CN102854202A

CN102854202A - 静态物质能量测试系统

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Publication number: CN102854202A
Application number: CN2011101811429A
Authority: CN
Inventors: 秦奕; 顾祖雄; 陈汴琨; 范柄银; 王利民; 矯恒绘; 胡波; 王义虎
Original assignee: WUSI TECHNOLOGY DEVELOPMENT (BEIJING) Co Ltd
Current assignee: WUSI TECHNOLOGY DEVELOPMENT (BEIJING) Co Ltd
Priority date: 2011-06-30
Filing date: 2011-06-30
Publication date: 2013-01-02

Abstract

静态物质能量检测系统，是由离子采集器，弱电信号调理器，模数转换卡，以及计算机组成。将被测样品放置于离子采集器上的样品载物台上，不同样品将具有不同的激发离子对的能力，在采集器上加上引导电压，则正负离子将分别流向采集器上的负极和正极并被捕获。将所测试到的信号用具有多重屏蔽功能的特制信号线，输送到差分式弱电信号调理器中，利用共模差分抑制比原理，将差分后的电信号送至积分电容器上积累，由电脑设定测试时间段测试后，通过累积的电荷量即可算出电离离子数值。为保证检测精度，必须使得弱电荷调理器的抗共模干扰能力和抗空间干扰能力大，同时温度漂移和时间漂移在测试要求的时间内要最小。差分弱电信号调理器通过平衡测量空间，有效降低了被测离子数随温度、湿度等环境因素变化所带来的本底误差。

Description

静态物质能量测试系统

技术领域：仪器仪表

本发明专利“ETS-2型静态物质能量测试系统”，属于电子仪器仪表技术、电离辐射技术、大气物理领域、材料科学技术领域。该系统可以测定空气中正负离子浓度，并通过所测定离子浓度来评价各类材料在静态下激发正负离子对的能量。

背景技术：

众所周知，空气(或泛称为大气)，其中除电中性的气体分子外，还存在着分别带有正负电荷的离子。荷电离子主要来源于大气中存在的电离过程，至于引起电离的原因，目前的科学解释是源于四种原因：一是地壳中放射性物质(如釷、铀、镭)发出的放射线；二是大气中放射性物质(如氡气)发射的放射线；三是地球之外向地球辐射出的宇宙射线，如太阳辐射线中波长小于1000A⁰左右的紫外线；第四种则是地球上各种物质能量变化导致空气中分子电离从而产生离子，如大气中的闪电、火山爆发、森林大火、尘暴、喷泉等等都会使大气电离产生大量气体离子。

总之，导致大气电离离不开物质能量的大小和变化率，可以统称为电离源。反之，通过精确测量静态物质周围气体中离子的数量和变化率，可以反推出物质所具有的诱生离子的能量高低和变化规律。

描述电离源对大气电离的能力可以用大气电离率来表示，一般定义为：在单位体积和单位时间内大气分子被电离源电离为正负离子对的数目，单位为：离子对数(N)/或N/CM^-3·S^-1。

根据电量守恒定理：在闭合系统内，电荷的代数和是一常数。这表明电荷不会凭空产生和消灭，正负电荷是成对生成的。现代物理研究表明，当一个高能光子(电离源之一)与一个重原子核作用时，该光子的能量可转化为一个正电子和一个负电子，这叫电子对的产生。同样，当一个正电子与一个负电予相遇，又会同时消失而产生两个或三个光子，这叫电子对的湮灭。这种现象反映出离子对的产生和消失是一种能量转换的结果。

同类电荷相遇时互相排斥，而异类电荷则互相吸引。当两个等量的正负电荷相吸合并时，电荷将消失，称之为放电。因此，正负电荷总是成对出现和消失。

大气的电离率取决于电离源的能量强度和大气的密度。电子在干燥空气中每形成一个离子对需要消耗的平均能量其数值为33.85eV；e为单位电荷e＝1.60×10^-19库伦，eV为电子伏特。

