自給能探測(cè)器微電流放大電路設(shè)計(jì)

張健鵬

摘要：結(jié)合自給能探測(cè)器放大電路的設(shè)計(jì)需求，提出了信號(hào)電流放大電路的設(shè)計(jì)方案，說明了絕緣電阻的測(cè)量方法，并提出了絕緣電阻的計(jì)算公式，對(duì)電路中失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及溫度漂移等因素進(jìn)行了分析，為自給能探測(cè)器信號(hào)采集設(shè)備放大電路的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：自給能傳感器;信號(hào)采集;運(yùn)算放大器;微電流信號(hào)

中圖分類號(hào)：TN722.77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）12-0126-02

0 引言

對(duì)比其他類型的探測(cè)器，自給能探測(cè)器具有使用壽命長(zhǎng)，在使用中不需外加偏壓，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，全固體化，造價(jià)低且電子學(xué)設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，也存在輸出電流信號(hào)弱，信號(hào)對(duì)中子能譜變化較靈敏，且響應(yīng)時(shí)間較慢等缺點(diǎn)。自給能探測(cè)器的信號(hào)采集設(shè)備布置于安全殼廠房，環(huán)境條件惡劣，不利于維護(hù)。這些因素對(duì)信號(hào)電流放大電路的設(shè)計(jì)，提出了抗擾能力強(qiáng)，性能穩(wěn)定性好，可靠性高的要求。

本文對(duì)放大器電路設(shè)計(jì)需求展開討論，介紹了絕緣電阻的測(cè)量方法，并提出了絕緣電阻的計(jì)算公式，對(duì)電路中失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及溫度漂移等因素進(jìn)行了分析，為自給能傳感器信號(hào)電流測(cè)量放大電路的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

1 自給能探測(cè)器原理

自給能探測(cè)器結(jié)構(gòu)見圖1，由發(fā)射體、絕緣體、信號(hào)芯線和收集極外殼組成。發(fā)射體一般采用釩或者銠等材料組成，位于探測(cè)器中心，與信號(hào)芯線連接，外部包裹礦物質(zhì)絕緣材料，探測(cè)器外殼一般由316L不銹鋼無縫管拉制而成，起到保護(hù)及信號(hào)電流收集極的作用。

自給能探測(cè)器發(fā)射體是一種導(dǎo)體材料，具有較高的中子活化截面。在中子輻照下，發(fā)射體原子核俘獲中子而活化，直接或者間接釋放電子。這些電子到達(dá)收集體，形成正比于入射中子注量率的電流信號(hào)。因?yàn)榘l(fā)射體電流可以直接被測(cè)量，不需要對(duì)探測(cè)器另外加偏壓，故稱為“自給能”探測(cè)器。

由于形成電流的電子是發(fā)射體的原子核被中子激發(fā)而發(fā)射出來，一個(gè)中子產(chǎn)生的相互作用的信號(hào)最多是一個(gè)電子，因此自給能探測(cè)器不能用于探測(cè)單個(gè)入射中子的脈沖計(jì)數(shù)法，只能用于電流信號(hào)的測(cè)量，來測(cè)定入射中子的注量率。

自給能探測(cè)器信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍較大，采集放大電路的精度要求較高，而且采集設(shè)備設(shè)置于安全殼內(nèi)，運(yùn)行環(huán)境較為惡劣，溫度范圍較大，可靠性要求較高，對(duì)放大電路的設(shè)計(jì)提出了較高要求。

2 自給能信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

2.1 T型電阻放大電路

由于采用高阻值電阻時(shí)，信號(hào)熱噪聲較大，溫漂性能較差，影響放大電路的線性度?？煽紤]采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)，通過較小阻值電阻，獲得較大的放大倍數(shù)，同時(shí)避免因采用高阻值電阻引入的誤差和線性度的降低。

如圖2，放大電路的反饋部分通過由R1、R2、R3組成的電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，容易通過推導(dǎo)，獲得輸出電壓為：

Vout=（R1+R2+）*Iin? ? ? ? ? ? ? ? 2-1

按照公式2-1，當(dāng)R1，R2阻值較大，R3阻值較小時(shí)，可組合獲得較大的放大倍數(shù)。選取R1=195KΩ，R2=50KΩ，R3=1KΩ，則：

Vout=（R1+R2+）*Iin≈1MΩ*Iin? ? ? ?2-2

如式2-2，通過選用較小阻值的電阻R1， R2， R3組成的T型反饋網(wǎng)絡(luò)，獲得了高達(dá)1MΩ的反饋電阻，同時(shí)降低了由于采用高阻值電阻溫度漂移、高噪聲等特性引起的誤差，較好地解決了放大倍數(shù)和放大精度之間的矛盾。

2.2 信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)

綜合考慮各種放大電路，采用T型電阻網(wǎng)絡(luò)對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大，通過采用較低阻值電阻組合成反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，在保證放大倍數(shù)的同時(shí)，避免了采用高阻值電阻引起的熱噪聲及溫度漂移較高的問題，降低了電路成本，是一種較優(yōu)的選擇。

