光离子化检测器中新型微电流检测电路设计

0 引 言

挥发性有机物(volatile organic compounds, VOCs)，如甲醛、丙酮、异丁烯、乙醇、肼等，大多具有毒性且易燃易爆炸。这类物质不仅会造成大气污染，而且长时间地接触，对人体的伤害也是巨大的。因此，对于挥发性有机物的检测显得尤为迫切和重要[1]。

光离子化检测技术是近年来发展迅速的一种快速检测挥发性有机物的方法，它利用真空紫外灯产生的高能量紫外光对电离室的VOCs气体分子进行轰击并使其电离。被电离出的带电粒子在施加的高压电场中向极板移动，形成微弱电流，通过检测产生的微弱离子电流信号的大小，就可以获得进入电离室的挥发性有机物的浓度[2]。

由于光电离所产生的电流与VOCs浓度在一定范围内呈线性关系，所以，对于光离子化检测器中微弱电流信号的放大常常采用跨阻抗前置放大的方法，使得转换的电压和输入电流信号也呈线性关系，以便采集后分析处理。2010年，孙瑞霞[3]等利用斩波稳零式高精度运放ICL7650设计了跨阻式微电流检测电路，并应用于其设计的光离子化检测系统中，系统线性度良好，响应时间小于5 s；2017年鲍春[4]等在其光离子化检测系统中微电流信号检测部分选择了低温漂，超低偏置电流，高增益的运放AD549K，并调整了增益电阻的温漂系数和稳定精度搭建跨阻式前置放大电路，并在PCB制版时做好了隔离和屏蔽，最终实现了超静态噪声的微电流放大。

然而，跨阻放大器除了对运放本身的精密度要求高以外，同时在皮安到纳安级别的I-V转换中，需要超大电阻作为反馈电阻，而大电阻通常带来精度低、稳定性差、价格昂贵、易老化等问题[5]。同时，跨阻放大器能够放大的电流信号范围有限，对于更大范围的电流信号需要在硬件上做多量程设计，从而带来成本的增加和电路设计上的繁杂[6]。针对跨阻放大器应用在光离子化检测系统中的不足，本文在利用皮安表确定所设计的光离子化传感器的输出电流范围后，设计了对数压缩前置放大电路与MCU控制相结合的新型微电流检测电路。

1 光离子化检测器的工作原理

光离子化检测器的工作原理如图1，VOCs气体分子在微型吸气泵的作用下，进入电离室中，在真空紫外灯的辐射下被电离成带正电的离子和带负电的电子；在高压电场的作用下带电粒子的定向移动形成微弱的电流信号，最后通过微电流放大器放大为一个较大的电压信号被MCU采集并显示出VOCs气体的浓度。

图1 光离子化检测器的系统结构图

Fig.1 Systemstructure diagram of photoionization detector

光电离传感器可以检测电离能低于紫外光源辐射水平之下的气体，它能使空气中大多数有机物和部分无机物电离，但仍能保证空气中的基本成分如水蒸气，N2，O2，CO2等不被电离[7]。它不仅可以对待测气体进行实时连续检测，检测限低，灵敏度高，而且最大的优点是没有破坏性，气体被检测后，离子重新复合成原来的气体。

2 微电流前置放大电路

微弱电流检测前置放大电路主要有2类：①I-V变换法;②I-F变换法。后者在稳定性和工作效率上存在不足，因此，在光离子化检测器中微电流放大常常采用的是I-V变换实现前置放大[8]。I-V变换法又分电容积分法、跨阻抗法、对数压缩法。电容积分法是根据噪声的随机特性——噪声对时间积累均值趋于零的特性来降噪，但时间太长对电路的时间漂移不利，特别是运算放大器的时间漂移影响大[8]。

2.1 跨阻抗法前置放大器

在跨阻抗法前置放大器设计中，为了材料选型方便，通过较小的阻值获得较高的灵敏度，常采用T型网络电阻代替超高阻[9-10]。然而这样的设计却会使整个电路得不到良好的信噪比。由于在电离室中电离VOCs产生的电流信号十分微弱，需要尽可能的提高增益，使得输出的电压信号达到测量值。根据电阻的热噪声公式[11]

(1)

