[实用新型]微电流化学信号拾取装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及信号采集领域，特别涉及一种微电流化学信号拾取装置。

背景技术

化学信号是指与化学过程中相关的化学信息，可以通过测量化学过程产生的物理和化学信号而获取。物理变化被特定的化学和物理传感器所感知而转换成电信号。这些电信号进过测量和处理后便组成化学数据即化学信息。微电流化学信号是通过离子化检测器基于高压电极间隙的气体导电性，即气体中的一些分子以带电粒子(正离子、负离子、离子)在高压电场的作用下，产生的微电流信号，从而反映了化学信息。

皮安PA级微电流信号拾取技术是当前色谱、质谱、光谱等分析仪器中信号采集的重要环节，是直接影响仪器的性能、检测灵敏度、测量数据精确度和检测的动态范围等技术性指标。微电流信号拾取研究中的重点是如何消除噪声，从强噪声中拾取有用的信号，以此提高系统的信号的信噪比。在测量微电流信号时，必须首先进行微弱的电流信号(PA级电流)到电压信号的转换，并放大处理，由此引起基于微弱信号中的背景噪声也随之放大，从而使测量的灵敏度和精确度会受到一定的限制。

在高压静电场作用下，当化学物质在被激发源激发后，形成了正离子、负离子和电子，其中正离子移向负极，负离子和电子移向正极，形成了微小离子电流信号，其电流的大小为皮安(pA，10^-12)到微安(uA，10^-6)。微电流信号中存在着系统噪声和不同化学物质的浓度信息(即电流强度)，需将微电流信号中的噪声滤除，并数字量化处理，以方便对数字化的化学信息做进一步优化及分析。

信号噪声是一种特殊的干扰，是由于系统设计中包括印板设计、元器件(放大器)、外界电磁干扰、电源系统、电子热运动等引起，是无法可避免的。噪声根据频谱分析可分为三种来源，即σ²＝σ_w²+σ_f²+σ_i²，其中σ_w称为白噪声，σ_f称为1/f噪声，σ_i称为干扰噪声，σ²表示总的功率等于各噪声功率之和。而其中白噪声的频谱在频率轴方向上功率密度处处相等。在化学信号测量中，接近0测量(直流)频率段处的噪声为低频噪声，而其他噪声称为高频噪声，高频噪声反映了短时间的功率，并且有效化学信号基本为低频正态非周期性信号，因此可选用软件连续信号测量平均和硬件高频过滤方法来滤除噪声。

低频噪声(即白噪声)来源于电子热运动、光子或离子的不规则运动、电子的自发运动，而有效化学信号的检测基本都是对正、负电子在高压电场中运动而产生的微弱电信号的强弱来表示其化学信息。白噪声寄生于有效的化学信号中，能影响系统检测的信噪比(即信号强度S和噪声强度N的比值，S/N)和灵敏度，因此低频滤波是化学数据采集中关键的技术。

从微电流信号中拾取有效信号，传统方法采用电流-电压转换技术(I-V转换技术)，即将高输出阻抗电流转换为低输出阻抗电压，使用一个高阻电阻与一个低偏置电流较高输入阻抗的放大器组成一个跨阻放大器。其原理图如图1所示，输出电压与输入电流之间的关系为：

Vout＝-Ii×Rf

其中：Vout为输出电压，Ii为微电流化学信号的电流，Rf为高阻电阻。

根据以上原理，当输入pA级微电流信号转换成电压信号时，需要兆欧姆(MΩ)或千兆欧姆(GΩ)的高阻电阻作为反馈电阻，其放大倍数达到10⁹或10¹⁰，是一种线性放大。微弱信号和噪声几乎处于同一数量级，有效信号很容易淹没于噪声中，不利于信号的后续处理。此方法的缺点在于放大增益太大，对于微电流信号中的有效信号和噪声同时进行放大，输出噪声功率也增大，并没有有效改善输入信号中的信噪比；动态范围窄，其瞬间动态范围通常小于30dB，信号量程只能通过机械开关(干簧继电器)进行切换，应用方面具有一定的局限性。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种微电流化学信号拾取装置，使得信号的信噪比有了显著降低，并提高了信号的动态范围。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施方式提供了一种微电流化学信号拾取装置，包含：微电流对数放大处理器、模数转换器、信号噪声低通滤波器、计算机化学数据处理器、CPU控制器；

所述微电流对数放大处理器与模数转换器相连，所述CPU控制器分别与所述微电流对数放大处理器、所述模数转换器、所述信号噪声低通滤波器和所述计算机化学数据处理器相连；