空氣離子濃度測量儀的設(shè)計.pdf

1、本文主要介紹了空氣離子濃度測量儀的軟件和硬件的設(shè)計與實現(xiàn)。其中硬件設(shè)計主要針對收集系統(tǒng)與電路的設(shè)計。
　　該儀器采用電容法實現(xiàn)了離子濃度的實時監(jiān)測。完成了儀器的主要性能指標(biāo)：離子濃度測量范圍10-107個/cm3,實時監(jiān)測，高穩(wěn)定性，較快的響應(yīng)速度。
　　本文針對空氣離子的特性和作用進(jìn)行了介紹說明，并對空氣離子的測量原理進(jìn)行了闡述。
　　空氣離子濃度測量儀主要分為收集系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三大部分。
　　在收集

2、系統(tǒng)的設(shè)計中，本文對平板式、格柵式等四種收集系統(tǒng)的優(yōu)缺性的進(jìn)行了對比分析。并論述了平行板式、圓筒式、球型收集系統(tǒng)的電場強度及電壓、電容的關(guān)系。針對平行板式和圓筒式收集系統(tǒng)的邊緣效應(yīng)進(jìn)行了分析。由于圓筒式和流線型收集器在實質(zhì)上都是同軸式電容器，因此針對同軸式電容器進(jìn)行分析。在理論上對同軸式電容器的筒長、內(nèi)外半徑的最佳比進(jìn)行了論述，最終確定了收集系統(tǒng)的基本模型——流線型收集器。對于流線型收集器的入口設(shè)計中，采用fluent軟件分別對圓形入口

3、和矩形入口進(jìn)行了對比分析，最終確定最佳入口形狀。最后采用fluent軟件對新型收集系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬，得到了收集系統(tǒng)內(nèi)部的速度場分布圖。從模擬圖來看,其效果達(dá)到了最佳，摩擦阻力達(dá)到了最小值，避免了空氣繞動對濃度測量的影響。
　　在測量系統(tǒng)的設(shè)計中，離子濃度轉(zhuǎn)換的電流信號為fA-nA級，信號及其微弱，為避免信號被噪聲淹沒，文中選用阻抗為1015Ω的精密的儀器儀表放大器INA116。該儀表放大器具有阻抗高、低溫漂、低偏置電流等特

4、點。文中采用自動增益可調(diào)的設(shè)計思路。通過儀表放大器、單片機(jī)、數(shù)字電位器完成了I-V電路轉(zhuǎn)換及放大電路的設(shè)計。該方案提高了增益的可調(diào)范圍。與模擬電位器相比更大程度上的降低了噪聲干擾。在測量中噪聲是影響測量精度的一個重要因素，而運放和電阻中存在固有噪聲。文中采用二端口網(wǎng)絡(luò)的方法建立了前置放大電路的噪聲模型，并對其進(jìn)行了分析。最終得到了運放和電阻中存在的固有噪聲經(jīng)放大后的輸出噪聲，并提出了噪聲最小化方案與措施。為避免電源噪聲影響信噪比，文中對

5、穩(wěn)壓電源模塊進(jìn)行了設(shè)計。分別設(shè)計了15V、3V、3.3V穩(wěn)壓模塊。這些模塊分別為放大器、單片機(jī)、ADC提供穩(wěn)壓信號。
　　在控制系統(tǒng)的設(shè)計中，實現(xiàn)了對程控增益放大電路、離子極性轉(zhuǎn)換、極化電壓等的控制。采用帶可編程增益放大器的12位精度的ADC對放大信號進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，提高了離子濃度的測量精度。針對C8051F020中自帶的ADC具有單端電源供電的特點，及空氣離子濃度的極性為雙極性，其轉(zhuǎn)換的電壓值為雙極性。通過對ADC電路的設(shè)計實現(xiàn)了