(1)式中：NV是电阻热噪声电压有效值，以V为单位；Kb是玻尔兹曼常数，1.38×10-23 J/K；T是温度，以K为单位；R是电阻，以Ω为单位；B是等效噪声带宽，以Hz为单位。可见，电压噪声公式中噪声电压的平方与电阻成正比，即电阻的阻值越大，带来的电压的噪声也就越高；但是电阻的噪声还有一个在电流方面的表达，其公式为[12-13]

(2)

(2)式中，NI是噪声电流，以A为单位。

从(2)式可以看出，噪声电流的平方与电阻是成反比的[14]。而这里需要检测的信号是微电流，所以需要尽可能地加大反馈电阻，即使这样电压噪声很大，但是除以超大反馈电阻也是很小的电流噪声了。

同时也可以从I-V转换的总噪声电压粗略计算来看，其噪声分析如图2。

图2 跨阻式I-V转换输入噪声分析图

Fig.2 Input noise analysis diagram of transimpedance I-V conversion

图2中，IN是运算放大器的输入噪声电流密度；EN是运算放大器的输入噪声电压密度。由图2可知，一般从以下3个方面考虑噪声源：①运算放大器的噪声电压密度：②等效电阻Rf与放大器的噪声电流密度之积的电压降：ET=IN·Rf；③电阻Rf的温度噪声：

所以，总的噪声ENT为

(3)

设频率带宽为BW，输出噪声电压为VOUT，则

(4)

(3)—(4)式中：EN和IN均为常数，可由运算放大器参数查出；GN为噪声增益，在I-V转换电路中，GN=1；一旦电路设计好，信号源确定，BW也是常数，所以I-V转换的噪声电压取决于Rf的大小。

虽然反馈电阻Rf越大，带来的噪声也越大，但是在微弱电流信号的检测中如果反馈电阻Rf太小，则没有办法得到很好的信噪比。根据I-V转换中输入输出的关系式(5)，可以看出，输出的电压与反馈电阻Rf成正比，即

Uout=IoutRf

(5)

虽然这在选取反馈电阻上十分矛盾，但是考虑到Rf的热噪声NV与Rf的开平方成正比，信号S与Rf成正比关系，Rf也应该尽可能的大[15]。

2.2 对数压缩法前置放大电路

对数压缩法的前置放大器原理如图3，跨阻抗法前置放大器属于线性放大器，在宽范围的微弱电流输入时，输出电压容易饱和，而对数放大器的检测范围常常可以跨几个量级放大信号。在图3中，

图3 对数式前置放大电路

Fig.3 Logarithmic preamplifier circuit

(6)

因此，有

(7)

根据运算放大器的“虚断”“虚短”原理有

Iin=ID

(8)

U+=U-

(9)

因此，可得输出电压数输入电流的关系式为

(10)

(6)—(10)式中：Is为二极管的反向饱和电流；UT为电压的当量，UT=KT/q，K为波尔曼常数(1.38×10-29 J/K)，T为热力学温度(单位为K，0 K=-273 ℃)，q为电子电荷(1.6×10-19 C)，常温(300 K)下，UT=0.026 V；ID是通过二极管的电流；UD为二极管两端的外加电压，U+为运放的同相输入端电压，U-为运放的反向输入端电压，UO为运放输出端的输出电压[16]。器件在一定的温度下，Is，UT都是定值。因此，由(10)式可以看出输出电压UO与输入电流Iin成对数关系。这样使得输出电压的测量范围缩小，便于后级电路的信号处理。

3 新型光离子化检测电路设计

在光离子化检测器中，常用的微电流检测电路都是采用的是跨阻抗法前置放大电路。然而，一方面跨阻抗法前置放大电路不仅对运放的精密性要求高，而且需要高精度、温漂低的大电阻，使得检测电路的成本较高；另一方面，由于所设计的电离室结构不同，电离的效率也有一定的差异，所以产生的电流范围也有所不同。针对本人所设计的电离室，采用所设计电离室、微型吸气泵、吉利时6485型皮安表搭建的检测电路如图4。

图4 皮安表测试光电离电流信号范围结构图

Fig.4 Structural diagram for measuring the current signal range of photoionization by picoammeter

