一种高源内阻测量装置的制作方法

1.本发明涉及一种高源内阻测量装置，属于滴定检测技术领域。


背景技术：

2.滴定检测包括光度检测、温度检测和电位检测三种，其中，电位检测使用的是电位滴定探头，电位滴定探头具有高内阻特性，导致其测量电流非常小，需要专用的测量装置对其电极信号进行测量，该测量装置即为电位测量装置，又称为高源内阻测量装置。
3.传统的电位测量装置的分辨率虽然能够达到0.1mv量级，但是随着电极技术、馈液技术、样品前处理技术、超高分辨率测温技术的发展和检验检测标准的提高，该检测分辨率已经不能完全满足精度要求。
4.并且传统的电位测量装置的稳定性较差，尤其是对温度变化影响的抵御性较差，导致波动明显。
5.因此，有必要设计一种分辨率更高、稳定性更强的高源内阻测量装置。


技术实现要素：

6.为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，一方面，提供了一种高源内阻测量装置，用于测量电位滴定探头输出的电极信号，包括依次电连接的探头连接模块、采样模块和ad转换模块。
7.进一步地，所述探头连接模块包括芯极11、内屏蔽极12和外屏蔽极13，
8.所述芯极11与电位探头电极的正极连接，所述内屏蔽极12与电位探头电极的负极连接，内屏蔽极12包覆在芯极11的外侧，所述外屏蔽极13接地，外屏蔽极13包覆在内屏蔽极12的外侧；
9.进一步地，在芯极11与内屏蔽极12之间，内屏蔽极12与外屏蔽极13之间填充有绝缘材料。
10.优选地，所述采样模块包括放大器、采样电阻和工作电压闭环稳定控制模块。
11.优选地，所述工作电压闭环稳定控制模块采用输出电压检测反馈控制的方式使得工作电压波动范围小于0.001mv。
12.优选地，所述高源内阻测量装置还包括双路温度校准补偿模块，用于补偿温度变化对测量精度的影响。
13.优选地，所述双路温度校准补偿模块包括温度采集单元、运算单元和存储单元，
14.所述温度采集单元测量采样模块中的放大器和ad转换芯片的温度，将测量的温度传递至温度采集单元；
15.所述存储单元中存储有温度补偿系数，所述温度补偿系数通过对高源内阻测量装置标定获得；
16.所述运算单元，根据测量得到的放大器温度、ad转换芯片的温度、存储单元中的温度补偿系数，对ad转换芯片转化的数字信号进行温度补偿运算后获得校准结果。
17.优选地，所述高源内阻测量装置还包括滤波器，以消除搅拌待测液体引起的信号波动。
18.优选地，所述滤波器为自适应滤波器，其具有两个输入，分别是输入信号和参考信号，输入信号为ad转换芯片输出的数字信号，参考信号为搅拌器的电机控制信号。
19.另一方面，本发明还提供了一种高源内阻测量方法，其特征在于，包括：
20.获取电位探头电极信号；
21.对电极信号进行放大采样，获得放大电压；
22.将放大电压转换为数字信号。
23.本发明所具有的有益效果包括：
24.(1)检测分辨率高，检测分辨率低于0.01mv；
25.(2)抗干扰能力强，受温度影响小；
26.(3)稳定性高，稳定性满足
±
0.03mv。
附图说明
27.图1示出根据本发明一种优选实施方式的高源内阻测量装置整体结构示意图；
28.图2示出根据本发明一种优选实施方式的高源内阻测量装置探头连接模块结构示意图；
29.图3示出根据本发明一种优选实施方式的高源内阻测量装置采样模块结构示意图；
30.图4示出根据本发明一种优选实施方式的高源内阻测量装置工作电压闭环稳定控制模块控制流程示意图；
31.图5示出根据本发明一种优选实施方式的高源内阻测量装置双路温度校准补偿模块结构示意图；
32.图6示出根据本发明一种优选实施方式的高源内阻测量装置自适应滤波器示意图；
33.图7示出根据本发明一种优选实施方式的高源内阻测量装置工作电压闭环稳定控制模块电路结构示意图；
34.图8示出滴定测量信号的波动情况。
35.附图标号说明：
36.11-芯极；
37.12-内屏蔽极；
38.13-外屏蔽极；
39.14-绝缘材料。
具体实施方式
40.下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
