一种高灵敏度数字纳伏表及其实现方法

摘要

本发明涉及一种高灵敏度数字纳伏表及其实现方法，在测量回路上设置一将电流转换成偏转激光的变换检流计和一用于分压的反馈电阻网络，CCD电路接收变换检流计的光点图像，之后将光点图像输入CPU电路中进行处理，CPU电路通过滤波和计算得到光点的位置；CPU电路同时控制D/A转换器其输出一直流电压，当该直流电压经过反馈电阻网络分压后的电压与被测电压相抵消时，测量回路中的电流为0，CCD电路输出的光点图像中的光点位置处于原点，CPU电路将此时D/A转换器输出的直流电压作为检测到的待测电压进行输出；由于测量回路、反馈电路和检测电路分别为完全独立的电系统，各部分之间只存在光信号联系，因此具有很强的抗共模干扰能力，可作为高灵敏度指零仪器应用于电位差计和电桥等高精度测量设备。

说明书

技术领域

本发明涉及一种低压检流装置，特别是涉及一种可用于直流低电压测量和电压指零的高灵敏度数字纳伏表及其实现方法。

背景技术

微弱电流的监测与检测技术广泛应用于微弱信号精密测量、生物电流检测、半导体和化学分析领域中。目前，用于高精度直流低电压测量和电压指零的仪器主要有磁电系检流计、光电放大检流计和数字纳伏表等。其中，磁电系检流计和光电放大检流计均采用光点显示，由于受到大地震动、检流计动框附近空气分子的布朗运动以及动框回路的热噪声电压等因素影响，磁电系检流计和光电放大检流计均存在读数困难、灵敏度受到限制和测量误差大等问题。但由于检流计内部具有将流过悬丝的电流大小转换为扭矩大小的结构，因此具有较强抗共模干扰能力的优点。

数字纳伏表通常是由电子式放大器和模数转换器组成，具有分辨力高的优点，可以达到1nV的分辨力。但数字纳伏表的电子式放大器采用调制解调技术和有源放大技术，因此存在噪声较大、源阻抗适应范围较小等缺陷，且抗共模干扰能力低于光电检流计。数字纳伏表在电位差计和电桥等高精度测量设备中由于其自身缺陷达不到高精度测量要求，因此，不能代替光电放大检流计使用。

发明内容

本发明针对现有技术中数字纳伏表存在的缺点和不足，提供一种高灵敏度数字纳伏表，其具有很强的抗共模干扰能力和抗震能力，可应用于电位差计和电桥等高精度测量设备。本发明还涉及一种高灵敏度数字纳伏表的实现方法。

本发明的技术方案如下：

一种高灵敏度数字纳伏表，包括由变换检流计和反馈电阻网络串联组成的测量回路，所述反馈电阻网络由反馈电阻和分压电阻并联组成，其中在所述反馈电阻的支路上串接一D/A转换器；还包括一CCD电路，所述CCD电路与CPU电路相连，所述CCD电路采集变换检流计的光点图像，并将所述光点图像输入CPU电路中，所述CPU电路控制所述D/A转换器向反馈电阻网络输出直流电压。

所述CPU电路和D/A转换器之间设置一光电隔离。

一种采用如权利要求1所述的高灵敏度数字纳伏表实现低压检流的方法，其步骤包括：1)当被测电压和D/A转换器输出的直流电压均为0时，CPU电路提取CCD电路输出光点图像中光点中心位置，作为原点进行保存；2)开始测量时，将所述被测电压加在测量回路两端，所述CPU电路提取CCD电路输出光点图像中光点中心位置，与所述原点进行比较；3)逐位增加所述D/A转换器输出的直流电压，直至所述光点中心位置与所述原点重合，记录此时所述D/A转换器输出的直流电压U_DA⁰；4)CPU电路根据方程(1)计算得到被测电压U_x：