通过将不同浓度的异丁烯气体以200 ml/min的流速通入电离室，读取皮安表的示数，得到在异丁烯气体浓度为0～2 000 ppm的实验结果如图5。从图5中可以看出，在不同的浓度范围，异丁烯气体的浓度与电离所产生的电流大小有不同的线性关系，所以必须进行多量程设计。同时，在0～2 000 ppm所产生的电流值为600 pA～7 nA，如果是采用传统的跨阻放大器输出电压极容易饱和，需要在硬件上进行量程变换设计，增加了整个检测电路的繁杂度。而采用对数式放大器先对数据进行压缩，再在MCU中通过程序设计进行量程变化，这样可以使检测电路变得稳定且简洁的同时节约整个检测电路的成本。

图5 不同范围异性气体浓度与产生的电流值的关系

Fig.5 Relationship between the concentration of heterogeneous gases in different ranges and the current value produced

3.1 前置放大电路

针对跨阻抗法运算放大器运用在光离子化检测器中的几点不足，采用德州仪器公司生产的精密对数放大器LOG112将电流值压缩成一定范围内的电压信号，再利用微处理器进行采集转换。LOG112具有很宽的输入动态范围(7.5 decades)，同时其自带2.5 V的参考电压，可以通过参考电压与精密电阻得到基准电流[17]。为了减少零漂对输出的影响，设计出的带工作点调节的对数放大电路结构如图6。通过调节滑动变阻器R2，设置基准电流I2。同时，为了方便采集，通过R3与R4的分压使得在输出上叠加2.5 V的偏置电压。从而得到输出电压与输入电流关系，如(11)式

图6 基于LOG112对数放大电路

Fig.6 Logarithmic amplifier circuit based on LOG112

(11)

(11)式中，Vout为输出电压；Iin为输入电流；I2为基准电流。从(11)式中可以看出，LOG112中，输入电流变化一个量级，输出电压变化0.5 V，这样就实现了将较大范围的电流信号进行了压缩采集。此次设计所设置的基准电流I2为1 μA，采用T型电阻网络能够通过较小的电阻得到较大的等效电阻，并且将R2设计为可变电阻，以便通过调节其大小校准基准电流I2。

3.2 主控系统

主控系统所采用的微处理器为32位基于ARM Cortex M3核心的STM32F103VCT6，其内部集成了3个12位ADC、1个SDIO接口，还带外部总线(FSMC)可以用来外扩SRAM和连接LCD等[18]。本文所设计的检测电路的主控系统工作流程如图7，ADC将采集到的电压信号进行反对数运算，得到不同浓度VOCs电离所产生的电流值，然后通过实验得到的定标曲线将电流值转换为对应的VOCs气体浓度值并通过LCD显示出来。在整个信号采集过程中，一方面，因为系统在检测时本身存在底噪，且在每次测试时可能会有所不同，需要对其进行调零处理，而这也可以在微处理器中编写程序后通过按键实现；另一方面，为了提高系统的响应速度和稳定性，加入了PWM脉宽调速的微型吸气泵，通过STM32F103VCT6输出的PWM波就可以控制泵的转速，从而方便优化进入电离室中气体的流速。为了丰富整个检测系统的功能，还可以以STM32F103VCT6为控制核心，增加温湿度检测、远程监控等功能模块。

图7 控制系统程序流程图

Fig.7 Flow chart of control system program

4 实验与仿真结果

4.1 检测电路可行性测试

为了检测此次设计电路的可行性，先利用TINA-9软件对所设计的对数式前置放大器进行仿真，得到的仿真结果如表1。从仿真结果可以看出，在500 pA～8 nA中，所设计的对数放大器的仿真值与理论值间的误差都低于了1%。所以在应用于光离子化检测器中微电流的检测时，通过对数放大器与微处理器反对数运算相结合的方式是可行的。

表1 对数放大器仿真结果

Tab.1 Simulation results of logarithmic amplifier

将所设计微电流检测电路应用于光离子化检测系统，通入浓度为0～178.5 ppm的异丁烯气体进行检测，并将微处理器反对数计算得出的不同浓度下的电流值与图4中的利用皮安表搭建的检测系统得到的电流值进行对比，得到的实验结果如图8。从图8中可以看出，2种方法测试得到的实验结果重复性很好，并且在0～178.5 ppm内整个检测系统具有较高的线性度，R2=0.987，说明所设计的对数式微弱电流检测电路能够用于光离子化检测器中。