41.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各
种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
42.本发明提供了一种高源内阻测量装置，用于在电位滴定过程中，测量电位滴定探头输出的电极信号，尤其是测量具有高内阻特性的化学电极信号，如图1所示，包括探头连接模块、采样模块和ad转换模块。
43.传统的酸度计检定仪的分辨率只能达到0.1mv量级，发明人经过研究发现，影响其分辨率进一步提高的主要原因为采样电路的电流干扰。
44.用于电位滴定的探头为电化学测量探头，电化学测量探头电位测量时，输出的阻抗可达到1gω～3gω，由于内阻如此高，就需要非常小的测量电流，一般测量电流在飞安量级，如此小的测量电流导致测量过程中信号的传输路径和采样模块上都极易受到干扰，因此传统的测量装置难以实现更精确的测量。
45.在本发明中，针对发明人上述发现，对探头连接模块和采样模块做了独特的设计。
46.具体地，所述探头连接模块用于将采样模块与电位滴定探头的电极连接，探头连接模块为双屏蔽结构，如图2所示，包括芯极11、内屏蔽极12、外屏蔽极13。
47.进一步地，所述探头连接模块有两个，分别连接电位滴定探头的内指示电极和外参比电极。
48.进一步地，所述芯极11与电位探头电极的正极连接，所述内屏蔽极12与电位探头电极的负极连接，且包覆在芯极11的外侧，将电极负信号作为芯极11的屏蔽层，形成第一层屏蔽结构。
49.进一步地，所述外屏蔽极13包覆在内屏蔽极12的外侧，外屏蔽极13接地，从而形成第二层屏蔽。
50.更进一步地，在芯极11与内屏蔽极12之间，内屏蔽极12与外屏蔽极13之间填充有绝缘材料14。
51.弱电压放大与采集控制是提高测量结果灵敏度和分辨率的关键，在本发明中，针对电位探头的微弱电流信号，在采样模块中采用采样电阻实现电流、电压间的转换，然后在进行放大采样。
52.具体地，所述采样模块的电路结构如图3所示，包括放大器u1和采样电阻r1，其中，作为信号增益放大的放大器u1优选为仪表专用集成放大器，例如ad620，电路的放大增益由电阻r4阻值控制，信号经过放大器后输出至ad转换芯片。
53.进一步地，为了提高检测信号精度，消除外界的干扰，提高检测过程的重复过程，克服系统输出环节的温度漂移和非线性，在本发明中，采用输出电压检测反馈控制的方式，通过工作电压闭环稳定控制模块使得输出工作电压稳定。
54.优选地，所述工作电压闭环稳定控制模块包括cs5460a芯片，其电路结构如图7所示，cs5460a是具有有功功率计算引擎的cmos单片功率测量芯片，可实现系统校准功能。
55.进一步地，所述工作电压稳定是指工作电压波动范围小于0.001mv。
56.进一步地，在本发明中，所述工作电压闭环稳定控制模块工作过程如图4所示，通过系统设定参考信号、系统运行噪声信号和输出电压对输出电压进行反馈调节。
57.具体地，系统设定参考信号r(s)、系统运行噪声信号n(s)和输出电压v(s)作为输出电压反馈控制子模块的信号源，经过输出电压反馈控制子模块生成可调电压，在经过控制对象传递函数计算，即可获得工作输出电压。
58.其中，系统设定参考信号r(s)为输出工作电压设定信号，可以在0.000mv至1000.000mv范围内任意设定；
59.输出电压反馈控制子模块采用典型的pid控制策略，其pid控制器由比例单元(p)、积分单元(i)和微分单元(d)组成，根据信号源和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对工作输出电压信号进行控制。
60.优选地，输出电压反馈控制子模块传递函数为：
61.c(s)＝kp[1+1/(ti＊s)+td＊s]
[0062]
其中kp为比例系数；ti为积分时间常数；td为微分时间常数；
[0063]
控制对象传递函数h(s)为：
[0064]
h(s)＝g(s)＊b(s)
[0065]
其中，g(s)为可变电压产生的传递函数，b(s)为生化反应釜工作传递函数，在本发明中，对g(s)和b(s)的具体形式不做特别限定，本领域技术人员可根据经验选择，例如通过临界比例度法确定。
