充电式便携pA微电流监测系统技术方案

本发明专利技术涉及充电式便携pA微电流监测系统，该系统采用单节锂电池作为电能的存储和供应单元，采用低功耗设计、高精度运算放大器和反馈电路，以pA级微电流I/V转换电路为核心，通过多种抗干扰保护电路，能够通过充电开关选择USB充电，通过供电选择开关选择系统供电，系统供电来源于USB配合锂电池，完成pA微电流的监测。本发明专利技术可作为便携式测量仪器使用，可以在室内或室外以及其他需要监测的地方，在室内外均可有锂电池供电，也可以由USB供电。本发明专利技术监测仪尺寸仅为手掌大小，重量轻、方便携带、监测精度高、价格便宜和测试方便，按要求插上待监测微电流可以测试出对应的转换电压值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微电流监测领域，特别是涉及充电式便携微电流监测系统。
技术介绍
世界是由很多物质组成的，而物质中的电子是基本粒子之一，电子运动会产生电流。微弱信号普遍存在于人类生活中，例如弱光、弱声、弱磁、小电容、小位移和微压力等。随着科学技术的飞快发展，很多领域都离不开微弱电流的测量。在半导体生产中、绝缘材料、微弱探测等领域，微电流的发生和测试有着十分重要的地位，而大多微弱电流的测量范围远低于10-10A。因此，测量微电流的技术在各领域具有广泛应用前景，具有重要意义。常规的pA监测仪体积很大，电源不可充电，重量也很大，不便于可移动监测，在一些特定位置无法进行测量。而且大部分从国外进口，价格昂贵，增加了使用成本。为此，本专利技术完成了一种充电式便携pA级微弱直流电流的高精度检测。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有的pA监测仪体积大，重量大，功耗大，布线复杂度高，价格高而造成的使用不便，为此本专利技术完成了一种微电流监测系统。本专利技术监测仪尺寸仅为手掌大小，方便携带，按要求插上待监测微电流可以测试出对应的转换电压值。本专利技术可以通过以下技术方案来实现：充电式便携pA微电流监测系统，该系统是基于相应检测设备实现的，该检测设备包括设备外壳体、电路板；电路板上安装有电源开关、USB充电接口、锂电池、I/V转换电路、电压发生器、供电选择开关；电路板固定在设备外壳体内。设备外壳体为一规则金属小长方体且内部上方的电路板前版面的中间固定 I/V转换电路；设备外壳体内部上方的电路板左侧设有电源开关、USB充电接口开关、供电选择开关；外壳体内部上方的电路板右侧固定电压发生器和微电流监测外接线端子；外壳体内部下方的电路板设有锂电池接口、锂电池固定装置。充电式便携pA微电流监测系统，该监测终端包括四大部分：I/V转换电路、电源管理电路、保护电路和接口电路；电源管理电路与I/V转换电路相连接，I/V转换电路与保护电路相连接，同时，I/V转换电路的输入输出端与接口电路相连接。其中，I/V转换电路由I/V转换运算放大器和电流输入端电路组成；电源管理电路由充电管理电路、供电管理电路和电池电压监测电路组成；保护电路由短路环保护电路、大面积地电路、BNC插头屏蔽线和金属屏蔽盒组成。该系统采用单节锂电池作为电能的存储和供应单元，以I/V转换电路为核心，能够通过充电开关选择充电方式为USB充电，通过供电选择开关选择系统供电，系统供电来源于USB配合锂电池。本系统将单节锂电池输出或者外部充电部分的输出与电源供应电路相连，目的是为I/V转换电路、电压发生器、运算放大器以及其他各个电路部分提供可用的高品质供电，满足了供电要求。实现整个系统功能的各单元模块分别为：I/V转换电路单元、充电单元、供电单元、输入单元、保护单元和接口单元；其中，充电单元与供电单元相连，供电单元与各个电路部分相连，电压发生器与I/V转换电路相连，方便调试。接线端子都采用高性能绝缘线与内部电路相连，采用高性能插头屏蔽线与外部测量电路相连。下面对各部分模块单元进行具体说明。I/V转换电路单元包括运算放大器、反馈回路、输入端电路单元。其中反馈回路与运算放大器的反相输入端和输出端相连接，输入端电路单元与运算放大器的反相输入端相连接。充电单元包括USB充电控制电路和电压指示电路。USB充电控制电路与电压指示电路和电池相连接。供电单元包括稳压电路、+/-2.5V分压电路和电池电量指示电路。电池与稳压电路相连接，稳压电路与+/-2.5V分压电路和电池电量指示电路相连接。输入单元包括pA微电流输入端、运算放大器输入端、反馈电阻和电容连接的输入端。其中pA微电流输入端与运算放大器输入端相连接，反馈电阻和电容相并联后，与运算放大器的反相输入端和输出端相连接。保护单元包括短路环保护电路和金属屏蔽罩保护器。短路环保护电路是一个独立的环路，隔离外接干扰信号进入PCB电路板，从而保护整个电路；金属屏蔽罩，将电路部分罩起来，改善电路抗干扰能力。接口单元包括输入输出接线端子，穿过屏蔽壳的接线柱、内部采用高绝缘性能的绝缘导线引出和高绝缘性能抗干扰的测试线。