一种基于电阻式传感器的离子在线监测装置及监测方法与流程

1.本发明涉及离子监测技术领域，具体涉及一种基于电阻式传感器的离子在线监测装置及监测方法。


背景技术：

2.静电危害是由静电电荷或静电场能量引起的。在生产工艺过程中以及操作人员的操作过程中，某些材料的相对运动、接触与分离等原因导致了相对静止的正电荷和负电荷的积累即产生了静电。其电压可能高达数十千伏以上容易发生放电，产生放电火花，导致产品质量不良，电子设备损坏。
3.目前除静电设备主要有离子风扇、离子风棒等高压电离除静电设备，在实际应用中，除静电设备往往由于各种应用环境因素或者电路失控造成离子失控的风险，造成静电防控失效和静电产生的源头，给电子产品、半导体器件造成一定的静电损坏或者静电潜伏，最终导致产品损坏。
4.目前行业防静电领域的除静电设备，只具备了产生正负离子除静电能力，不具备离子平衡电压失效自我判断能力和离子浓度在线监控能力，往往会造成静电失效风险；在实验室环境应用中，没有在线静电离子电荷监测设备，因此由于物体运动或者在操作过程中产生的静电无法进行检测。


技术实现要素：

5.鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种基于电阻式传感器的离子在线监测装置及监测方法。
6.在本发明一实施例中提供了一种基于电阻式传感器的离子在线监测装置，用于除静电设备的离子浓度监测，包括依次连接的离子检测基板、信号放大模块和传输装置；
7.所述离子检测基板包括绝缘基板和电荷离子接触基板，所述电荷离子接触基板嵌于所述绝缘基板的中部，并与所述绝缘基板齐平；
8.所述信号放大模块包括依次连接的电荷输入单元、运算放大单元、数字转换单元和mcu控制单元；
9.所述在线监测装置工作时，所述离子检测基板采集除静电设备的静电离子浓度，并将采集信号以电压信号的形式输送给所述运算放大单元进行电压放大，放大后的所述电压信号经所述数字转换单元变换后输送给所述mcu控制单元进行数据处理，所述mcu控制单元将处理后的所述电压信号输送给所述传输装置进行大数据存储分析，获得分析结果。
10.进一步地，所述运算放大单元包括运算放大器芯片u2，所述电荷输入单元包括input端子，所述input端子的输入端与所述离子检测基板的输出端连接，所述input端子的输出端分成三路输出，第一路从所述input端子到电阻r1到开关s1到hv+端，第二路从所述input端子到电阻r2到开关s2到hv
‑
端，第三路从所述input端子到电阻r3到所述运算放大器芯片u2的in+引脚。
11.进一步地，所述电荷输入单元还包括电阻r4和电容c5，所述电容c5的一端接于所述电阻r3和所述运算放大器芯片u2的in+引脚之间，所述电容c5的另一端接地，所述电阻r4的一端接于所述电阻r3和所述电容c5之间，所述电阻r4的另一端接地。
12.进一步地，所述数字转换单元包括rc滤波器和ad转换芯片u3；
13.所述rc滤波器包括电阻r5、电容c6和电容c8，所述运算放大器芯片u2的out引脚到所述电阻r5到所述ad转换芯片u3的in引脚；所述电容c6的一端接所述电阻r5的输入端，所述电容c6的另一端接地；所述电容c8的一端接所述电阻r5的输出端，所述电容c8的另一端接地。
14.进一步地，所述信号放大模块还包括β值设置电路、零点失调补偿电路和谐波滤除电路；
15.所述β值设置电路包括电阻rf1和电阻rf2，所述运算放大器芯片u2的out引脚到所述电阻rf2到所述电阻rf1到地，所述运算放大器芯片u2的in
‑
引脚和case引脚分别接于所述电阻rf1和所述电阻rf2之间；
16.所述零点失调补偿电路包括可调电阻vr1，所述可调电阻vr1的两端分别接所述运算放大器芯片u2的offset1引脚和offset2引脚，所述可调电阻vr1的动触点接所述运算放大器芯片u2的
‑
vcc引脚；
17.所述谐波滤除电路包括电感l2、电感l3、电容c7、电容c9、电容c10和电容c11，所述运算放大器芯片u2的+vcc引脚到所述电感l2到所述ad转换芯片u3的+vdd引脚；所述运算放大器芯片u2的
‑
vcc引脚到所述电感l3到所述ad转换芯片u3的re引脚和
‑
vss引脚；所述电容c7的一端接所述电感l3的输入端，所述电容c7的另一端接地，所述电容c9的一端接所述电感l3的输出端，所述电容c9的另一端接地；所述电容c10接所述电感l3的输入端，所述电容c10的另一端接地，所述电容c11接所述电感l3的输出端，所述电容c10的另一端接地。