[0066]
发明人发现，系统测量回路中，由于搅拌子存在，系统内部液体回流造成的测量噪声信号，由于测量反应釜中存在着搅拌子混合液体运动，测量电极在液体的体积和接触面会发生变化，另一方面，生化反应电流与液体流速之间也存在着耦合关系，流速的变化会改变生化反应的速度，进而影响到测量信号的波动，如图8所示，显示了测量信号中由于系统液体运动所产生的波动信号。
[0067]
在本发明中，通过对输出电压反馈控制子模块的传递函数c(s)的条件pid参数的优化设计，使得输出v(s)信号中在测量通带范围内的波动达到最小，使得测量结果稳定，提高测量的可重复性。
[0068]
优选地，在pid参数中，kp＝10～30％，ti＝10～300s，td＝1～100s。
[0069]
任何具有有限电阻且与高阻抗导体接触的绝缘体都会产生误差电流，发明人发现，采样模块中的绝缘底板是测量装置中最大的误差源，所有绝缘材料都具有介电弛豫(也称为介电吸收或浸润)，介电弛豫会限制需要建立到数fa水平的静电计电路性能。绝缘底板一般为玻璃环氧树脂，然而玻璃环氧树脂薄片需要1小时才能将介电弛豫电流耗散到10fa以下，这表明，玻璃环氧树脂薄片不适合用于高性能静电计电路。
[0070]
根据本发明，采样模块的绝缘底板采用低介电损耗的高频板材，所述低介电损耗是指损耗低于0.003的板材，例如ogers高频板电路板，优选rogers6000系列，在本发明中能起到优异的绝缘性和高频性，有助于高源内阻测量的精确性。
[0071]
在电位测量过程中电极内阻高，模拟电压极易受到环境影响、测量时易产生误差。所述ad转换模块将采样模块放大后的电压转化为数字信号。
[0072]
在本发明中，对ad转换芯片的具体型号不做特别限定，本领域技术人员可根据实际需要从已知的任意具有ad转换功能的芯片中选择，例如cs5460a等。
[0073]
进一步地，发明人发现，采样模块中的放大器以及ad转换芯片的温度漂移会对测量精度产生不利影响，为了实现在正常使用温度范围内均达到高精度测量的目标，在本发明中，所述测量装置还包括双路温度校准补偿模块。
[0074]
所述双路温度校准补偿模块包括温度采集单元、运算单元和存储单元，如图5所示。
[0075]
所述温度采集单元用于测量采样模块中的放大器和ad转换芯片的温度，优选地，所述温度采集单元为两个热敏电阻，将采集到的放大器温度和ad转换芯片的温度传递至运算单元。
[0076]
所述存储单元中存储有温度补偿系数，所述温度补偿系数通过对高源内阻测量装置标定获得。
[0077]
具体地，所述标定过程为：高源内阻测量装置使用前，使测量装置的放大器、ad转换芯片分别稳定工作在不同温度下，在探头连接模块处输入多个固定电压，得到不同固定电压下不同温度对应的测量结果，从而得到温度补偿系数。
[0078]
在一个优选的实施方式中，所述多个固定电压为0.000mv、100.000mv、200.000mv、500.000mv、900.000mv、1000.000mv，获得不同电压下不同温度对应测量值。依据获得的测量值制表或采取最小二乘法进行线性拟合获得拟合曲线，根据拟合曲线即可获得补偿系数。
[0079]
更优选地，在补偿阶段，当输入电压不大于1000.000mv时，采用查表法获取获取补偿系数，当输入电压大于1000.000mv时，根据拟合曲线获取补偿系数，从而保证补偿系数的准确性。
[0080]
所述运算单元，根据测量得到的放大器温度、ad转换芯片的温度，存储单元中的温度补偿系数，对ad转换芯片转化的数字信号，进行温度补偿运算后，获得最终经温度补偿的校准结果。
[0081]
电位探头电极在测量混合液体时，需要使用搅拌器对液体进行搅拌，导致测量电机与液体的接触面会发生变化，同时，生化反应电流与液体流速之间也存在着耦合关系。流速的变化会改变生化反应的速度，进而影响到测量信号的波动，需要对信号进行滤波，以消除影响。
[0082]
传统的滤波多为线性滤波或非线性滤波，例如均值滤波器，然而其滤波后有效信号分辨率较低，在本发明中，在运算单元中设置有自适应滤波器，通过自适应滤波消除搅拌带来的干扰噪声。