$U_x=\frac{R_g}{R_g+R_f}{U_{\mathrm{DA}}}^0---\left(1\right)$

式中，R_f-反馈电阻21的阻值；R_g-分压电阻22的阻值。

所述数字纳伏表的最高分辨力U_Δ：

$U_{\Delta }=\frac{d\times C_1\times R_i\times {10}^{-3}}{2l}---\left(2\right)$

式中：d-CCD电路的光电成像图单元间距，单位为μm；C₁-变换检流计电流常数，单位为A/mm/m；R_i-变换检流计中线圈的电阻值，单位为Ω；l-变换检流计的反光镜到CCD电路的光程，单位为m。

所述CPU电路中使用直线拟合方法对所述光点图像进行滤波。

本发明的技术效果如下：

本发明的高灵敏度数字纳伏表在测量回路上设置一将电流转换成偏转激光的变换检流计和一用于分压的反馈电阻网络，CCD(Charge Coupled Device，电荷藕合器件图像传感器)电路接收变换检流计的光点图像，之后将光点图像输入CPU电路中进行处理，CPU电路通过滤波和计算得到光点的位置；CPU电路同时控制D/A转换器其输出一直流电压，当该直流电压经过反馈电阻网络分压后的电压与被测电压相抵消时，测量回路中的电流为0，CCD电路输出的光点图像中的光点位置处于原点，CPU电路将此时D/A转换器输出的直流电压作为检测到的待测电压进行输出；由于测量回路、反馈电路和检测电路分别为完全独立的电系统，各部分之间只存在光信号联系，因此具有很强的抗共模干扰能力，可作为高灵敏度指零仪器应用于电位差计和电桥等高精度测量设备。

由于转换检流计线圈内部电阻的热噪声电压小于0.5nV，且本底噪声低，且CCD电路测得的光点图像经过CPU电路数字滤波得到较为稳定的测量结果，因此本发明可以克服大地振动、空气分子的布朗运动等因素的影响，具有读数稳定的特点。

由于高灵敏度数字纳伏表的测量精确度由反馈电阻网络中电阻比值的准确度和D/A转换器的准确度决定，而高准确度的电阻和D/A转换器在现有技术中很容易做到，因此本发明可实现直流低电压的高测量精度。同时本发明的分辨力可通过减小CCD电路的间距、加大光程和提高转换检流计的灵敏度来提高，利用普通磁电系交流计即可达到1nV的分辨力。

由于本发明使用CPU电路控制D/A转换器的输出，从而直接得到测量结果，而无需再增加A/D转换器，因此模拟电路简洁，几乎不需要进行电路软硬件调试，便于进行批量生产。

附图说明

图1是本发明装置的结构示意图

图2是本发明CPU电路中图像处理流程图

图中各标号列示如下：

1-变换检流计；11-发光元件；12反光镜；13-线圈；2-反馈电阻网络；21-反馈电阻；22-分压电阻；3-CCD电路；4-CPU电路；5-光电隔离；6-D/A转换器；7-数字显示器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行说明。

如图1所示，本发明的高灵敏度数字纳伏表包括由变换检流计1、反馈电阻网络2、CCD电路3、CPU电路4、光电隔离5、D/A转换器6和数字显示器7。其中，变换检流计1和反馈电阻网络2串联组成测量回路，测量回路两端接被测电压U_x，测量回路中的电流为I_x。变换检流计1主要包括发光元件11、反光镜12和线圈13，电流I_x驱动反光镜12偏转一定角度，发光元件11发出的光束经过反光镜12的反射后，在CCD电路3上成像。CPU电路4读取CCD电路3输出的光点图像数据，通过滤波处理方法确定光点图像中的光点成像位置；CPU电路4同时还对D/A转换器6发出指令，控制其输出一逐位递增的直流电压U_DA，CPU电路4和D/A转换器6之间设置光电隔离5。反馈电阻网络2由反馈电阻21和分压电阻22并联组成，其中在反馈电阻21的支路上串接D/A转换器6。D/A转换器6输出的直流电压U_DA经过分压电阻22的分压后，在反馈电阻21上形成一反馈压降U_f，当被测电压U_x和反馈电阻21上的反馈压降U_f的压差Δ不为0时，在测量回路中形成电流I_x。

