空气负离子浓度检测仪的制作方法

空气负离子浓度检测仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种检测仪器，具体为检测空气清新度的检测装置。
【背景技术】
[0002] 空气负离子浓度检测仪适用于检测空气中单位体积内所含负离子浓度的装置。空 气负离子浓度检测仪是通过离子收集器得到一定体积空气中所含负离子对应的电流大小， 然后通过微电流计检测该电流的大小，最后通过控制器将微电流计测得的电流大小转化为 单位体积空气中所含负离子的个数，我国自80年代引进负离子发生器，现阶段的水平技术 水平已经与发达国家持平。目前，空气负离子检测装置主要是便携式和室外测量两种类型， 但是便携装置的测量范围小、精度不高，室外测量装置的体积太大。该些问题主要是源于微 电流检测该一模块的精度和测量范围。
[0003] 现有的空气负离子浓度检测仪结构原理图如附图1所示，该原理图中的所设计的 参数包括：
[0004] I--对应的电流（A)，
[0005] A一一收集器的有效截面积（cm2)，
[0006] Vf--收集器内空气的流速（cm/s)，
[0007] q--电荷电量（1. 6X10 1化)，
[0008] N--空气负离子浓度（ions/cm3)。
[0009] 其中，收集器的有效截面积A为已设置好的参量，收集器内空气的流速Vf是设定 好风扇的速度后通过流体分析得到的参量，我们认为一个空气负离子带一个单位的负电 荷，电荷电量q为一物理量常数，也就是一个空气负离子所带的电量，对应的电流I是通过 微电流计检测得到的。通过测得一定体积空气中所含的电荷量对应的电流得到单位空气 体积内所含电荷量对应的电荷，从而可W得到空气单位体积内所含负离子的个数，即空气 负离子的浓度；N=I/(qAVf)。其中的重点是微电流计，通过对空气负离子的估算得到所需 测量的电流范围为几十飞安（fA)到几十微安（UA)，要使空气负离子浓度检测仪的精度达 到1个离子，即微电流检测的精度要达到IfA。那么现在要解决的问题是微电流计的测量 量程和测量精度，在现有的空气离子浓度检测中，测量的精度比较低，显示测量结果需要手 动调档，该样的设备使用不是很方便，在便携式空气离子浓度检测仪中，由于设备规模的限 审IJ，收集器的有效截面积相对于室外测量的要小得多，要想达到相同的精度，就对微电流检 测模块提出了更高的要求。 【实用新型内容】
[0010] 本实用新型的技术目的是针对现有技术存在的不足，提供一种可W改进空气负离 子浓度检测仪微电流检测模块测量精度和测量范围的方案。
[0011] 本实用新型公开的技术方案为：
[0012] 空气负离子浓度检测仪，设有离子收集器及微电流计，其特征在于：
[0013]所述微电流计包括切换开关模块、调零模块、i-v转换模块、低通滤波模块、电压放 大模块、滤波模块、A/D转换模块、控制模块及显示模块；
[0014]所述I-V转换模块、电压放大模块、滤波模块、A/D转换模块、控制模块顺次连接， 所述I-V转换模块与离子收集器连接，所述低通滤波模块、调零模块与I-V转换模块连接， 所述切换开关模块与I-V转换模块连接和控制模块连接，所述显示模块与所述控制模块连 接；
[0015]所述I-V转换模块设有一模拟运放和并联在模拟运放反相输入端及其输出端两 侧的=路反馈电阻，所述模拟运放的反相输入端与待转电流信号输入端连接，所述反馈电 阻各自与一电容并联，各反馈电阻与待转电流信号输入端之间的连接电路上各自串接有一 切换开关；，=路反馈电阻中，第一反馈电阻、第二反馈电阻、第=反馈电阻的电阻值依次 相差1000倍的数量级。
[0016]进一步的技术方案还包括：
[0017]作为优选，S路反馈电阻的电阻值可分别取100GQ U00MQ U00KQ。
[001引所述模拟运放的同相输入端接地，连接其反相输入端和输出端的电路上串接有保 护电阻。
[0019]作为优选，并联在反馈电阻两端的电容采用温度补偿型的陶瓷电容。
[0020] 作为优选，所述切换开关采用套上特氣龙管的干黃继电器。
[002U作为优选，所述模拟运放可采用LMC6062A、LMC6042、INA116中的任一种。
[0022] 有益效果；