18.进一步地，所述传输装置包括系统监控平台服务器、数据收发中转电台、展示终端、数据库存储器、至少一个数据收发器和一个采集节点；
19.所述采集节点的输入端与所述mcu控制单元的输出端连接；
20.所述数据收发中转电台分别双工通信连接到所述数据收发器和所述系统监控平台服务器，所述系统监控平台服务器分别双工通信连接到所述展示终端和所述数据库存储器，所述数据收发器双工通信连接到所述采集节点，其中，所述数据收发器和所述采集节点一一对应。
21.进一步地，所述离子检测基板还包括预警指示灯和设于所述离子检测基板一端的两个固定支撑点；所述预警指示灯设于所述离子检测基板的上表面，并与所述传输导线连接；所述固定支撑点用于将所述离子检测基板固定于所述除静电设备上。
22.进一步地，还包括显示处理器，所述显示处理器的输入端与所述mcu控制单元的输出端连接。
23.在本发明一实施例中还提供了一种如上述所述的基于电阻式传感器的离子在线监测装置的监测方法，所述方法用于监测除静电设备的离子浓度，包括：
24.离子检测基板采集静电离子浓度，并将所述静电离子浓度的电荷累积到电荷离子接触基板形成电荷电压；
25.信号放大模块接收所述电荷电压并进行电压放大；
26.数字转换单元接收放大后的所述电荷电压并进行转换得到待处理的电压信号；
27.mcu控制单元接收所述待处理的电压信号并进行数据处理；
28.传输装置对处理后的所述电压信号进行采集和分析，获得分析结果。
29.进一步地，所述传输装置包括系统监控平台服务器、数据收发中转电台、展示终端、数据库存储器、至少一个数据收发器和一个采集节点；
30.所述传输装置对处理后的所述电压信号进行采集和分析的步骤，包括：
31.所述系统监控平台服务器依据预设的时间间隔和目标数据收发器的ip地址通过所述数据收发中转电台转发检测数据索取指令到所述数据收发器；
32.当所述数据收发器接收到所述检测数据索取指令后，将所述检测数据索取指令发送给所述采集节点；
33.所述采集节点依据所述检测数据索取指令进行数据采集，并返回采集到的所述数据到所述系统监控平台服务器；
34.所述系统监控平台服务器将所述数据发送给所述数据库存储器进行存储分析；或，所述系统监控平台服务器将所述数据发送给所述数据库存储器进行存储分析，并将分析结果发送到所述展示终端进行展示。
35.本技术具有以下优点：
36.在本技术的实施例中，通过依次连接的离子检测基板、信号放大模块和传输装置；所述离子检测基板包括绝缘基板和电荷离子接触基板，所述电荷离子接触基板嵌于所述绝缘基板的中部，并与所述绝缘基板齐平；所述信号放大模块包括依次连接的电荷输入单元、运算放大单元、数字转换单元和mcu控制单元；所述在线监测装置工作时，所述离子检测基板采集除静电设备的静电离子浓度，并将采集信号以电压信号的形式输送给所述运算放大单元进行电压放大，放大后的所述电压信号经所述数字转换单元变换后输送给所述mcu控制单元进行数据处理，所述mcu控制单元将处理后的所述电压信号输送给所述传输装置进行大数据存储分析，获得分析结果。本发明通过累积静电离子电荷形成微弱的电荷电压，传输给信号放大模块进行电压放大，然后经转换和处理后发送给传输装置进行大数据分析，从而得到静电离子的离子浓度、电压值等分析数据，依据数据分析结果实时监控空间离子浓度、平衡电压值，从而使除静电设备的静电离子浓度稳定在正常浓度范围内，能在一定程度上降低静电防护失效的风险，进一步提升产品品质。
附图说明
37.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对本技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
38.图1是本发明一实施例提供的信号放大模块的电路原理图；
39.图2是本发明一实施例提供的离子检测基板的结构示意图；
40.图3是本发明一实施例提供的传输装置的工作示意图。
41.1、离子检测基板；11、绝缘基板；12、电荷离子接触基板；13、预警指示灯；14、固定支撑点；2、信号放大模块；21、电荷输入单元；22、运算放大单元；23、数字转换单元；24、mcu