本发明的实现方法为：

(1)CPU电路4首先进行初始化，当被测电压U_x和D/A转换器6的直流电压U_DA均为0时，CPU电路4读取CCD电路3输出的光点图像数据。CPU电路4将读取的光点图像数据进行数字滤波后，提取消除振动和噪声影响的反射光点中心位置，将该反射光点中心位置作为原点进行保存。该原点即变换检流计1中反光镜12没有发生转动时，CCD电路3输出光点图像中光点的位置。

(2)开始测量时，将被测电压U_x加在测量回路两端，D/A转换器6输出的直流电压U_DA设置为0，CPU电路4读取CCD电路3输出的光点图像数据，经过数字滤波后，提取消除振动和噪声影响后的反射光点中心位置，将该反射光点中心位置与预存的原点进行比较。

(3)逐位增加D/A转换器6输出的直流电压U_DA，使反馈电阻21上的反馈压降U_f趋于被测电压U_x，测量回路中电流I_x逐渐减小，变换检流计1的反光镜12的偏转角度趋于0。在CPU电路4采集到的CCD电路3输出光点图像中，反射光点中心逐渐回到原点。开始时D/A转换器6输出的直流电压U_DA的步进可以比较大，以使反馈压降U_f能够快速趋近被测电压U_x；当反馈压降U_f接近被测电压U_x时，缩小直流电压U_DA的步进，以提高检测精度。

(4)当反馈压降U_f最终等于被测电压U_x时，测量回路中电流I_x为0，变换检流计1的反光镜12的偏转角度为0，反射光点中心逐渐回到原点，最终与原点重合，系统达到平衡，则系统达到平衡时D/A转换器6输出的平衡电压为U_DA⁰。

(5)CPU电路4根据平衡电压U_DA⁰，通过方程(1)即可得到被测电压U_x。CPU电路4通过数字显示器7将被测电压U_x输出显示。

$U_x=\frac{R_g}{R_g+R_f}{U_{\mathrm{DA}}}^0---\left(1\right)$

式中，

R_f-反馈电阻21的阻值；

R_g-分压电阻22的阻值。

本发明数字纳伏表的最高分辨力为光点在CCD电路3的光电成像图上变化1个单元间距所对应的输入电压，根据变换检流计和CCD电路测量结构原理，可推导最高分辨力U_Δ为：

$U_{\Delta }=\frac{d\times C_1\times R_i\times {10}^{-3}}{2l}---\left(2\right)$

式中：

d-CCD电路3的光电成像图单元间距，单位为μm；

C₁-变换检流计1电流常数，单位为A/mm/m；

R_i-变换检流计1中线圈13的电阻值，单位为Ω；

l-变换检流计1的反光镜12到CCD电路3的光程，单位为m。

由方程(2)可知，CCD电路3的光电成像图单元间距d越小、光程l越长、转换检流计1的灵敏度就越高，从而数字纳伏表的最高分辨力U_Δ也越高。例如，当d＝4μm，C₁＝4×10^-9A/mm/m，R_i＝50Ω，l＝0.4m时，最高分辨力U_Δ＝1nV。

本发明CPU电路4中，使用现有方法中用于图像边缘检测的直线拟合方法，对CCD电路3输出的光点图像数据进行滤波。具体是利用直线拟合方法，首先求出一组可能的边缘值，再计算边缘值的中值作为光点最终的边缘值。如图2所示，其实施过程为：

(a)CPU电路4采集CCD电路3输出的光点图像；

(b)判断如果光点图像中连续像素点的亮点数量大于8，则选取10次连续亮点的起始点和终止点，选取包含连续亮点范围最大的起始点与终止点；如果光点图像中连续像素点的亮点数量小于8，则重新采集CCD电路3输出的光点图像，重复判断过程；

(c)计算上述包含连续亮点范围最大的起始点与终止点的中间值，作为光点图像中光点的中心。

通过以上方法可以滤除掉由于光线衍射、误码传输等造成的光点误码，而阀值为预先设置并可视情况调节，本实施例中阈值取8。取范围最大的两个值作为起始点与终止点，然后计算出中间点为光点中心，这样可以消除因光点摆动而造成的影响。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明创造，但不以任何方式限制本发明创造。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明创造已进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明创造进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围当中。