[0083]
优选地，在温度补偿前对ad转换芯片输出的数字信号进行滤波，提高检测精度。
[0084]
自适应滤波器是在卡尔曼、维纳滤波器的理论基础上发展起来的尤其适应于非平稳随机信号的滤波方法，在本发明中，所述自适应滤波器处理信号的算法框图如图6所示，其具有两个输入，分别是输入信号和参考信号，输入信号为ad转换芯片输出的数字信号，参考信号为搅拌器的电机控制信号。
[0085]
由于搅拌器的电机控制信号的控制周期与信号波动分量的周期是一样的，通过变换即可达到与测量信号同幅值的信号数据，从而实现简单、快速、实时性强、适应性强的有效信号分辨。
[0086]
在一个更优选的实施方式中，所述自适应滤波器的更新系数可以表示为：
[0087][0088]
其中，w(t)表示滤波器的更新系数，t表示时间，μ表示调节因子，为常数项，γ为常数e(t)表示估算误差，x(t)表示输入数据矢量。
[0089]
经过该自适应滤波器处理，能够将信号分辨率提高一个数量级。
[0090]
另一方面，本发明还提供了一种高源内阻测量方法，优选通过上述高源内阻测量装置实现，包括：
[0091]
获取电位探头电极信号；
[0092]
对电极信号进行放大采样，获得放大电压；
[0093]
将放大电压转换为数字信号。
[0094]
优选地，所述高源内阻测量方法还包括：
[0095]
对数字信号进行稳步校准补偿；和/或
[0096]
对信号进行滤波。
[0097]
根据本发明，在获取电位探头电极信号时，将电极的正极与芯极连接，将电极的负极与内屏蔽极连接，内屏蔽层包覆在芯极外侧，形成屏蔽结构；
[0098]
进一步地，内屏蔽极外侧包覆有外屏蔽极，外屏蔽极接地。
[0099]
在对电极信号进行放大时，采用采样电阻实现电流、电压间的转换，然后在进行放大采样。
[0100]
放大时，采用仪表专用集成放大器进行放大。
[0101]
采样时，保持输出工作电电压的稳定，工作电压波动范围小于0.001mv。
[0102]
优选地，通过系统设定参考信号、系统运行噪声信号和输出电压对输出电压进行反馈调节。
[0103]
在对数字信号进行稳步校准补偿过程中，通过测量放大器与ad转换芯片的温度结合温度补偿系数，对数字信号进行补偿校准。
[0104]
进一步地，高源内阻测量装置使用前，使测量装置的放大器、ad转换芯片分别稳定工作在不同温度下，在探头连接模块处输入多个固定电压，得到不同固定电压下不同温度对应的测量结果，从而得到温度补偿系数。
[0105]
在一个优选的实施方式中，所述多个固定电压为0.000mv、100.000mv、200.000mv、500.000mv、900.000mv、1000.000mv，获得不同电压下不同温度对应测量值。依据获得的测量值制表或采取最小二乘法进行线性拟合获得拟合曲线，根据拟合曲线即可获得补偿系数。
[0106]
更优选地，在补偿阶段，当输入电压不大于1000.000mv时，采用查表法获取获取补偿系数，当输入电压大于1000.000mv时，根据拟合曲线获取补偿系数，从而保证补偿系数的准确性。
[0107]
在对信号进行滤波过程中，采用自适应滤波器，自适应滤波器的输入信号为ad转换芯片输出的数字信号，参考信号为搅拌器的电机控制信号。
[0108]
优选地，所述所述自适应滤波器的更新系数可以表示为：
[0109][0110]
根据本发明提供的高源内阻测量装置，能够对2500mv范围内的电位滴定探头输出的信号，且测量稳定度能够控制在0.02mv以内，测量分辨率能够控制在0.005mv之内，其测量稳定度及测量分辨率指标明显优于传统测量装置。
[0111]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明
和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0112]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0113]
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。