控制单元；25、β值设置电路；26、零点失调补偿电路；27、谐波滤除电路；3、监控平台服务器；4、数据收发中转电台；5、数据收发器；6、采集节点；7、展示终端；8、数据库存储器。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.需要说明的是，由于离子电荷电流很微弱，普通放大装置由于输入阻抗小，不能适用于放大要求，根据静电材料等级要求输入阻抗(r＝v/i)≥1012ω，输入偏置电流i≤1na，根据上述要求选用ti公司生产的超低偏置电流运算放大器；该运算放大器输入级采用pn结隔离工艺，输入偏置电流≤75fa(1na＝1000fa)，使这种高阻抗特性已达到且超过了过去专门设计的由混合集成电路组成的放大器，由于此电路成本低，可适合大范围监测点安装使用。
44.参照图1
‑
3，分别示出了本发明一实施例提供的信号放大模块的电路原理图、本发明一实施例提供的离子检测基板的结构示意图和本发明一实施例提供的传输装置的工作示意图。具体地，所述装置用于除静电设备的离子浓度监测，包括依次连接的离子检测基板1、信号放大模块2和传输装置；
45.所述离子检测基板1包括绝缘基板11、电荷离子接触基板12和传输导线，所述电荷离子接触基板12嵌于所述绝缘基板11的中部，并与所述绝缘基板11齐平；所述传输导线设于所述绝缘基板11的端部，并与所述信号放大模块2连接；
46.所述信号放大模块2包括依次连接的电荷输入单元21、运算放大单元22、数字转换单元23和mcu控制单元24；
47.所述在线监测装置工作时，所述离子检测基板1采集除静电设备的静电离子浓度，并累积成微弱的电荷电压，输送给所述运算放大单元22进行电压放大，放大后的所述电荷电压经所述数字转换单元23变换后输送给所述mcu控制单元24进行数据处理，所述mcu控制单元24将处理后的所述电荷电压输送给所述传输装置进行大数据存储分析，获得分析结果。
48.在本技术的实施例中，通过依次连接的离子检测基板1、信号放大模块2和传输装置；所述离子检测基板1包括绝缘基板11、电荷离子接触基板12和传输导线，所述电荷离子接触基板12嵌于所述绝缘基板11的中部，并与所述绝缘基板11齐平；所述传输导线设于所述绝缘基板11的端部，并与所述信号放大模块2连接；所述信号放大模块2包括依次连接的电荷输入单元21、运算放大单元22、数字转换单元23和mcu控制单元24；所述在线监测装置工作时，所述离子检测基板1采集除静电设备的静电离子浓度，并累积成微弱的电荷电压，输送给所述运算放大单元22进行电压放大，放大后的所述电荷电压经所述数字转换单元23变换后输送给所述mcu控制单元24进行数据处理，所述mcu控制单元24将处理后的所述电荷电压输送给所述传输装置进行大数据存储分析，获得分析结果。本发明通过累积静电离子电荷形成微弱的电荷电压，传输给信号放大模块2进行电压放大，然后经转换和处理后发送给传输装置进行大数据分析，从而得到静电离子的离子浓度、电压值等分析数据，依据数据
分析结果实时监控空间离子浓度、平衡电压值，从而使除静电设备的静电离子浓度稳定在正常浓度范围内，能在一定程度上降低了静电防护失效的风险，进一步提升产品品质。
49.下面，将对本示例性实施例中一种基于电阻式传感器的离子在线监测装置作进一步地说明。
50.在本发明一实施例中，所述运算放大单元22包括运算放大器芯片u2，所述电荷输入单元21包括input端子，所述input端子的输入端与所述离子检测基板1的输出端连接，所述input端子的输出端分成三路输出，第一路从所述input端子到电阻r1到开关s1到hv+端，第二路从所述input端子到电阻r2到开关s2到hv
‑
端，第三路从所述input端子到电阻r3到所述运算放大器芯片u2的in+引脚。
51.在一具体实现中，所述电荷离子接触基板12上累积的电荷电压经所述传输导线到所述input端子经第三路输出到所述运算放大器芯片u2，即从所述input端子到电阻r3到所述运算放大器芯片u2的in+引脚，所述运算放大器芯片u2对其进行电压放大。
52.在一具体实现中，电阻r1、电阻r2、开关s1和开关s2构成功能监测电路，正常工作状态时，开关s1和开关s2处于开路状态，在电路自检过程中，mcu控制单元24分别发送闭合信号给开关s1和开关s2,闭合开关s1，在hv+端子和hv
‑
端子分别施加正负100v电压，电荷输入单元21得到正电压值信号，所述正电压值信号经运算放大器芯片u2传输给mcu控制单元24，闭合s2输入电路得到负电压值信号，所述负电压值信号经运算放大器芯片u2传输给mcu控制单元24，muc控制器根据反馈的正负电压值信号判断运算放大器芯片u2是否正常，若muc控制器分别接收到反馈的正负电压值信号，则判定运算放大器芯片u2正常，反之，则不正常；通过监测运算放大器芯片u2能够预防运算放大器芯片u2工作过程中的监测失效，其中，电阻r1、电阻r2阻值均为gω电阻，根据公式i＝v/r＝hv/r计算，输入电流控制在≤1na以下。