根據(jù)自給能探測(cè)器的原理分析，自給能探測(cè)器對(duì)外輸出電流信號(hào)，在測(cè)量電路中是一個(gè)電流源。自給能探測(cè)器礦物絕緣電纜的絕緣電阻值為1012Ω到108Ω之間，自給能傳感器會(huì)通過絕緣電阻產(chǎn)生泄漏電流，影響對(duì)堆芯中子通量的測(cè)量，因此測(cè)量電路需要對(duì)絕緣電阻進(jìn)行測(cè)量，以確定泄漏電流，對(duì)信號(hào)進(jìn)行修正[1]。

如圖3，其中S為信號(hào)源，IS為信號(hào)電流，R4為絕緣電阻，Ileak為泄漏電流，R5為測(cè)量電阻，R6為放大器輸入電阻。K為繼電器觸點(diǎn)，通過線圈控制通斷，K打開時(shí)，將R5串入測(cè)量電路，K閉合時(shí)，將R5短路。在K閉合時(shí)，測(cè)量放大器輸入電流Iin。緊接著，將K打開，測(cè)得此時(shí)的放大器輸入電流為Iin，假設(shè)前后傳感器輸出信號(hào)電流穩(wěn)定不變，可通過計(jì)算，獲得此刻的回路絕緣電阻： 2-3

2.3 放大電路的誤差分析

理想運(yùn)算放大器在輸入信號(hào)為0時(shí)，輸出電壓也為0。在實(shí)際運(yùn)用中，輸入電壓為0時(shí)，運(yùn)算放大器的輸出電壓并不為0，需要在輸入端增加一個(gè)補(bǔ)償電壓，稱之為輸入失調(diào)電壓UIO，輸入失調(diào)電壓也就是無輸入信號(hào)時(shí)，輸出電壓轉(zhuǎn)換到輸入端的電壓。同時(shí)考慮輸入失調(diào)電壓及其溫度漂移△UIO，則兩者的疊加可記作：UIO= △UIO+UIO。假設(shè)放大電路的閉環(huán)增益為Kf，容易獲得因失調(diào)電壓及其溫漂引起的輸出誤差為：△UoV=（1+Kf）UIO? ? ? ? ? ? ? 2-4

將△UIO寫成△UIO=dT，其中表示溫漂系數(shù)，dT表示溫度漂移，則公式2-4可改寫成：

△UoV=（1+Kf）（UIO+dT）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2-5

理想運(yùn)放的同相端和反向端輸入偏置電流均為0，實(shí)際運(yùn)放在工作時(shí)，為使輸出電壓為0，必須對(duì)運(yùn)放兩個(gè)輸入端進(jìn)行電流補(bǔ)償，稱之為輸入失調(diào)電流：IIO=IB1-IB2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2-6

輸出偏置電流的平均值為：IB=? ? ? ? ? ? ? ?2-7

可通過合理選擇同相端Rp的阻值，消除偏置電流對(duì)輸出電壓的影響，考慮失調(diào)電流，則輸出電壓[2]為：UoI=-IIORf-Uin? ?2-8

輸出誤差電壓為：△UoI=-IIORf? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2-9

參考2-5，可寫成：ΔUoI=-RinIIO-RinΔT? ? ? ? ?2-10

同時(shí)考慮失調(diào)電壓和失調(diào)電流的影響，則輸出誤差電壓為：

ΔUo=ΔUoV+UoI? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2-11

折合成輸入端誤差電壓為：ΔUin=? ? ? ? 2-12

如輸入信號(hào)為電流信號(hào)，則輸入端電流誤差為：

ΔIin=? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2-13

3 結(jié)語

本文介紹了自給能探測(cè)器的探測(cè)原理，對(duì)自給能探測(cè)器放大電路的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了說明，確定了自給能探測(cè)器放大電路的電路形式，并對(duì)回路絕緣電阻的測(cè)量過程進(jìn)行了說明，提出了絕緣電阻的計(jì)算公式，并對(duì)電路中失調(diào)電壓、失調(diào)電流以及溫度漂移等因素進(jìn)行了分析。

參考文獻(xiàn)

[1]王衛(wèi)勛.微電流檢測(cè)方法的研究[D].西安：西安理工大學(xué)，2007.

[2]嚴(yán)剛峰.運(yùn)算放大器的穩(wěn)態(tài)誤差分析[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，34（03）：277-279.

Design of Amplifier for Micro-Currentof Self-Powered Detector

ZHANG Jian-peng

（Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute，Shanghai? 200233）

Abstract：Self-Powered Detectors（SPD）are utilized to monitor the in-core neutron flux rate， whose output signal are micro-currents in microampere or even nano-ampere level， and the signal collecting equipment are installed in containment building， where the environment is harsh and the equipment is inconvenient to maintain. Different types of amplifiers are compared and circuit parameters are discussed to fulfill the requirements of collecting SPD signals， the design specification of amplifier circuit is suggested for developing the signal amplifier circuit of Self-Powered Detector.

Key words：Self-Powered Detector; In-Core monitoring; signal collecting; amplifier circuit; micro-current