張家田，方履寬

（西安石油大學(xué)陜西省油氣井測控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

1 設(shè)計(jì)原理

空氣負(fù)離子測量儀設(shè)計(jì)原理：根據(jù)空氣離子專家Backett所推薦的Wesix平行板式空氣離子收集原理設(shè)計(jì)。通過抽風(fēng)機(jī)取樣空氣，在空間電場作用下，在極板上形成微弱電壓，來進(jìn)行離子濃度檢測，見圖1。

圖1 空氣負(fù)離子測量儀原理圖

空氣負(fù)離子測量儀可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)測量空氣中負(fù)離子的濃度數(shù)據(jù)。離子收集器是空氣離子濃度的“傳感器”，在風(fēng)機(jī)的引風(fēng)作用下，空氣夾帶著離子一同進(jìn)入離子收集器中，離子收集器內(nèi)部有兩個(gè)金屬電極，分別叫做極化電極和收集電極。極化電極板上加有電壓。根據(jù)實(shí)際需要，給極化極板施加正高壓或者負(fù)高壓。

例如，要測量的是負(fù)離子濃度，則在極化電極上施加負(fù)高壓。測量系統(tǒng)的風(fēng)扇將空氣中的離子吸入收集器，收集器內(nèi)部的兩個(gè)金屬板電極外加電壓形成電場，空氣離子受到電場力影響，離子的運(yùn)行軌跡向金屬收集電極偏轉(zhuǎn)，最終被吸附形成微弱的電流信號。

金屬收集電極所收集測量的微弱電流信號及取樣的空氣流量可以換算出空氣中離子濃度的測量數(shù)據(jù)。本測量系統(tǒng)應(yīng)用到的空氣中離子濃度換算公式為：

式中：N為每單位體積空氣中的離子數(shù)目（個(gè)／cm3）；I微電流計(jì)讀數(shù)（A）；q基本電荷電量（1.6×10-19C）；V取樣空氣流速（cm／s）；A收集器有效橫截面積（cm2）。

2 硬件設(shè)計(jì)

在本測量系統(tǒng)中，主要涉及對微電流檢測模塊的設(shè)計(jì)，微電流信號調(diào)理電路的設(shè)計(jì)主要包含：I-V轉(zhuǎn)換電路、運(yùn)算放大電路、二階低通濾波電路、信號極性反轉(zhuǎn)選擇電路。

整套測量系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)可以分為微電流檢測模塊、主控模塊、人機(jī)交互模塊、電壓監(jiān)控模塊四個(gè)部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 信號調(diào)理模塊

信號調(diào)理模塊是本次設(shè)計(jì)的核心部分，主要作用是將采集到的微弱電流信號通過I-V轉(zhuǎn)換、放大、濾波后，再通過極性反轉(zhuǎn)電路輸出到ADC電路進(jìn)行測量?？諝庵须x子濃度較低時(shí)平均每立方厘米幾十個(gè)，較高時(shí)平均每立方厘米幾千萬個(gè)，由此設(shè)計(jì)本測量系統(tǒng)測量的離子濃度在10～106個(gè)／cm3。相較于微電流而言，電壓更易于測量和處理，故電路設(shè)計(jì)中引入I-V變換電路。將空氣中收集到離子形成的微電流，轉(zhuǎn)換成電壓信號來供系統(tǒng)檢測和處理。

2.1.1 I-V轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

在電流測量電路設(shè)計(jì)中，常見的I-V轉(zhuǎn)換方法有三種，分別為開關(guān)電容積分法、取樣電阻法、高輸入阻抗法。由于開關(guān)電容積分法在開關(guān)動作時(shí)會產(chǎn)生噪聲，取樣電阻法中的偏置電流會影響精度，所以選用高輸入阻抗法。高輸入阻抗法的特點(diǎn)是采樣電流經(jīng)反饋電阻流到運(yùn)放的輸出端，沒有取樣電阻，這樣就大大減少了偏置電流對采樣電流的影響。

本測量系統(tǒng)中，微電流放大的精度將直接影響最終的測量結(jié)果。放大器與微電流放大關(guān)系密切的參數(shù)為：輸入阻抗ZIN、輸入偏置電流IB、輸入失調(diào)電壓VOS、輸入失調(diào)電壓漂移TCVOS和輸入失調(diào)電流漂移TCIOS。以往的CMOS運(yùn)算放大器由于輸入偏置電壓較高，不適于要求高精度的本測量系統(tǒng)使用。在這里選用具有低失調(diào)電壓、極低的輸入偏置電流、精密微功耗等特點(diǎn)的LMC6062放大器，。

