前置电路及包括该前置电路的多通道原子荧光仪的制作方法

本实用新型涉及原子光谱分析
技术领域：
中的电子电路系统，具体涉及一种适用于微弱信号检测的前置电路及包括该前置电路的多通道原子荧光仪。
背景技术：
：目前，原子荧光仪是常用的光谱类分析仪器，其工作原理是使用激发光源照射含有一定浓度的待测元素的原子蒸汽，使得基态原子跃迁至激发态，发出原子荧光，测定原子荧光的强度即可计算得到待测样品中该元素的含量，即将测量得到的荧光信号强度和一系列已知的该元素标准含量的荧光信号强度值对比，计算得到被测元素的含量。原子荧光检测灵敏度和检出限是反映原子荧光仪性能的两个关键指标，要提高原子荧光仪的检测灵敏度、降低其检出限，通常采取的方式一是采用更强的光源，而是采用更好的原子化器，三是适当增加检测器中光电倍增管(PMT)的负高压来提高放大增益。由于杂散光的存在，采取上述方法并不能有效去除杂散光的影响，例如，通过增加检测器中PMT的负高压来提高放大增益时，在放大有效原子荧光信号的同时，杂散光也将被放大，同时，由于电路的电信号放大和模拟电信号到数字电信号的转换范围受器件本身和电路设计的限制不可能有很宽的动态范围，这种放大增益的方法效果是非常有限的。按照原子荧光仪通道数目，原子荧光仪可以分为单通道原子荧光仪和多通道原子荧光仪。现有的多通道原子荧光仪通常是设置多个相互独立的通道，即多个激发光源通道都设有与之对应的检测通道，使用时，单个通道测量一个元素，各通道相互独立。这样，原子荧光仪结构上比较复杂，且多个检测通道之间易发生干扰，从而影响检测数据的可靠性和准确性。技术实现要素：为了解决上述问题，本实用新型提供一种前置电路，该前置电路适用于微弱信号的检测。本实用新型的上述目的是由以下技术方案来实现的：一种前置电路，用于将微弱电流信号转换为大幅度的电压信号，包括I-V转换电路、反相电路(032)和放大电路，所述I-V转换电路为电阻反馈型I-V转换电路(031)，I-V转换电路(031)的输出与反馈电阻R4成正比；放大电路为运放型放大电路(033)，其增益Af大小与负反馈电阻R3和分压电阻R5的比值成正比，放大电路的负反馈电阻R3为可调电阻，用以调节放大电路(033)的增益。上述前置电路中，所述I-V转换电路(031)与反相电路(032)之间设置有电容C2和电阻R1形成的隔直流电路。上述前置电路中，所述放大电路(033)设置有偏移量调整电路，以调整输出信号的直流偏移量。本实用新型还提供一种具有上述前置电路的多通道原子荧光仪，该一种多通道原子荧光仪包括多路激发光源(02)和用于捕获、检测荧光信号的检测器，所述检测器包括光电倍增管(05)、主板(01)和信号处理电路(04)，主板(01)上集成有处理器(011)、数模转换模块(012)、模数转换模块(014)和接口模块(013)，所述检测器还包括上述前置电路(03)，前置电路(03)的输出信号经信号处理电路(04)的处理，经模数转换模块(014)转换为数字信号发送至处理器(011)。上述多通道原子荧光仪中，所述信号处理电路(04)包括滤波电路(041)和峰值取样电路(042)，滤波电路(041)为低通滤波器，用于对前置电路(03)输出的信号进行滤波和平滑；峰值取样电路(042)用于完成在预定取样时间内取样操作。上述多通道原子荧光仪中，前置电路(03)单独集成于一前置电路板上，并与光电倍增管(05)的输出连接，前置电路板与光电倍增管(05)密封封装在一起。上述多通道原子荧光仪还包括一显示触摸屏(00)，显示触摸屏(00)通过接口模块(013)接入处理器(011)。采用以上技术手段，本实用新型取得以下技术效果：本实用新型前置电路采用电阻反馈型I-V转换电路、反相电路和放大电路组合形成两级放大电路，将pA级的电流信号转换为mV级的电压信号，可实现在不增加检测器中PMT的负高压的情况下，大幅度提高检测器的检测灵敏度；本实用新型多通道原子荧光仪采用单个检测器时间片轮换工作模式实现多种元素的同时检测，既简化了仪器结构，又避免了多个检测通道之间的干扰，从而提高了检测数据的可靠性和准确性。附图说明图1是本实用新型多通道原子荧光仪的检测器的结构框图；图2是检测器中光电倍增管所形成的电脉冲信号图；图3是本实用新型前置电路的电路原理图；图4是现有的前置电路的电路原理图；图5是本实用新型双通道原子荧光仪的检测过程的流程图；图6是采用本实用新型原子荧光仪得到的荧光检测结构截图。