一切离子所具有的电荷量都是基本电荷量的整数倍，因此，只要测量计算出物质所诱生出的总电荷量，再除以基本电荷量即可得到正负离子数目N，并藉以判断物质诱生离子的能量大小。

本发明的特点在于：将被测样品放置于离子采集器上的样品载物台上，不同样品将具有不同的激发诱生离子对的能力，采集器上加以导引电压U(低压)，则正负离子将分别流向采集器上的负极和正极并被捕获，通过精确测定集累起来的电荷量，就可以计算出离子数目，从而换算出样品物质诱生离子的能力。

但是，由于离子的电荷量极小，且对周围环境如温度、湿度、电场感应、物体运动干扰等极其敏感，稍有波动即会引起测量数值的偏差。为此，本发明采用了差分式电信号采集装置，即在具有相同环境条件的机柜内，采用两套结构完全相同的采集器，分别放上标准样品和被测样品，将所测试到的信号用具有多重屏蔽功能的特制信号线，输送到特制专用信号调理器中，利用共模差分抑制比原理，将差分后的电信号送至积分电容器上积累，经过电脑设定测试时间段测试后，通过累积的电荷量即可算出电离离子数值。整个过程由计算机软件完成，特殊设计的计算机软件程序固化在电脑中。

本发明也适用于精确测试液态物质在静态下产生正负离子的能力和离子数量，但由于诱生的机理与空气不同(例如化学反应)，计算的方法也不同，采集器结构也不同。

发明内容：

如上所述，静态物质能量测试系统是在静止状态下测试固态物质在空气中诱生激发出正负离子对的数量，进而换算出物质的能量。为此，必须解决如下技术问题：

1、离子采集；

2、将所采集的电荷量经弱电荷调理器进行信号放大，归一滤波，去除干扰和漂移后成为精确、稳定的信号；

3、进行模/数转换，将模拟量转换为相应的数字量送入计算机。

4、通过已装入计算机的软件程序计算出离子浓度随时间变化规律并图示化，同时计算出离子浓度，从而进一步判断出物质能量大小。

附图说明

空气离子的静态测定，是通过离子采集器实现的，离子采集器由1.载物台，2.正极板，3.负极板，4.绝缘柱和5.把手组成，见附图1。

空离子采集器由二组电极板所构成，极板上加载一直流引导电压U(U≤100V)，极板的形状、尺寸和数量可根据需要设计、加工。极板固定在密闭的金属壳体中，并用特制的绝缘导线与外电源及地线连接。样品放置于壳体上方载物台1上，载物台设置有不同形状的样品放置孔2，见附图2。

高输入阻抗传感器原理示意图见附图3

离子测试系统框图由1.和2.两个离子采集器组成，其中2采集标准样品，1采集被测样品，采集到的离子信号通过差分比较后输入到弱电信号调理器3中，经A1，A2，A3放大后输出被测样品离子数量，见附图4。

具体实施方式：

1、空气中离子的采集

空气中离子的采集是通过离子采集器实现的。为了防止环境中温度、湿度及外来信号干扰影响，本系统采用了两套结构完全相同的采集器，并放置在带有屏蔽网的机柜内，其中一套采集器上置放对比试样，另一套放置待测定样品。

两套采集器中由样品产生的离子由于正负电极的吸引，正离子吸附于阴极，负离子则驰往阳极，并通过绝缘电缆将电荷输入信调器对信号进行差分处理。

本发明所采用的各类采集器可采用一体化设备，或者一式两套，可以具有不同的结构和外形，以适应不同的测试对象和测试环境。采集器上可交替置放几种不同类型载物台以适应不同的测试对象，例如金属样品，就必须用与采集器绝缘的电介质材料作载物台。