[0023] 本实用新型通过电路设计提高微电流计的测量精度和实现测量量程的自动切换， 达到空气负离子浓度检测结果直接精确显示的目的，使用便捷。
【附图说明】
[0024]图1是空气负离子浓度检测仪的结构示意图；
[0025] 图2是微电流计的模块结构示意图；
[0026]图3是图2中I-V转换模块和切换开关模块的电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0027] 为了阐明本实用新型的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施例对本实 用新型做进一步的介绍。
[0028] 如图1的由收集板和极化板构成的空气离子收集器，通过风扇的作用将空气鼓入 空气离子收集器中，对收集器施加极化电压使得收集板带正电压极化板带负电压，从而空 气中的负离子全部向收集板偏转在收集板上形成一股微弱电流，再通过微电流计测得该电 流的大小。由于电流非常的小，在不同的生态环境中，空气负离子的浓度相差多个数量级， 那么对应的电流的范围也会相差多个数量级，因此不能直接通过普通的电流表测得，需要 通过微电流计进行测量。
[0029] 如图2所示，所述微电流计设有切换开关模块2、调零模块3、I-V转换模块4(电 流电压转换模块）、低通滤波模块5、电压放大模块6、滤波模块7、A/D转换模块8 (数/模 转换模块）、控制模块9及显示模块10。所述I-V转换模块4、电压放大模块6、滤波模块7、 A/D转换模块8、控制模块9顺次连接，所述I-V转换模块4与离子收集器的收集板连接，所 述低通滤波模块5、调零模块3与I-V转换模块4连接，所述切换开关模块2与I-V转换模 块连接4和控制模块9连接，所述显示模块10与所述控制模块9连接。
[0030] 所述I-V转换模块设有一模拟运放和并联在模拟运放反相输入端及其输出端两 侧的=路反馈电阻，所述模拟运放的反相输入端与待转电流信号输入端连接，所述反馈电 阻各自与一电容并联，各反馈电阻与待转电流信号输入端之间的连接电路上各自串接有一 切换开关。所述模拟运放的同相输入端接地，连接 其反相输入端和输出端的电路上串接有 保护电阻。
[0031] 图2中，待测电流模块1是由附图1中的收集板给出的，I-V转换模块4和切换开 关模块2的电路结构设计如图3所示。
[0032]由于所需测量的电流可能相差多个数量级，因此I-V转换模块4需要多个反馈电 阻，不同的量程对应不同的反馈电阻，根据化hnsonNoise理论，电阻的理论电流噪声为 /"=yHA7k是玻尔兹曼常数，K=1.38Xl，取一般情况T= 300 度、B=lHz，经计算在 测量fA级电流时，电阻理论上至少取20GQ，pA级电流时，电阻理论上至少取20KQ，那么 附图3中的第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2、第S反馈电阻R3分别取100GQU00MQ、 100KQ，分别对应于量程IfA~IpA、IpA~InA、InA~1yA，将输入的电流转化到mV级的 电压。
[0033] 图3中的模拟运放需要选择虚线框内即切换开关组，由控制模块9选通，将输入的 弱电流转化为电压放大模块6所能放大的范围，当所测值超过设定阔值时就切换到高一档 的量程。图3中的R11和R12是运放输入、输出的保护电阻。由于放大器有数pF~数十pF 的输入寄生电容，会使得OP放大器的稳定性变差，会使相位滞后，因此电容Cl、电容C2、电 容C3是用于调节相位补偿，最好使用温度补偿型的陶瓷电容。该里的切换开关器件采用有 着高绝缘电阻的干黃继电器，并套上特氣龙管。其中模拟运放需要采用高阻抗、低偏流、低 失调电压、低温漂的巧片，可采用LCM6062A、LMC6042、INA116等。
[0034] 运放本身具有一定的偏流、失调电压，会对I-V的输出电压产生影响，调零模块3 可W抵消该影响。运放的工作电压所用的电源会带入部分噪声，低通滤波模块5可W抵消 该影响。电压放大模块6将I-V转换模块输出的mV级电压转化为V级电压从而满足A/D 转换模块8的要求。电压放大模块6输出的是带有噪声的信号，滤波模块7是对电压放大 模块6的输出信号进行有源滤波处理，可采用=阶己特沃斯低通滤波电路处理噪声。A/D转 换模块8与滤波模块7相连，将滤波模块7输出的模拟电压信号转化为适于控制模块处理 的数字信号。控制模块9与切换开关模块2、A/D转换模块8和显示模块10相连，控制模块 9具体可W为单片机也可W为其它的嵌入式控制器，控制器根据设定好的阔值，采用阔值回 差法切换切换开关。显示模块10与控制模块9相连，通过控制模块9给出的数字信号显示 最终的空气负离子浓度，可W使用LCD显示显示波形，也可W使用L邸显示具体数值。