本系統(tǒng)的I-V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)了四個(gè)量程，在電路中接入三個(gè)反饋電阻，通過選取不同的電阻接入電路來調(diào)節(jié)量程。因考慮到空氣中離子濃度會實(shí)時(shí)變化，需要頻繁的操作開關(guān)切換量程，為方便操作，最終選用了旋鈕式的機(jī)械開關(guān)。

本電路設(shè)計(jì)的四個(gè)量程分別選擇阻值為0Ω、100KΩ、10MΩ、1GΩ的反饋電阻，分別對應(yīng)的量程為100、102、104、106個(gè)／cm3。

2.1.2 次級放大電路設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)際空氣中離子濃度變化范圍較大，采集器收集到的微電流信號經(jīng)過I-V變換電路中前級運(yùn)算放大器初步處理后，若要被ADC轉(zhuǎn)換器精確測量則需要選擇很高精度的ADC轉(zhuǎn)換器，這將大大增加此測量系統(tǒng)的成本。則設(shè)計(jì)在I-V變換電路后接入次級放大電路。

次級放大電路中運(yùn)算放大器的選取，綜合考慮幾種影響因素，最終選取OP07低偏移電壓運(yùn)算放大器。作為一種非斬波穩(wěn)零的運(yùn)算放大器，具有低于75μV的超低輸入失調(diào)電壓，低輸入偏置電流、低噪聲、開環(huán)增益高等特點(diǎn)。

2.1.3 二階低通濾波電路設(shè)計(jì)

微電流信號經(jīng)過I-V轉(zhuǎn)換電路和放大電路后，考慮到模擬信號沒有頻率上限，會混雜無序且無頻率上限的高頻噪聲，則設(shè)計(jì)在放大電路后接入低通濾波電路。

濾波器可以對特定頻率的頻點(diǎn)或該頻點(diǎn)以外的頻率進(jìn)行有效濾除，得到一個(gè)特定頻率的電源信號，或消除一個(gè)特定頻率后的電源信號。濾波器按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。

由于數(shù)字濾波器處理能力與前端ADC采樣率有關(guān)，能處理的信號頻域?qū)挾刃∮诓蓸勇实囊话搿τ陬l率高于采樣率的噪聲信號，數(shù)字濾波器無法處理產(chǎn)生混疊的信號。所以在低通濾波電路設(shè)計(jì)中選擇模擬濾波器作為低通濾波器。

2.1.4 信號極性反轉(zhuǎn)選擇電路

空氣中存在正負(fù)兩種離子，則I-V轉(zhuǎn)換電路輸出的信號也會有正負(fù)兩種極性。而輸入ADC轉(zhuǎn)換器信號的極性只能為正，這就需要在I-V轉(zhuǎn)換電路輸出負(fù)極性信號時(shí)加入信號極性反轉(zhuǎn)選擇電路，將信號極性翻轉(zhuǎn)。

信號極性轉(zhuǎn)換電路由模擬開關(guān)和放大倍數(shù)為1的運(yùn)放組成。當(dāng)極性為負(fù)的信號輸入時(shí)，信號流經(jīng)反相電路把信號極性翻轉(zhuǎn)；當(dāng)正極性的信號輸入時(shí)，控制模擬開關(guān)動作，使信號不經(jīng)過反相電路而直接流向ADC轉(zhuǎn)換器。

2.2 人機(jī)交互模塊

測量系統(tǒng)實(shí)時(shí)測量的數(shù)據(jù)都通過一塊LCD液晶顯示屏顯示給用戶。用戶還可通過按鍵對系統(tǒng)進(jìn)行控制，根據(jù)當(dāng)時(shí)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)節(jié)測量系統(tǒng)的量程，查看電池電壓或選擇測量離子的正負(fù)極性。