2、弱电荷信号调理器：

弱电荷信号调理器是将从两套采集器上采集到的离子电信号(很弱)根据电荷积分原理进行积分累加之后再进行差分处理。

电荷积分原理如下：离子的基本特点是其电性能，即所有的离子都带电，否则不能称为“离子”。几乎所有离子计量仪器都是利用离子带电的特点进行测量，假定每个离子只带一个电荷，而电子电荷e是常数，即：e＝1.60×10^-19库伦。只要测量出积累的总电荷Q的大小，便可计算出离子的数量N。但是e的数值太小，要想将其保留在离子传感器中，就必须使传感器的阻抗尽量大。电容器C中聚集了采集器所捕集到的离子电荷，但保留的时间与阻抗R有关。保留时间T为：T＝RC，若RC太小则保留时间太短不便测试，例如：一般情况下，若

R＝100×10⁶欧姆

C＝1000×10^-12法拉

则T＝RC＝100×10⁶×1000×10^-12＝0.1秒

这意味着电容上电荷只要0.1秒即可放完，仪表决不可能测出其数值。为此，要想增大T值就必须增加RC

若取R＝10¹⁵Ω

C＝1000×10^-12F(法拉)

则T＝10⁶秒＝277小时，足够进行测试记录。

本传感器的内阻正是采用这一接近无穷大的电阻R以保持弱电荷的积累和测试。此外，为了不影响传感器中电荷量的输入和保持，还要求输入电路内阻最小，而且输入电路与周围环境要进行高绝缘处理。环境输入阻抗达到10¹⁴～10¹⁵Ω。

为保证检测精度，必须使得弱电荷调理器的抗共模干扰能力和抗空间干扰能力大，同时温度漂移和时间漂移要最小。其主要目的是降低离子传感器在检测物质能量时空气中的离子随温度、湿度等环境因素变化所带来的本底误差。此误差值在测量小能量产生的离子数时误差可达100％甚至更高。不解决空气本底误差，此系统将无使用价值。

为此，如上所述，采用了双离子采集器的差分相减法，一套采集器用来作为被测试样品的诱生离子收集器，另一套则作为标准样品参比离子数值收集器，两者的差值则为被测样品高于(或低于)标样的数值，加上标样值即为被测样品绝对值。亦即：

被测样品诱生离子数＝采集器1【被测物质样品+参比标准样品(载物台1)】-采集器2【参比标准样品(载物台2)】

由于两台采集器放置在同一机柜内，可近似地认为两台采集器的温度和湿度是一致的。使用的标准样品载物台所诱生的离子数与空气本底离子数相近。这样，将显著降低空气本底误差，提高系统对小能量物质的检测精度。目前国内外尚无此方法的应用实例和介绍。

3、抗干扰问题

由于离子传感器内阻很高，弱电荷调理器输入电路的不对称性，当离子在引导电压的作用下，对信调器输入电路来讲，即是一个高共模电压施在输入电路中，不对称性共模电压转换成一个差模信号加入到被测信号中，这就将影响测量误差，要减小共模电压的影响，必须使输入电路对称性好或者加大Z_CM即共模电压内阻。

此外，由于供电线路干扰，数字电路工作状态是脉冲工作电流；而地线也处于脉冲电流状态，由于地线对脉冲电流通过时的电阻R≠0，就会在地线上形成脉冲燥声信号，此干扰信号将直接作用于放大器，并以交流共模电压形式出现，而放大器本身对交流共模电压无抑制作用，会直接转换为差模信号加入到被测信号中从而带来干扰。

本系统为消除减小以上的干扰因素，采用输入电路浮离技术，使输入电路地与输出电路地间阻抗无限大，从而加大共模阻抗同时也隔离数字地间的影响。

4、本检测系统所开发的系统软件，其特征是：

(1)、测试物质能量显示过程并实现图形化；

(2)、可检测正负离子；

(3)、建立了计算正负离子数目的数学模型和降低系统温漂、湿漂的计算方法；

(4)、不同被测物质辐射能量的检测方法和计算方法；

Claims

1.静态物质能量检测系统，是由离子发生、采集器、弱电信号调理器、模数转换卡，以及计算机组成。物质(包括固体和液体)在静态下所诱生的离子，在采集器上产生电荷变化，经弱电信号调理器放大、并精确调理后，成为连续稳定模拟量，再通过模/数转换卡转化后传输至计算机，并计算出离子浓度随时间的变化规律和离子数目。

