列的措施研制了一套小体积，测量范围为0.05pA～0.5mA， 0.5pA以内绝对测量误差小于5fA，其余有效测量范围内测量精度为 O.2％-1％，0.5pA以上电流值响应速度小于2s，0.5pA以下电流值响应速度小于16s的电流检测设备，在明显提高了电流测量的各方面指标的同时具有了自动校准、本底自动扣除等功能，使仪器兼具高性能与实用性，为放射性药品活度现场测量的实际应用打下了基础。需要说明的是，本发明的自动校准功能在提供了快速以及高精度的校准后，也为将微小电流测量装置给出了实施基础，解决了为获得更小体积以及更精准测量范围带来的校准难度上升的问题，而不仅是一个附加的功能。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种微弱电流测量装置，包括：检测组件、转换组件和电源组件，其特征在于，所述装置还包括：

校准组件，所述校准组件用于各组件检测数据的修正，所述校准组件被配置为：

基于当前待检测装置的电流源是否接入所述待检测装置或是否提供校准信号，进行手动校准或自动校准的选择，其中，所述自动校准包括：基于所述检测组件中的用于拓宽量程的量程变更电路所具有的各检测挡位，以不进行电流输入的方式依次对所述各检测挡位分别进行若干次检测，将检测均值作为各组件检测数据的修正标准。

2.如权利要求1所述的微弱电流测量装置，其特征在于，所述校准组件运行于所述检测组件之前，并进行仪器是否校准的选择，所述选择是基于当前待检测装置的电流源是否接入所述待检测装置或是否提供校准信号进行的，

若不进行校准，所述检测组件运行，并进行电流值的检测；

若进行校准，基于当前待检测装置的电流源情况，进行手动校准或自动校准的选择，

若校准为手动校准，基于各挡位的零电平校准与满量程校准，利用电流源表输入电流值进行精准校准；

若校准为自动校准，基于不进行电流输入的情况下，对各检测挡位进行若干次检测，以检测均值作为各组件检测数据的修正标准。

3.如权利要求2所述的微弱电流测量装置，其特征在于，所述检测组件包括电流信号转换电路、滤波电路、模数转换电路和量程变更电路，所述电流信号转换电路包括静电计级运放；所述静电计级运放的输入端用于接收待测量的电流信号，输出端连接到所述滤波电路，其中，

所述电流信号转换电路基于高阻法原理于待测量电流信号的输入端设置有第一电阻，并于静电计级运放的输出端设有第二电阻，所述第一电阻和第二电阻用于将待测量电流信号转换为电压信号，并用于以稳定所述待测量电流信号的方式提高电流检测响应速度。

4.如权利要求3所述的微弱电流测量装置，其特征在于，所述转换组件用于对所述模数转换电路输出的数字信号进行处理，并输出电流信号的检测值，所述转换组件包括计算单元、通信电路和监控电路，

所述计算单元与所述模数转换电路连接，所述通信电路和监控电路分别和所述计算单元电连接，所述计算单元通过所述通信电路与上位机通信连接。

5.如权利要求4所述的微弱电流测量装置，其特征在于，所述量程变更电路包括若干个挡位电路，用于提供极宽量程电路检测，

所述若干个挡位电路组成了变更量程的电阻网络，所述若干个挡位电路基于所述计算单元的电平信号控制是否接入所述电流信号转换电路的反馈网络中。

6.如权利要求5所述的微弱电流测量装置，其特征在于，所述装置还包括屏蔽组件和保护组件，其中，所述PCB板上，待测量电流信号的输入端设有保护组件中的保护环，所述保护环以将待测量电流信号的输入端包围的方式设置并用于提高检测组件性能，所述PCB板的下层设有保护层。

7.如权利要求6所述的微弱电流测量装置，其特征在于，所述屏蔽组件设置于高阻抗输入与干扰源之间，所述屏蔽组件包括第一屏蔽体和第二屏蔽体，所述第一屏蔽体连接于静电计级运放的保护电平管脚，所述第二屏蔽体电气连接到低阻抗源，所述屏蔽组件为内外分层结构，所述第一屏蔽体位于内层，所述第二屏蔽体位于外层，其中，所述第一屏蔽体和第二屏蔽体用于降低电磁信号干扰。

8.如权利要求7所述的微弱电流测量装置，其特征在于，所述滤波电路包括用于模拟信号搭建的八阶有源低通滤波器、用于ADC的可编程滤波器和用于数字信号噪声的滤波算法，所述滤波电路以所述八阶有源低通滤波器、可编程滤波器和滤波算法组成并用于降低所述保护组件和所述屏蔽组件不能抑制的内部噪音干扰。

9.如权利要求8所述的微弱电流测量装置，其特征在于，所述电源组件基于限制噪声信号从电源和地信号的引入，设置有模拟电源和数字电源，所述模拟电源和数字电源以分开供电的方式分别向所述检测组件和转换组件供电，其中，

所述数字电源以两路隔绝的方式通过电平转换后，一路向所述计算单元和监控电路供电，另一路向通信电路供电，所述模拟电源和所述数字电源用于模拟信号、数字信号和通讯信号三部分供电的完全隔离。

10.如权利要求9所述的微弱电流测量装置，其特征在于，所述模数转换电路包括基准电压源和模数转换器；所述基准电压源连接于所述模数转换器的REF管脚，所述模数转换器的输出端连接到所述转换组件，

所述模数转换电路与所述转换组件之间通过基于磁隔离器设计的信号传输电路进行通信连接，所述信号传输电路用于模拟信号、数字信号和通讯信号三部分供电隔离后的通讯。

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