表面等離子共振傳感系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

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關(guān)鍵詞：表面等離子；共振；傳感器系統(tǒng)；電路；設(shè)計(jì)

引言

自1990年以后，表面等離子共振技術(shù)作為一種新技術(shù)被應(yīng)用于傳感器芯片核心設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，且以二硫化鎢納米薄膜覆蓋層增強(qiáng)型表面等離子體共振傳感器的電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用，以其大表面面積、高折射率、獨(dú)特光電性能，極大地提升了傳感器的靈敏度和性能。除此之外，以二硫化鎢等離子共振傳感器為代表的，折射率范圍1.333-1.360間的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)99.76%；加之其保護(hù)金屬膜免受氧化、共振波長(zhǎng)區(qū)域的可調(diào)諧性、生物相容性、蒸氣能力和氣敏性等效果，成為應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目之一。故此，現(xiàn)就表面等離子共振傳感器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)分析總結(jié)如下。

1表面等離子共振傳感器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)概述

以表面等離子共振電感傳感器為例，表面等離子共振（SPR）是一種物理現(xiàn)象，（SurfacePlasmonResonance,SPR）當(dāng)入射光以臨界角入射到兩種不同折射率的介質(zhì)界面（比如玻璃表面的金或銀鍍層）時(shí)，可引起金屬自由電子的共振，由于共振致使電子吸收了光能量，從而使反射光在一定角度內(nèi)大大減弱。最具代表性的檢測(cè)構(gòu)件LDC1000為例，其工作原理為電磁感應(yīng)原理。線(xiàn)圈中+交變電流=產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，金屬物體入磁場(chǎng)在金屬物體表面產(chǎn)生渦流。渦流電流（感應(yīng)電磁場(chǎng)）與線(xiàn)圈（電磁場(chǎng)）電流方向相反。渦流與金屬體磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率、線(xiàn)圈幾何形狀和尺寸、頭部線(xiàn)圈到金屬導(dǎo)體表面的距離等參數(shù)相關(guān)。

2電路設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)分析

主要設(shè)計(jì)為等效并聯(lián)電阻，且以L(fǎng)s=初級(jí)線(xiàn)圈的電感值，Rs=初級(jí)線(xiàn)圈的寄生電阻。L(d)=互感，R(d)=互感寄生電阻，d=距離函數(shù)。初級(jí)設(shè)計(jì)中，將交流電+單獨(dú)電感(初級(jí)線(xiàn)圈)=交變磁場(chǎng)=大量能耗。為達(dá)到節(jié)點(diǎn)目的，將電容并聯(lián)在電感上，降低耗損并限定在Rs和R(d)上，直接計(jì)算出d。電路設(shè)計(jì)在期間充當(dāng)檢測(cè)串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻的功能。主要應(yīng)用優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為，16位共振阻抗、24位電感值，亞微米級(jí)高分辨率；免受油污塵土等非導(dǎo)電污染物影響，可靠性更高；允許傳感器遠(yuǎn)離電子產(chǎn)品安放，靈活性更高；低成本傳感器及傳導(dǎo)目標(biāo)，無(wú)磁體成本消耗；金屬薄片或?qū)щ娪湍珘嚎s支持，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)無(wú)限可能；系統(tǒng)功耗<8.5mW，待機(jī)模式下功耗<1.25mW；以電感數(shù)字轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行位置和動(dòng)作傳感的全新轉(zhuǎn)換方式。

3表面等離子共振傳感器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)細(xì)則

3.1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

化學(xué)傳感器引腳對(duì)電極（Cnt）和參比電極（Ref）進(jìn)行穩(wěn)定性參考，通過(guò)恒定位儀電路確保兩個(gè)電極的電勢(shì)差恒定，保證傳感器有效工作。傳感器工作電極（Sens）在此背景下，以輸出微弱電流，經(jīng)電流轉(zhuǎn)電壓電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后，經(jīng)濾波器濾除無(wú)用交流干擾信號(hào)，得到穩(wěn)定電壓值。調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，將電壓變化范圍限定在0到3.3V的范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)進(jìn)行AD采集。LD與監(jiān)測(cè)二極管是集成元器件，流入LD的電流經(jīng)過(guò)APC電路的預(yù)偏置電流。APC電路通過(guò)電流負(fù)反饋電路抑制由于溫度變化、器件老化等引起光功率變化。APC電路部分采用背向光反饋?zhàn)詣?dòng)偏置控制方式，即用半導(dǎo)體激光器組件中的PD光電二極管監(jiān)測(cè)LD背向輸出的光功率。因?yàn)楸诚蜉敵龉夤β誓芨櫱跋蜉敵龉夤β实淖兓?，通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)就可以調(diào)節(jié)激光器的電流，達(dá)到輸出穩(wěn)定光功率的目的。

3.2恒電位儀電路設(shè)計(jì)圖

恒電位儀電路設(shè)計(jì)此前采用>30個(gè)分立功率三極管，極容易損壞。故此，在電路設(shè)計(jì)中，擬采用2個(gè)可輸出電流±3.5ATDA2030系列運(yùn)算放大器做恒電位儀功放級(jí)。同時(shí)為避免跳線(xiàn)，還設(shè)計(jì)了加偏離壓和不加偏壓時(shí)的電焊線(xiàn)設(shè)計(jì)。具體如圖1所示。跳線(xiàn)：不加偏壓，開(kāi)路跳線(xiàn)，焊接J177；加偏壓（+300mV），短路跳線(xiàn)，去掉J177。