2.静态物质能量检测系统的离子发生和采集装置，是利用特制的载物台或容器，将被测固体物质或液态物质置于其上(固体)或其中(液体)，在相对封闭的环境中，保持静止的条件下，让被测物质在空气或液体中诱生正负离子对，在载物台下或容器中置放带有直流低电压(≤100V)的正负电极板和离子采集板(与电极板之一极等电位)，通过测定流过采集板的电荷量即可检测出离子数目并进一步换算出物质诱生离子的能量大小。

3.静态物质能量检测系统中的弱电信号调理器，是根据弱电测量“补偿法”，以电荷积分原理作为基础而设计的。为实现精确测量，必须采用高阻值阻抗(约10¹⁴欧姆至10¹⁶欧姆)，与电容相乘后使弱电流放电时间加长，再直接输出模拟信号至A/D卡。本专利采用了高阻值电阻(10¹⁴～10¹⁵Ω)作为电阻器。

信号处理器使用的电阻、开关、插头、布线等元器件都必须经过在线测试后，在测试指标达标的基础上进行拷机后才能出产。

4.空气离子的静态测定，是通过离子采集器实现的。

空离子采集器由二组电极板所构成，极板上加载一直流引导电压U(U≤100V)，极板的形状、尺寸、和数量可根据需要设计、加工。极板固定在密闭的金属壳体中，并用特制的绝缘导线与外电源及地线连接。样品放置于壳体上方载物台上。采集器上可交替放置几种不同类型的载物台以适应不同的测试对象，例如金属样品，就必须采用与采集器绝缘的电介貭材料作载物台。

5.本发明所采用的各类采集器可采用一体化设备，也可为一式两套，可以具有不同的结构和外形，以适应不同的测试对象和测试环境。两台采集器放置在同一机柜内，可近似地认为两台采集器的温度和湿度是一致的，为更精确计，可以采用一体化采集器的分隔室分别放置样品和标准品进行测量。这样，将显著降低空气本底误差，提高系统对小能量物质的检测精度。

6.弱电荷信号调理器，如权利要求1所述静态物质能量检测系统，其信号调理器采用特殊电路设计，能保证抗干扰性以及优良的防漂移性能。

为保证检测精度，必须使得弱电信号调理器的抗共模干扰能力和抗空间干扰能力大，同时温度漂移和时间漂移要最小。其主要目的是降低离子传感器在检测物貭能量时，空气中的离子随温度、湿度等环境因素变化所带来的本底误差最小(此误差值在测量小能量产生的离子数时误差可达100％甚至更高)。不解决空气本底误差，此系统将无使用价值。

为此，如上所述，本套系统采用差分法，一套采集器用来作为被测试样品的诱生离子收集器，另一套则作为标准样品参比离子数值收集器，两者的信号输入到信调器，经前级放大器相减后的差值作为被测样品高于(或低于)标样的数值，加上标样值即为被测样品绝对值。亦即：被测样品诱生离子数＝采集器1【被测物貭样品+参比标准样品(载物台1)】-采集器2【参比标准样品(载物台2)】。

7.抗干扰问题

由于离子传感器内阻很高，弱电荷调理器输入电路的不对称性，当离子在引导电压的作用下输入信调器时，对信调器输入电路来讲，即是一个高共模电压加在输入电路中，此时，不对称共模电压转换成一个差模信号加入到被测信号中，这就将影响测量误差，要减小共模电压的影响，必须使输入电路对称性好或者加大ZCM即共模电压内阻。

8.本检测系统所开发的测试软件，可以连续测试样品在空气中所诱生出的正、负离子数目，并将其记录和打印保存，软件的创新点在于：

◆实验数据平滑技术；

◆正、负离子数计算的数学模型和计算方法；

◆测试离子放电过程的图形化显示；

◆仪器中测试正、负离子的转换；

◆D-Sub数据控制接口

9.为增强对外部环境中离子信号的屏蔽，本系统的离子发生、捕集装置采用了双重金属屏蔽装置。