53.在一具体实现中，电阻r1、电阻r2、开关s1和开关s2还构成离子化设备除静电能力判断电路，在hv+端子和hv
‑
端子分别施加正负100v电压，由于除静电设备离子浓度比较大，输出正负离子累积电荷电流远大于电阻r1和电阻r2的施加电流；分别给hv+端子施加正电压时使hv
‑
端子断开、给hv
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端子施加负电压时使hv+端子断开，根据正负离子电流中和效应，若当前电阻r1和电阻r2的反馈电压<除静电设备偏执电压时，除静电设备的偏执电压信号能通过运算放大器芯片u2输送给mcu控制单元24，说明除静电设备除静电能力正常，若当前电阻r1和电阻r2的反馈电压>除静电设备偏执电压时，除静电设备的偏执电压则不能运算放大器芯片u2输送给mcu控制单元24，说明除静电设备除静电能力失效。
54.在本发明一实施例中，所述电荷输入单元21还包括电阻r4和电容c5，所述电容c5的一端接于所述电阻r3和所述运算放大器芯片u2的引脚3之间，所述电容c5的另一端接地，所述电阻r4的一端接于所述电阻r3和所述电容c5之间，所述电阻r4的另一端接地。
55.需要说明的是，电阻r4为分压电阻，电容c5为谐波滤除；由于输入电流微小，电阻r3和电阻r4均采用gω电阻，预防分压衰减过大。
56.在本发明一实施例中，所述数字转换单元23包括rc滤波器和ad转换芯片u3；所述rc滤波器包括电阻r5、电容c6和电容c8，所述运算放大器芯片u2的out引脚到所述电阻r5到所述ad转换芯片u3的in引脚；所述电容c6的一端接所述电阻r5的输入端，所述电容c6的另一端接地；所述电容c8的一端接所述电阻r5的输出端，所述电容c8的另一端接地。
57.在一具体实现中，离子检测基板1将采集到的静电离子累积成微弱的电荷电压，通过传输导线将电荷电压从电荷输入单元21的input端子输入，经电阻r3从运算放大器芯片u2的in+引脚输入进行电压放大，放大后的电荷电压从运算放大器芯片u2的out引脚经电阻r5从ad转换芯片u3的in引脚输入进行数字转换，转换后输出给mcu控制单元24进行存储和处理；其中，电阻r5、电容c6和电容c8构成rc滤波器，滤除谐波干扰信号。
58.在本发明一实施例中，所述信号放大模块2还包括β值设置电路25、零点失调补偿电路26和谐波滤除电路27；所述β值设置电路25包括电阻rf1和电阻rf2，所述运算放大器芯片u2的out引脚到所述电阻rf2到所述电阻rf1到地，所述运算放大器芯片u2的in
‑
引脚和case引脚分别接于所述电阻rf1和所述电阻rf2之间；其中，β＝1+rf2/rf1，β值为运算放大器芯片u2设定的放大倍数。
59.在本发明一实施例中，所述零点失调补偿电路26包括可调电阻vr1，所述可调电阻vr1的两端分别接所述运算放大器芯片u2的offset1引脚和offset2引脚，所述可调电阻vr1的动触点接所述运算放大器芯片u2的
‑
vcc引脚；调整电阻vr1可以调整由于运算放大器芯片u2固有的失调电压引起的零点偏移，提供放大器零点精度。
60.在本发明一实施例中，所述谐波滤除电路27包括电感l2、电感l3、电容c7、电容c9、电容c10和电容c11，所述运算放大器芯片u2的+vcc引脚到所述电感l2到所述ad转换芯片u3的+vdd引脚；所述运算放大器芯片u2的
‑
vcc引脚到所述电感l3到所述ad转换芯片u3的re引脚和
‑
vss引脚；所述电容c7的一端接所述电感l3的输入端，所述电容c7的另一端接地，所述电容c9的一端接所述电感l3的输出端，所述电容c9的另一端接地；所述电容c10接所述电感l3的输入端，所述电容c10的另一端接地，所述电容c11接所述电感l3的输出端，所述电容c10的另一端接地；电感l2、电感l3、电容c7、电容c9、电容c10和电容c11组成+5v、
‑
5v谐波过滤电路，能为运算放大器提供稳定电压。