3.3電流轉(zhuǎn)電壓電路設(shè)計(jì)

電流Ii流過(guò)電阻R，電阻R兩端產(chǎn)生電壓U，運(yùn)放741對(duì)U進(jìn)行差動(dòng)放大。接-15V可調(diào)電阻調(diào)零，以消除電路的零點(diǎn)誤差。另一可調(diào)電阻調(diào)滿(mǎn)度（調(diào)放大倍數(shù)）用。具體原理為——電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，根據(jù)歐姆定律，電流流過(guò)電阻時(shí)會(huì)有電勢(shì)壓產(chǎn)生，而且有線(xiàn)性關(guān)系。具體電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

3.4多電平PWM逆變電路諧波分析與輸出濾波器設(shè)計(jì)

高次諧波問(wèn)題是PWM（脈沖寬度調(diào)制技術(shù)）控制所固有的，也是中壓大功率多電平變頻驅(qū)動(dòng)裝置中的主要問(wèn)題。通過(guò)合理設(shè)計(jì)濾波器，降低電機(jī)絕緣要求，提高載波頻率和增加輸出電壓電平數(shù)來(lái)減少高次諧波，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)。RLC低通濾波電路元件參數(shù)簡(jiǎn)化公式，設(shè)計(jì)出了具有兼顧基波損耗、電流諧波、有功損耗等要求的濾波器，使變頻器輸出電壓的高次諧波抑制較好。

4傳感器電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

在設(shè)計(jì)層面，主要就兩電極和三電極進(jìn)行設(shè)計(jì)，內(nèi)容包括感應(yīng)電極(S)，參考電極(R)，計(jì)數(shù)電極(C)。傳感器有氧化反應(yīng)還原反應(yīng)下，以CO、H2S、SO2、H2、HCL、HCN、ETO、NH3等為還原性氣體正輸出，NO2、Cl2、O3、HF為，氧化性氣體負(fù)輸出。傳感器工作中受溫度，濕度，壓力等影響不等，做好各種補(bǔ)償至關(guān)重要。傳感器靈敏度受生產(chǎn)廠(chǎng)家、生產(chǎn)型號(hào)、同一氣體靈敏度差別影響，針對(duì)信號(hào)差別較大時(shí)兩種傳感器禁止直接替換的。一旦電路開(kāi)發(fā)用傳感器信號(hào)小，大信號(hào)傳感器直接需考慮量程問(wèn)題。量程不變，情況下，大信號(hào)傳感器替換小信號(hào)傳感器，需改變放大電路。使用中關(guān)注糾正靈敏度的漂移和損失問(wèn)題?；诖耍趥鞲衅鞯拈_(kāi)發(fā)中，就需要推薦電路，正反應(yīng)、負(fù)反應(yīng)、傳感器信號(hào)大小、放大程度上進(jìn)行鑒別。針對(duì)電極傳感器儲(chǔ)存過(guò)程中感應(yīng)電極（S）、參考電極(R)穩(wěn)定零點(diǎn)電流短路問(wèn)題，需在接入電路前拿掉彈簧。電路設(shè)計(jì)中，在S、R間加J型場(chǎng)效應(yīng)管（J177），以便于通電后及時(shí)進(jìn)入檢測(cè)狀態(tài)。針對(duì)傳感器工作偏置電壓中的NO、ETO電路，在S和R之間無(wú)需短路。其他研究中證實(shí)，改進(jìn)振動(dòng)能量收集接口電路，即相位可變開(kāi)關(guān)電感電路.相比于標(biāo)準(zhǔn)能量收集電路、同步開(kāi)關(guān)電感電路，本電路具有更寬的振動(dòng)頻率響應(yīng)，使得在環(huán)境振動(dòng)頻率遠(yuǎn)離共振頻率時(shí)，整體裝置仍保持高能量收集效率。采用永磁鐵提供靜態(tài)偏置磁場(chǎng)簡(jiǎn)化了硬件電路，以STM32嵌入式處理器為控制核心，結(jié)合鋰電池供電，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)硬件的小型化和低功耗;設(shè)計(jì)采用了SD卡本地存儲(chǔ)和低功耗藍(lán)牙無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)處理方式，并結(jié)合上位機(jī)進(jìn)行命令的控制和數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)表明，檢測(cè)系統(tǒng)可使磁彈性傳感器在不同環(huán)境中完成共振頻率的測(cè)量。根據(jù)Kretschmann型表面等離子共振傳感系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)基于C51單片機(jī)，包括上位機(jī)、4×4鍵盤(pán)和1602液晶功能等多種用戶(hù)交互方式的硬件控制系統(tǒng)。FPGA主控芯片選擇XC6SLX25，ADC選擇AD7960芯片(18bit，5MSPS)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，制作的樣機(jī)可以同時(shí)采集三路輸出信號(hào)，并實(shí)時(shí)處理傳給上位機(jī)顯示。測(cè)得陀螺共振頻率穩(wěn)定在349.89kHz，上下波動(dòng)范圍8Hz，參考端輸出電壓峰峰值的均方差為0.004V。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以二硫化鎢等離子共振傳感器為代表的，折射率范圍1.333-1.360間的線(xiàn)性相關(guān)系數(shù)99.76%；加之其保護(hù)金屬膜免受氧化、共振波長(zhǎng)區(qū)域的可調(diào)諧性、生物相容性、蒸氣能力和氣敏性等效果的電路設(shè)計(jì)分析，在提升傳感器性能上，推廣價(jià)值明顯。

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作者：周暉 單位：廣西大學(xué)行健文理學(xué)院