与现有技术相比本专利技术可以获得以下有益效果。本专利技术与目前各类微电流监测系统相比，可设置USB接口对内置锂电池进行充电，体积小，价格低、方便测量、便携带和精度高。本专利技术的电路部分均采用低功耗低偏置电流、高绝缘抗干扰设计，整个系统在很低的功耗下运行，既节省电池电量的使用，使得设备在单纯电池供电的情况下可以长时间工作。又可以减小热噪声干扰。本专利技术能够实现微电流pA精确监测。本专利技术可以作为便携式设备，放置在室内或者室外以及其他需要监测的地方，在室内可以连接USB充电配合锂电池使用，锂电池供电使用。本专利技术可作为微电流pA监测终端、可配合普通万用表使用，具有体积小，重量轻，方便携带，低功耗的特点。附图说明图1为本专利技术的结构原理图；图2.1为本专利技术的电路板的系统保护电路原理图；图2.2为本专利技术的电路板的I/V转换电路原理图；图2.3为本专利技术的电压发生电路原理图；图3.1为USB充电电路的原理结构图；图3.2为本专利技术的其余电路板的电源电路原理图；图4为本专利技术的电路板结构框图。图中：1、保护电路，2、I/V转换电路，3、电压发生器，4、USB充电电路，5、电源供电电路，6、+/-2.5V分压电路，7、电池电量指示电路。具体实施方式以下将结合附图和具体实施例对本专利技术作进一步说明。图1为本专利技术的结构原理图，本专利技术所用I/V转换电路的运算放大器是低偏置电流，低失调电压的精密运放。本专利技术按照放大电路的计算方法，设计相应电路原理图，创新的悬空焊接输入端，绘制印刷电路板。考虑到输入端的抗干扰问题，在印刷电路板上没有留出输入端焊盘，而是将所有与输入端相连的引脚悬空焊接，成为一个独立的与周围绝缘的孤立的输入模块。图2.1-2.3为本专利技术的电路板的电路原理图。电路板的电路包括系统保护电路1、I/V转换电路2、电压发生电路3。整个结构的框图如图4所示。系统保护电路1包括短路环保护电路、大面积地电路和金属屏蔽罩保护器。短路环保护电路是一个独立的环路，隔离外接干扰信号进入PCB电路板，从而保护整个电路；金属屏蔽罩将整个电路罩起来，改善电路抗干扰能力。I/V转换电路2通过高精度运算放大器、偏置电流fA级、极低的超调电压、确保I/V转换的精度。pA级微电流输入端通过P1、P2接口和超大电阻100G、反馈电容C4和运放的放大作用，使得1pA对应输出0.1V电压，通过P3、P4 接口的接线端子输出。其中C4作为反馈电容，要求超低漏电，容量尽量小，用来抵消运算放大器的极间分布电容带来的噪声影响，同时也加深了负反馈，防止电路增益峰化，进入饱和状态。选用超大电阻减小了微弱电流小电阻带来的噪声干扰问题。P1、P2、P3和P4接线端子采用内部高绝缘的导线，穿过屏蔽的金属壳，且壳体接地，以保证高抗干扰性能。与接线端子相连的测试导线也采用高绝缘性能的导线，以防止外在环境的干扰。电压发生器电路3与I/V转换电路的输入端通过接插件相连接，从而为整个电路提供调试信号。与电源电压-2.5V相连接的电流电压发生器，分别产生0.1V，0.5V，1V和1.235V电压，经过100G电阻后本文档来自技高网...

【技术保护点】
充电式便携pA微电流监测系统，该系统是基于相应检测设备实现的，该检测设备包括设备外壳体、电路板；电路板上安装有电源开关、USB充电接口、锂电池、I/V转换电路、电压发生器、供电选择开关；电路板固定在设备外壳体内；设备外壳体为一规则金属小长方体且内部上方的电路板前版面的中间固定I/V转换电路；设备外壳体内部上方的电路板左侧设有电源开关、USB充电接口开关、供电选择开关；外壳体内部上方的电路板右侧固定电压发生器和微电流监测外接线端子；外壳体内部下方的电路板设有锂电池接口、锂电池固定装置；其特征在于：该监测终端包括四大部分I/V转换电路、电源管理电路、保护电路和接口电路；电源管理电路与I/V转换电路相连接，I/V转换电路与保护电路相连接，同时，I/V转换电路的输入输出端与接口电路相连接；其中，I/V转换电路由I/V转换运算放大器和电流输入端电路组成；电源管理电路由充电管理电路、供电管理电路和电池电压监测电路组成；保护电路由短路环保护电路、大面积地电路、BNC插头屏蔽线和金属屏蔽盒组成；该系统采用单节锂电池作为电能的存储和供应单元，以I/V转换电路为核心，能够通过充电开关选择充电方式为USB充电，通过供电选择开关选择系统供电，系统供电来源于USB配合锂电池；本系统将单节锂电池输出或者外部充电部分的输出与电源供应电路相连，目的是为I/V转换电路、电压发生器、运算放大器以及其他各个电路部分提供可用的高品质供电，满足了供电要求；实现整个系统功能的各单元模块分别为：I/V转换电路单元、充电单元、供电单元、输入单元、保护单元和接口单元；其中，充电单元与供电单元相连，供电单元与各个电路部分相连，电压发生器与I/V转换电路相连，方便调试；接线端子都采用高性能绝缘线与内部电路相连，采用高性能插头屏蔽线与外部测量电路相连。...