61.在本发明一实施例中，所述传输装置包括系统监控平台服务器3、数据收发中转电台4、展示终端7、数据库存储器8、至少一个数据收发器5和一个采集节点6；所述采集节点6的输入端与所述mcu控制单元24的输出端连接；所述数据收发中转电台4分别双工通信连接到所述数据收发器5和所述系统监控平台服务器3，所述系统监控平台服务器3分别双工通信连接到所述展示终端7和所述数据库存储器8，所述数据收发器5双工通信连接到所述采集节点6，其中，所述数据收发器5和所述采集节点6一一对应。
62.在一具体实现中，系统监控平台服务器3按照一定的时间间隔、不同数据收发器5的ip地址经数据收发中转电台4循环发送检测数据索取指令，数据收发器5收到检测数据索取指令后，传输给采集节点6，采集节点6从mcu控制单元24进行数据采集，然后将数据原路反馈给系统监控平台服务器3，系统监控平台服务器3将接收到的反馈数据送给数据库存储器8进行存储和数据分析统计，当采集节点6没有收到检测数据索取指令时，各采集节点6均处于静默状态，不进行数据采集；通过设置多个收据收发器和采集节点6，分别一一对应设置成多组，可将采集节点6无限放大，且各频段之间相互干扰小，也不易受其它设备干扰，具有传输数据稳定、节点大、速度快干扰小等优越特点，突破传统传输方式容易受节点限制且相互干扰的缺点。
63.在本发明一实施例中，所述离子检测基板1还包括预警指示灯13和设于所述离子检测基板1一端的两个固定支撑点14；所述预警指示灯13设于所述离子检测基板1的上表
面，并与所述传输导线信号连接，当积累的正负离子严重时，控制系统会通过预警装置，输出预警信号进行灯光预警；所述固定支撑点14用于将所述离子检测基板1固定于所述除静电设备上。
64.在本发明一实施例中，所述装置还包括显示处理器，所述显示处理器的输入端与所述mcu控制单元24的输出端连接，mcu控制单元24对放大后的电荷电压进行处理后把数据送给显示处理器进行显示，便于监测电压数据状态。
65.在本发明一实施例中，还提供一种如上述所述的基于电阻式传感器的离子在线监测装置的监测方法，所述方法用于监测除静电设备的离子浓度，包括：
66.离子检测基板1采集静电离子电荷，并将所述静电离子电荷累积到电荷离子接触基板12形成微弱的电荷电压；
67.信号放大模块2接收所述微弱的电荷电压并进行电压放大；
68.数字转换单元23接收放大后的所述电荷电压并进行转换得到待处理的电压信号；
69.mcu控制单元24接收所述待处理的电压信号并进行数据处理；
70.传输装置对处理后的所述电压信号进行采集和分析，获得分析结果。
71.在本技术的实施例中，通过累积静电离子电荷形成微弱的电荷电压，传输给信号放大模块2进行电压放大，然后经转换和处理后发送给传输装置进行大数据分析，从而得到静电离子的离子浓度、电压值等分析数据，依据数据分析结果实时监控空间离子浓度、平衡电压值，从而使除静电设备的静电离子浓度稳定在正常浓度范围内，能在一定程度上降低了静电防护失效的风险，进一步提升产品品质。
72.在本发明一实施例中，所述传输装置包括系统监控平台服务器3、数据收发中转电台4、展示终端7、数据库存储器8、至少一个数据收发器5和一个采集节点6，所述传输装置对处理后的所述电压信号进行采集和分析的步骤，包括：
73.系统监控平台服务器3依据预设的时间间隔和目标数据收发器5的ip地址通过数据收发中转电台4转发检测数据索取指令到数据收发器5；
74.当数据收发器5接收到所述检测数据索取指令后，将所述检测数据索取指令发送给采集节点6；
75.采集节点6依据所述检测数据索取指令进行数据采集，并返回采集到的所述数据到系统监控平台服务器3；
76.系统监控平台服务器3将所述数据发送给数据库存储器8进行存储分析；或，系统监控平台服务器3将所述数据发送给数据库存储器8进行存储分析，并将分析结果发送到展示终端7进行展示。
77.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
78.尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
79.最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意
在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
80.以上对本技术所提供的一种基于电阻式传感器的离子在线监测装置及监测方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。