图8 2种检测方法实验结果对比

Fig.8 Comparison of experimental results of two detection methods

为了测试所设计光离子化检测器的准确度，在相同的检测环境下，通入10 ppm的异丁烯气体，如图9，对比了所设计光离子化检测器与购置的岚宝德源空气检测仪的测试结果。岚宝德源空气检测仪中对于VOCs的检测选用的是半导体空气传感器，主要是利用了酶的生化反应和免疫反应等将生物量转换成电信号。由于该检测仪表示VOCs气体浓度的单位为mg/m3，而所购置的标准气体浓度单位为ppm，所以，需通过(12)式进行换算，本次实验结果对比中统一浓度单位为ppm。通过实验发现，所设计光离子化检测系统比岚宝德源空气检测仪响应时间明显更快，准确度也更高。

图9 所设计PID系统与购置的空气检测仪实验结果对比

Fig.9 Comparison of the experimental results between the designed PID system and the purchased air detector

M/22.4 mg/m3=1 ppm

(12)

4.2 系统性能测试

响应时间是是检测仪器的重要参数之一，响应时间越小，整个检测系统对气体的测试更加灵敏迅速。通过配置178.5 ppm的异丁烯气体作为待测气体，测试选择每隔2 s读取一次数据，每24 s一个测试周期(通气体12 s，关闭气体12 s)，连续测试3个周期，得到信号强度与时间的关系图如图10。从图10中可以看出，所设计光离子化检测系统对异丁烯气体的响应时间小于6 s。而这个响应时间完全满足了广东省2017年开始实施的针对光离子化检测系统的技术标准，在这份标准中，对系统响应时间要求为不超过20 s[19]。由此说明，将所设计电路应用于光离子化检测系统中具有较好的响应速度。

图10 系统响应时间测试结果

Fig.10 Test results of system response time

除了系统的响应时间，系统的重复性也是其重要的性能指标，稳定性的好坏采用相对标准偏差RSD来表示，其计算方法如(13)式[20]。

(13)

(13)式中，Ai是仪器第i次测量显示的值；是仪器显示值的算术平均值；n是测量次数，n≥2。此次为了测试系统的稳定性，通入配置的98 ppm异丁烯标准气体，在0～20 min内，每隔一分钟读取一次LCD上显示的浓度值，测试结果如图11。通过图11可以看出，在其他条件固定不变的情况下，信号强度的值在不同时间点有一些波动，但是波动不大，比较平稳。将测得的20组数据代入(13)式，可以得到系统的重复性约为±1.37%。

图11 系统短期重复性测试结果

Fig.11 Test results of short-term repeatability of the system

除了短时间的测试，对所设计系统的长时间稳定性也进行了测试。以天为单位，每一天在尽可能保证相同测试环境下，测试一组浓度为98 ppm的异丁烯气体。两周过后得到测试结果如图12，同样利用(13)式可以得到光离子化检测系统长期测试的重复性约为±2.28%。

图12 系统长期重复性测试结果

Fig.12 Test results of long-term repeatability of the system

参考广东省2017年开始实施的针对光离子化检测系统的技术标准中，对于系统重复性这一指标的要求为±3%[19]。说明所设计检测电路应用光离子化检测系统中时，不管是短时间还是长期的测试，都具有良好的重复性。

5 结束语

本文介绍并对比了跨阻抗微电流前置放大电路和对数式微电流前置放大电路，并依据实际检测系统利用LOG112设计了成本更低、电路更加简洁的对数放大电路。在控制端搭配微处理器STM32F103VCT6，这样的设计不仅可以丰富整个检测系统的功能，更能利用对数放大器对数据进行压缩从而无需在硬件上进行多量程设计，减少了所设计光离子化检测器的体积和成本，系统稳定性也更好。通过仿真与实验相结合的方法，验证了所设计微电流检测电路的可行性。但是，此次所设计的检测电路也存在一定的局限性。由于需要在微处理器中进行反对数运算还原检测的电流，这会增加整个系统的响应时间。