图中附图标记表示为：00：显示触摸屏；01：主板，011：处理器(MCU)，012：数模转换模块(DAC)，013：接口模块，014：模数转换电路(ADC)；02：激发光源(灯管)；03：前置电路，031：I-V转换电路，032：反相电路，033：放大电路；U1：第一运算放大器，U2：第二运算放大器，U3：第三运算放大器；04：信号处理电路，041：滤波电路，042：峰值取样电路；05：光电倍增管(PMT)，9：PMT接地管脚；11：PMT负压管脚；10：PMT输出管脚；06：脉冲恒流源；Ip：PMT输出电流；Vp：I-V转换后的电压脉冲峰值；Af：第三运算放大器的增益；Vop：前置电路的输出脉冲电压峰值。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本实用新型前置电路及具有该前置电路的多通道原子荧光仪进行详细说明。如图1所示，本实用新型多通道原子荧光仪包括一检测器，检测器用于对捕获到的原子荧光信号进行分析处理计算得到被测元素的含量，包括光电倍增管(PMT)05、主板01、前置电路03和信号处理电路04，其中：主板01上集成有处理器(MCU)011、数模转换模块(DAC)012、模数转换模块(ADC)014和接口模块013，MCU为检测器的核心，是整个检测器的大脑，负责检测器各部分电路的管理与时序控制，MCU内置有计算模块，数模转换模块(DAC)012输出一定占空比、预设幅度的电脉冲经接口模块013中的模拟输出接口作为一高压的脉冲恒流源06的控制脉冲信号，脉冲恒流源06在控制脉冲信号的作用下输出30mA-150mA的电脉冲至激发光源(灯管)02，使激发光源02发射待检测元素的激发光。同时，MCU控制信号处理电路04处理PMT捕获到的该元素的荧光信号。光电倍增管(PMT)05捕获到的原子荧光信号形成如图2所示的电脉冲信号，该信号为10-9A(pA)范围的微弱电流信号，检测过程中，通常需要将该电流信号转换为电压信号，然后进行相应的方法、滤波等处理，目前常用的I-V转换电路如图4所示，该电路的缺陷是电阻R9等消耗了相当大一部分微弱电流，导致I-V转换灵敏度降低，使得检测器整体检出限增高。如图3所示，本实用新型前置电路03采用简洁的电阻反馈型I-V转换电路031将PMT输出的微弱电流脉冲信号转换为大幅度的电压脉冲信号，并通过反相电路032将正向脉冲转换为负极性脉冲，再经一级放大电路033将正向脉冲进一步放大，前置电路03采用两级放大电路，增加了检测器的灵敏度。图3所示的实施例中，I-V转换电路031中的第二运算放大器U2选用具有低输入偏置电流的运算放大器CA3140，选用5.1M的反馈电阻R4，转换后的电压脉冲的峰值为：Vp＝Ip×R4(1)反相电路032中的第一运算放大器U1选用MOS型运算放大器TL081，放大电路033中的第三运算放大器U3选用具有超低噪声的通用运算放大器0P07；I-V转换电路031的输出经电容C2和电阻R1所形成的隔直流电流(防止前后电路之间的干扰)进入反向电路032，反相电路032输出的负极性脉冲经过放大电路033后，该级放大电路的增益为：Af＝-R3/R5＝-(10～100)(2)其中，放大电路033中的电阻R3和电阻R11设置为可调电阻，分别用于调节检测器的灵敏度以及前置电路03的输出信号的偏移量。因此，图3所示的实施例中，前置电路的灵敏度可达：Vop/Ip＝1250mV/10nA。前置电路03输出的电压脉冲信号经信号处理电路04处理之后，得到稳定而准确的数字信号后发送至处理器(MCU)011中进行计算和进一步处理。如图1所示，信号处理电路04包括滤波电路041和峰值取样电路042。滤波电路041用于对前置电路03输出的信号进行滤波和平滑，一般为低通滤波器，也可以是其它滤波器；峰值取样电路042完成在预定取样时间内取样操作。信号处理电路04将获取信号经模数转换模块(ADC)014转化为数字信号发送至MCU，通过内置的计算模块011的计算得到待测元素的荧光强度检测值，该检测值一般通过在预设的取样时间内将所有峰值取和作为待测元素的荧光强度，该强度值与待测元素的含量成正比，因此，通过对比待测元素的标准试样测得的荧光强度可得到待测元素的含量值。