[0035] 在实际应用中，需要根据具体的要求选择上述元器件，为了得到更好的实际电路， 上述方案中的各元器件之间还需要连接合适的阻、容性元件，不W本例为限。
[0036] 本实用新型提供的空气负离子浓度检测仪装置中，I-V转换模块需要进行屏蔽，防 止电磁干扰，I-V的转换电路的信号线可W采用低噪声同轴导线，与通常的导线相比要减轻 1/10~1/100的噪声，信号的输入部分采用吸湿性小、化学稳定性好的聚四氣己締端子，确 保高输入阻抗。实际使用时，用等电位导体保护垫圈将四周围起来，不产生电位差，并且可 W把漏电流降低到极小。
[0037]W上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行 业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还 会有各种变化和改进，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物 界定。
【主权项】
1. 空气负离子浓度检测仪，设有离子收集器及微电流计，其特征在于： 所述微电流计包括切换开关模块、调零模块、I-V转换模块、低通滤波模块、电压放大模 块、滤波模块、A/D转换模块、控制模块及显示模块； 所述I-V转换模块、电压放大模块、滤波模块、A/D转换模块、控制模块顺次连接，所述 I-V转换模块与离子收集器连接，所述低通滤波模块、调零模块与I-V转换模块连接，所述 切换开关模块与I-V转换模块连接和控制模块连接，所述显示模块与所述控制模块连接； 所述I-V转换模块设有一模拟运放和并联在模拟运放反相输入端及其输出端两侧的 三路反馈电阻，所述模拟运放的反相输入端与待转电流信号输入端连接，所述反馈电阻各 自与一电容并联，各反馈电阻与待转电流信号输入端之间的连接电路上各自串接有一切 换开关；三路反馈电阻中，第一反馈电阻、第二反馈电阻、第三反馈电阻的电阻值依次相差 1000倍的数量级。
2. 根据权利要求1所述的空气负离子浓度检测仪，其特征在于，三个反馈电阻的电阻 值分别取 100G D、100M D、100K D。
3. 根据权利要求1所述的空气负离子浓度检测仪，其特征在于，所述模拟运放的同相 输入端接地，连接其反相输入端和输出端的电路上串接有保护电阻。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的空气负离子浓度检测仪，其特征在于，所述电容 为温度补偿型的陶瓷电容。
5. 根据权利要求1-3中任一项所述的空气负离子浓度检测仪，其特征在于，所述切换 开关为套上特氟龙管的干簧继电器。
6. 根据权利要求1-3中任一项所述的空气负离子浓度检测仪，其特征在于，所述模拟 运放为 LMC6062A、LMC6042、INA116 中的任一种。
【专利摘要】本实用新型公开了一种空气负离子浓度检测仪，设有离子收集器及微电流计，其特征在于，所述微电流计包括切换开关模块、调零模块、I-V转换模块、低通滤波模块、电压放大模块、滤波模块、A/D转换模块、控制模块及显示模块；所述I-V转换模块、电压放大模块、滤波模块、A/D转换模块、控制模块顺次连接，所述I-V转换模块与离子收集器连接，所述低通滤波模块、调零模块与I-V转换模块连接，所述切换开关模块与I-V转换模块连接和控制模块连接，所述显示模块与所述控制模块连接。本实用新型通过提高微电流计的精度和自动切换其测量量程，达到空气负离子浓度检测结果直接精确显示的目的，操作便捷。
【IPC分类】G01N27-00
【公开号】CN204613137
【申请号】CN201520263033
【发明人】行鸿彦, 周慧萍
【申请人】南京信息工程大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月27日