一种基于模块化设计的便携式电化学传感器电路

1.本技术涉及电化学传感器技术领域，具体涉及一种基于模块化设计的便携式电化学传感器电路。


背景技术：

2.电化学传感器指的是一种可以通过转换系统将特定的识别系统感知到的化学信息转换为与检测浓度成比例的电信号，进而能够定性或定量检测目标物质的装置。电化学传感器技术因其检测准确、成本低廉、操作简单、设备便携等优点，逐渐被广泛应用于多个领域。目前研究电化学传感器的常用设备如电化学工作站往往体积较大，操作繁琐，在要求便携式检测场景下无法满足检测需求，尤其在海洋重金属检测领域，此外，目前已经存在一些电化学传感器电路往往设计独立，例如具备独立的控制模块和电源模块，当要加入一个需要检测技术的平台系统当中，则需要根据具体的平台系统对电路进行重新设计，增加了产品的开发成本。


技术实现要素：

3.为了解决上述的多个问题，本发明提供了一种基于模块化设计的便携式电化学传感器电路，为海洋重金属的检测提供一种新的手段和思路。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于模块化设计的便携式电化学传感器电路，该电路包括电化学传感器接入部分，恒电位仪电路，i/v电路，滤波电路，数模转换电路，数模转换电路。本发明通过数字通讯总线获取外部的平台系统传输的数字信号，经由数模转换器dac转换为测量所需的激励信号，恒电位电路根据信号对电化学传感器进行作用，使得工作电极产生相应电流，再经i/v电路，滤波电路处理后，被模数转换器adc转换为数字信号，通过数字通讯总线传输给外部的平台系统。
5.进一步地，所述电化学传感器接入部分，包括we，re，ce三个接点，分别与工作电极，参比电极和对电极连接。
6.进一步地，所述恒电位仪电路，包括电压缓冲器u1，电压比较器u2，电压跟随器u3，电阻r1，电阻r2。电阻r1的一端与数模转换模块dac相连接，另一端与电压比较器u2的同相输入端相连接。电压比较器u2的反相输入端与电阻r2相连接，电压比较器u2的输出端与电压缓冲器u1的同相输入端相连接。电压缓冲器u1的输出端和反相输入端都与电化学传感器接入部分的ce接点相连接。电压跟随器u3的同相输入端与电化学传感器接入部分的re接点相连接，反相输入端和输出端都与电阻r2的另一端相连接。
7.所述恒电位电路对电化学传感器的参比电极和对电极施加稳定的电压信号。
8.进一步地，所述i/v电路，包括运算放大器u5，多路模拟开关，电容c3，c4，c5，电阻r7，r8，r9。电容c3和电阻r7并联连接；电容c4和电阻r8并联连接；电容c5和电阻r9并联连接；以上所构成的三个并联电路的一端各与多路模拟开关的一端相连接，另一端都与运算放大器u5的输出端相连接。运算放大器u5的反向输入端与多路模拟开关的一段相连接，同
时和电化学传感器接入部分的we接点相连接。运算放大器u5的同相输入端接地，输出端与滤波电路相连接。
9.所述i/v电路可将电化学传感器的工作电极产生的电流转换为电压信号并同时进行多级放大。
10.进一步地，所述滤波电路，包括运算放大器u4，电容c1，c2，电阻r3，r4，r5，r6。运算放大器u4的同向输入端与电容c1和电阻r4相连接；反向输入端与电阻r3和电阻r6相连接；输入端与电阻r6的另一端相连接，同时与电容c2和模数转换模块adc相连接。电容c1的另一端接地。电容r4的另一端与电容c2的另一端相连接，同时和电阻r5相连接。电阻r3的另一端接地。电阻r5的另一端和i/v电路相连接。
11.进一步地，系统还包括数字通讯总线，电源线；数字通讯总线与外部的平台系统的控制模块相连接，包括spi，ic2通讯方式；电源线与外部的平台系统相连，为整个电路供电。
12.优选的，所述电阻r7，r8，r9为温度特性好和低噪声的高精度电阻。
13.优选的，所述运算放大器u1，u2，u3，u4，u5为高共模抑制比和低噪声的精密运算放大器。
14.从上述技术方案可知，本发明：一种基于模块化设计的便携式电化学传感器电路具有以下有益效果：
15.(1)本发明具有灵敏度高，准确性好，成本低廉，体积精巧的特点，可满足便携式检测场景下的检测需求；
16.(2)本发明可在进行i/v转换的同时进行信号的多级放大，使得电路结构更加简化紧凑；