上述处理器(MCU)011及其外围电路、信号处理电路04以及用于用电部件供电的AC-DC电源均可集成于一块主板01上，前置电路03单独集成于一前置电路板上，与PMT连接并密封，防止外界光线影响；PMT的阴极电压(-HV)由主板的电源接口接入PMT负压管脚11来提供，PMT接地管脚连接最后一级倍增级的分压电阻R12后接地，PMT输出管脚10接入第二运算放大器U2的反相输入端。前置电路03所需的+9V、-9V、GND均由主板的电源接口提供。本实用新型多通道原子荧光仪还包括显示触摸屏00，显示触摸屏00通过接口模块013电连接至处理器(MCU)011，用于原子荧光仪的运行信息显示、参数设置及操作控制。以下以双通道原子荧光仪为例描述本实用新型多通道原子荧光仪的两种元素同时检测的过程。本实用新型双通道原子荧光仪采用两路激发光源02分别作为A元素和B元素的激发光源，两路激发光源分别定义为A路激发光源和B路激发光源，可以实现在一定的时间段内同时检测两种元素的含量。不同与现有技术，本实用新型双通道原子荧光仪的两路激发光源共用一个检测器，MCU控制A路激发光源和B路激发光源采用时间片轮换的方式工作，参照图5，即时间片1启动计时，启动A路激发光源发射A元素的激发光谱，同时检测器开始检测A元素荧光信号，直到时间片1计时结束，关闭A路激发光源，检测器停止检测；时间片2启动计时，启动B路激发光源发射B元素的激发光谱，同时检测器开始检测B元素荧光信号，直到时间片2计时结束，关闭B路激发光源，检测停止检测；依次重复上述过程，直到这个检测过程结束。上述检测过程时间片长度及时间片之间的间隔时间由MCU设定，主要取决于MCU发送至激发光源02的脉冲驱动信号特征。例如，本实施例中，采用周期T为4000uS、脉宽tw为200uS、占空比DR为20:1的脉冲驱动信号，则每路激发光源工作的时间片为200uS，每秒轮换工作250次，间隔时间为1800uS。取样时间根据待测元素的性质、实验条件以及多次测量的经验值设定。计算A元素和B元素的荧光强度，将取样时间内所获取的所有峰值相加取和得到的值作为对应元素的荧光强度，经过检测、计算得到元素荧光强度值与元素含量成正比，通过比对对应元素的标准样品检测的荧光强度值，得到待测样品中该元素的含量。多通道原子荧光仪设置三个以上通道时，增加相应的激发光源02，同样共用一个检测器，其荧光检测过程如图5所示。本实用新型多通道原子荧光仪基于一个检测器采用时间片轮换工作模式检测多个元素，为验证前置电路03的性能，以下采用专用脉冲电流信号源，产生7组不同的Ip幅度的电流信号，模拟PMT产生的实际信号，经过本前置电路03及信号处理电路04所得到的测试结果(参见表1)，其中，信号源采用周期为4000uS、脉宽为200uS、占空比为20:1的脉冲驱动信号，取样时间设定为12S。表1测试结果第1组第2组第3组第4组第5组第6组第7组Ip(pA)5010050010050001000020000测量值16832916063211160633207764107以上测试结果可知，模拟的PMT检测信号值与实际检测值存在正相关关系，相关系数接近接近1.000。如图6所示，采用本实用新型原子荧光仪对汞元素进行实际荧光检测，得到的样品浓度与荧光强度的拟合曲线，相关系数达到0.9998。可见，本实用新型多通道原子荧光仪的前置电路03适用于微弱信号的检测，本实用新型多通道原子荧光仪检测灵敏度高，检出限低。本实用新型前置电路采用电阻反馈型I-V转换电路031、反相电路032和放大电路033组合形成两级放大电路，将pA级的电流信号转换为mV级的电压信号，可实现在不增加检测器中PMT的负高压的情况下，大幅度提高检测器的检测灵敏度；本实用新型多通道原子荧光仪采用单个检测器时间片轮换工作模式实现多种元素的同时检测，既简化了仪器结构，又避免了多个检测通道之间的干扰，从而提高了检测数据的可靠性和准确性。本领域技术人员应当理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不限制本实用新型的范围，对本实用新型所做的各种等价变型和修改均落入本实用新型所附权利要求所限定的范围内。当前第1页1 2 3