2.2.1 按鍵輸入模塊

本測量系統(tǒng)中主要的人機(jī)交互都依靠按鍵輸入系統(tǒng)來完成。包括按鍵檢測模塊和旋鈕開關(guān)量程切換檢測模塊。

按鍵檢測模塊包括極性選擇按鈕、電壓按鈕和測量按鈕。極性選擇按鈕控制系統(tǒng)檢測離子的極性，選擇正離子或負(fù)離子檢測；電壓按鈕控制系統(tǒng)測量12V及24V電池的電壓。測量按鈕負(fù)責(zé)測量空氣中離子濃度。按下按鈕后，對應(yīng)測量的數(shù)據(jù)將在LCD顯示屏上顯示。

通過一個(gè)機(jī)械旋鈕開關(guān)控制測量離子濃度量程檔位的選擇。四個(gè)檔位分別對應(yīng)量程為100、102、104、106個(gè)／cm3，應(yīng)根據(jù)LCD顯示屏中實(shí)時(shí)顯示的空氣中離子濃度，轉(zhuǎn)動旋鈕開關(guān)切換合適的量程。

2.2.2 LCD顯示模塊

顯示模塊選擇LCD12864液晶顯示屏，通過按鍵輸入模塊控制，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)測量的空氣中離子濃度和電池電壓等信息。

LCD12864液晶顯示屏具有128×64顯示分辨率，可以顯示8×4，共16×16點(diǎn)陣的漢字，也可完成圖形顯示。該顯示屏可構(gòu)成全中文的人機(jī)交互圖形界面。且具有簡單的操作指令、靈活的接口方式、低電壓低功耗等特點(diǎn)。

2.3 電壓監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

電壓監(jiān)控模塊主要負(fù)責(zé)給測量系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓，并實(shí)時(shí)測量電池電壓。測量系統(tǒng)若要得到高精度的測量數(shù)據(jù)，就必須保證采集到的信號穩(wěn)定準(zhǔn)確，這就需要電池為風(fēng)扇提供穩(wěn)定的極化電源，保證風(fēng)扇以恒定速率吸入空氣離子。電池電壓可以通過人機(jī)交互模塊的LCD顯示屏顯示給用戶。

電池監(jiān)控模塊包括電池組分壓及充放電模塊、正負(fù)極性轉(zhuǎn)換模塊、電池組電壓監(jiān)測模塊、去潮模塊。整個(gè)模塊設(shè)計(jì)通過兩塊12V電池組作為電源，分別為監(jiān)測系統(tǒng)和整個(gè)ARM測量系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓。

電池組包括兩片K7805-1000R3的12V電源，分別提供±5V及3.3V的電源。其中±5V作為運(yùn)算放大器的電源；3.3V作為整個(gè)ARM系統(tǒng)的電源，主要為取樣風(fēng)扇、去潮器、ARM芯片、A／D采樣電路以及微電流檢測電路提供電源。

24V極化電源主要為極化板提供24V極化電壓，并實(shí)現(xiàn)極化電壓的反轉(zhuǎn)控制。電池組電壓監(jiān)測模塊通過按鍵輸入模塊中的電壓按鈕控制，可實(shí)現(xiàn)對電池組電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。電壓監(jiān)測模塊通過電阻從電池組中進(jìn)行分壓取樣，進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，通過ARM處理器進(jìn)行處理，最后通過LCD液晶顯示器將當(dāng)前電壓值顯示出來，實(shí)現(xiàn)對電池組電壓的監(jiān)測。

本測量儀器與空氣接觸的面積較大，且內(nèi)部電路直接與外界相通?？紤]到空氣中的水汽進(jìn)到儀器中會對測量電路產(chǎn)生干擾，影響測量精度，故在本系統(tǒng)中加入去潮電路。

2.4 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊主要負(fù)責(zé)把測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。通信模塊選擇TTL—WiFi模塊，將TTL電平轉(zhuǎn)為符合WIFI無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)的信號，通過內(nèi)置的TCP／IP協(xié)議，直接利用WIFI聯(lián)入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3 軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件部分包括：ADC數(shù)據(jù)采樣程序、放大器控制程序、風(fēng)扇控制程序、電源電壓監(jiān)測程序、數(shù)據(jù)存儲程序，如圖3所示。

圖3 程序流程圖

4 結(jié)語

本測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，合理的設(shè)計(jì)了各個(gè)電路模塊，并對各個(gè)電子元件進(jìn)行對比選型，選取適合本系統(tǒng)的元件。最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)出高精度、高便攜度、人性化的空氣負(fù)離子測量系統(tǒng)。