【技术特征摘要】
1.充电式便携pA微电流监测系统，该系统是基于相应检测设备实现的，该检测设备包括设备外壳体、电路板；电路板上安装有电源开关、USB充电接口、锂电池、I/V转换电路、电压发生器、供电选择开关；电路板固定在设备外壳体内；设备外壳体为一规则金属小长方体且内部上方的电路板前版面的中间固定I/V转换电路；设备外壳体内部上方的电路板左侧设有电源开关、USB充电接口开关、供电选择开关；外壳体内部上方的电路板右侧固定电压发生器和微电流监测外接线端子；外壳体内部下方的电路板设有锂电池接口、锂电池固定装置；其特征在于：该监测终端包括四大部分I/V转换电路、电源管理电路、保护电路和接口电路；电源管理电路与I/V转换电路相连接，I/V转换电路与保护电路相连接，同时，I/V转换电路的输入输出端与接口电路相连接；其中，I/V转换电路由I/V转换运算放大器和电流输入端电路组成；电源管理电路由充电管理电路、供电管理电路和电池电压监测电路组成；保护电路由短路环保护电路、大面积地电路、BNC插头屏蔽线和金属屏蔽盒组成；该系统采用单节锂电池作为电能的存储和供应单元，以I/V转换电路为核心，能够通过充电开关选择充电方式为USB充电，通过供电选择开关选择系统供电，系统供电来源于USB配合锂电池；本系统将单节锂电池输出或者外部充电部分的输出与电源供应电路相连，目的是为I/V转换电路、电压发生器、运算放大器以及其他各个电路部分提供可用的高品质供电，满足了供电要求；实现整个系统功能的各单元模块分别为：I/V转换电路单元、充电单元、供电单元、输入单元、保护单元和接口单元；其中，充电单元与供电单元相连，供电单元与各个电路部分相连，电压发生器与I/V转换电
\t路相连，方便调试；接线端子都采用高性能绝缘线与内部电路相连，采用高性能插头屏蔽线与外部测量电路相连。2.根据权利要求1所述的充电式便携pA微电流监测系统，其特征在于：I/V转换电路单元包括运算放大器、反馈回路、输入端电路单元；其中反馈回路与运算放大器的反相输入端和输出端相连接，输入端电路单元与运算放大器的反相输入端相连接。3.根据权利要求1所述的充电式便携pA微电流监测系统，其特征在于：充电单元包括USB充电控制电路和电压指示电路；USB充电控制电路与电压指示电路和电池相连接。4.根据权利要求1所述的充电式便携pA微电流监测系统，其特征在于：供电单元包括稳压电路、+/-2.5V分压电路和电池电量指示电路；电池与稳压电路相连接，稳压电路与+/-2.5V分压电路和电池电量指示电路相连接。5.根据权利要求1所述的充电式便携pA微电流监测系统，其特征在于：输入单元包括pA微电流输入端、运算放大器输入端、反馈电阻和电容连接的输入端；其中pA微电流输入端与运算放大器输入端相连接，反馈电阻和电容相并联后，与运算放大器的反相输入端和输出端相连接。6.根据权利要求1所述的充电式便携pA微电流监测系统，其特征在于：保护单元包括短路环保护电路和金属屏蔽罩保护器；短路环保护电路是一个独立的环路，隔离外接干扰信号进入PCB电路板，从而保护整个电路；金属屏蔽罩，将电路部分罩起来，改善电路抗干扰能力。7.根据权利要求1所述的充电式便携pA微电流监测系统，其特征在于：接口单元包括输入输出接线端子，穿过屏蔽壳的接线柱、内部采用高绝缘性能的绝缘导线引出和高绝缘性能抗干扰的测试线。8.根据权利要求1所述的充电式便携pA微电流监测系统，I/V转换电路的运算放大器是低偏置电流，低失调电压的精密运放；本系统按照放大电路的计算方法，设计相应电路，创新的悬空焊接输入端，绘制印刷电路板；考虑到输入端的抗干...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿淑琴，刘晨，何蕴良，彭晓宏，侯立刚，汪金辉，袁颖，高祥凯，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11