17.(3)本发明采用数字通讯总线进行通讯，采用电源线进行供电，仅需稍加改动或无需改动即可模块化的添加到一个需要电化学检测技术的平台系统当中，简化了产品的开发流程，降低了产品的开发成本。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本发明的总体结构示意图；
20.图2为本发明的电路结构示意图。
具体实施方式
21.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。本文附图中展示的实施例仅为可采取的一种形式，在实际应用中，所公开的实施例可以采取很多不同的形式。但应理解的是,本公开应被考虑为其原理的范例以及实施其的最佳模式,且并不意味将其权利要求限制到所示的特定实施例。
22.如图1，图2所示，本发明为一种基于模块化设计的便携式电化学传感器电路，该电路包括电化学传感器接入部分，恒电位仪电路，i/v电路，滤波电路，数模转换电路，数模转
换电路。本发明通过数字通讯总线获取外部的平台系统传输的数字信号，经由数模转换器dac转换为测量所需的激励信号，恒电位电路根据信号对电化学传感器进行作用，使得工作电极产生相应电流，再经i/v电路，滤波电路处理后，被模数转换器adc转换为数字信号，通过数字通讯总线传输给外部的平台系统。
23.本发明由外部的平台系统，如stm32单片机，树莓派等进行控制，可应用于电化学活性成分定量分析。
24.所述数模转换模块dac可以采用dac8831芯片，但也不限于此。
25.所述模数转换模块adc可以采用ad7705芯片，但也不限于此。
26.所述电化学传感器接入部分，包括we，re，ce三个接点，分别与工作电极，参比电极和对电极连接。
27.所述恒电位仪电路，包括电压缓冲器u1，电压比较器u2，电压跟随器u3，电阻r1，电阻r2。电阻r1的一端与数模转换模块dac相连接，另一端与电压比较器u2的同相输入端相连接。电压比较器u2的反相输入端与电阻r2相连接，电压比较器u2的输出端与电压缓冲器u1的同相输入端相连接。电压缓冲器u1的输出端和反相输入端都与电化学传感器接入部分的ce接点相连接。电压跟随器u3的同相输入端与电化学传感器接入部分的re接点相连接，反相输入端和输出端都与电阻r2的另一端相连接。
28.所述恒电位仪电路中，u1,u2,u3可以采用同一种运算放大器，但也不限于此。
29.所述i/v电路，包括运算放大器u5，多路模拟开关，电容c3，c4，c5，电阻r7，r8，r9。电容c3和电阻r7并联连接；电容c4和电阻r8并联连接；电容c5和电阻r9并联连接；以上所构成的三个并联电路的一端各与多路模拟开关的一端相连接，另一端都与运算放大器u5的输出端相连接。运算放大器u5的反向输入端与多路模拟开关的一段相连接，同时和电化学传感器接入部分的we接点相连接。运算放大器u5的同相输入端接地，输出端与滤波电路相连接。
30.所述i/v电路，u5采用高共模抑制比和低噪声的精密运算放大器，如tlc4501，但也不限于此；上述电阻r7,r8,r9采用高精度，低噪声的金属膜电阻，上述多路模拟开关可以采用max333芯片，但也不限于此。
31.所述滤波电路，包括运算放大器u4，电容c1，c2，电阻r3，r4，r5，r6。运算放大器u4的同向输入端与电容c1和电阻r4相连接；反向输入端与电阻r3和电阻r6相连接；输入端与电阻r6的另一端相连接，同时与电容c2和模数转换模块adc相连接。电容c1的另一端接地。电容r4的另一端与电容c2的另一端相连接，同时和电阻r5相连接。电阻r3的另一端接地。电阻r5的另一端和i/v电路相连接。
32.所述滤波电路采用二阶sallen-key电路结构，对信号进行滤波处理。u4可以采用tlc4501，但也不限于此。
33.此外，系统还包括数字通讯总线，电源线；数字通讯总线与外部的平台系统的控制模块相连接，包括spi，ic2通讯方式；电源线与外部的平台系统相连，为整个电路供电。
34.以上所述实施例仅为本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，只是用于帮助阐述本发明。所述实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。应当指出的是，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。此外，本发明专利中所未详细
描述的技术细节和技术特点，均可通过本领域中的任一现有技术实现。