專利名稱：一種高靈敏度數(shù)字納伏表及其實現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種低壓檢流裝置，特別是涉及一種可用于直流低電壓測量和電壓指
零的高靈敏度數(shù)字納伏表及其實現(xiàn)方法。
背景技術(shù)：
微弱電流的監(jiān)測與檢測技術(shù)廣泛應(yīng)用于微弱信號精密測量、生物電流檢測、半導(dǎo) 體和化學(xué)分析領(lǐng)域中。目前，用于高精度直流低電壓測量和電壓指零的儀器主要有磁電系 檢流計、光電放大檢流計和數(shù)字納伏表等。其中，磁電系檢流計和光電放大檢流計均采用光 點顯示，由于受到大地震動、檢流計動框附近空氣分子的布朗運動以及動框回路的熱噪聲 電壓等因素影響，磁電系檢流計和光電放大檢流計均存在讀數(shù)困難、靈敏度受到限制和測 量誤差大等問題。但由于檢流計內(nèi)部具有將流過懸絲的電流大小轉(zhuǎn)換為扭矩大小的結(jié)構(gòu)， 因此具有較強抗共模干擾能力的優(yōu)點。 數(shù)字納伏表通常是由電子式放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成，具有分辨力高的優(yōu)點，可 以達到lnV的分辨力。但數(shù)字納伏表的電子式放大器采用調(diào)制解調(diào)技術(shù)和有源放大技術(shù)， 因此存在噪聲較大、源阻抗適應(yīng)范圍較小等缺陷，且抗共模干擾能力低于光電檢流計。數(shù)字 納伏表在電位差計和電橋等高精度測量設(shè)備中由于其自身缺陷達不到高精度測量要求，因 此，不能代替光電放大檢流計使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中數(shù)字納伏表存在的缺點和不足，提供一種高靈敏度數(shù)字納 伏表，其具有很強的抗共模干擾能力和抗震能力，可應(yīng)用于電位差計和電橋等高精度測量 設(shè)備。本發(fā)明還涉及一種高靈敏度數(shù)字納伏表的實現(xiàn)方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下 —種高靈敏度數(shù)字納伏表，包括由變換檢流計和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)組成的測量回 路，所述反饋電阻網(wǎng)絡(luò)由反饋電阻和分壓電阻并聯(lián)組成，其中在所述反饋電阻的支路上串 接一 D/A轉(zhuǎn)換器；還包括一 CCD電路，所述CCD電路與CPU電路相連，所述CCD電路采集變 換檢流計的光點圖像，并將所述光點圖像輸入CPU電路中，所述CPU電路控制所述D/A轉(zhuǎn)換 器向反饋電阻網(wǎng)絡(luò)輸出直流電壓。 所述CPU電路和D/A轉(zhuǎn)換器之間設(shè)置一光電隔離。 —種采用如權(quán)利要求1所述的高靈敏度數(shù)字納伏表實現(xiàn)低壓檢流的方法，其步驟 包括1)當被測電壓和D/A轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓均為0時，CPU電路提取CCD電路輸出 光點圖像中光點中心位置，作為原點進行保存；2)開始測量時，將所述被測電壓加在測量 回路兩端，所述CPU電路提取CCD電路輸出光點圖像中光點中心位置，與所述原點進行比 較；3)逐位增加所述D/A轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓，直至所述光點中心位置與所述原點重合， 記錄此時所述D/A轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓U。/ ;4)CPU電路根據(jù)方程(1)計算得到被測電壓 Ux:
"x 、、仏m (1) 式中，Rf-反饋電阻21的阻值；Rg_分壓電阻22的阻值。
所述數(shù)字納伏表的最高分辨力UA : 式中d-CCD電路的光電成像圖單元間距，單位為y m ;C「變換檢流計電流常數(shù)， 單位為A/mm/m;Ri-變換檢流計中線圈的電阻值，單位為Q ;1-變換檢流計的反光鏡到CCD 電路的光程，單位為m。 所述CPU電路中使用直線擬合方法對所述光點圖像進行濾波。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下 本發(fā)明的高靈敏度數(shù)字納伏表在測量回路上設(shè)置一將電流轉(zhuǎn)換成偏轉(zhuǎn)激光的變 換檢流計和一用于分壓的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，CCD(Charge Coupled Device,電荷藕合器件圖像 傳感器)電路接收變換檢流計的光點圖像，之后將光點圖像輸入CPU電路中進行處理，CPU 電路通過濾波和計算得到光點的位置；CPU電路同時控制D/A轉(zhuǎn)換器其輸出一直流電壓，當 該直流電壓經(jīng)過反饋電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后的電壓與被測電壓相抵消時，測量回路中的電流為O， CCD電路輸出的光點圖像中的光點位置處于原點，CPU電路將此時D/A轉(zhuǎn)換器輸出的直流電 壓作為檢測到的待測電壓進行輸出；由于測量回路、反饋電路和檢測電路分別為完全獨立 的電系統(tǒng)，各部分之間只存在光信號聯(lián)系，因此具有很強的抗共模干擾能力，可作為高靈敏 度指零儀器應(yīng)用于電位差計和電橋等高精度測量設(shè)備。 由于轉(zhuǎn)換檢流計線圈內(nèi)部電阻的熱噪聲電壓小于O. 5nV，且本底噪聲低，且CCD電 路測得的光點圖像經(jīng)過CPU電路數(shù)字濾波得到較為穩(wěn)定的測量結(jié)果，因此本發(fā)明可以克服 大地振動、空氣分子的布朗運動等因素的影響，具有讀數(shù)穩(wěn)定的特點。 由于高靈敏度數(shù)字納伏表的測量精確度由反饋電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻比值的準確度和 D/A轉(zhuǎn)換器的準確度決定，而高準確度的電阻和D/A轉(zhuǎn)換器在現(xiàn)有技術(shù)中很容易做到，因此 本發(fā)明可實現(xiàn)直流低電壓的高測量精度。同時本發(fā)明的分辨力可通過減小CCD電路的間 距、加大光程和提高轉(zhuǎn)換檢流計的靈敏度來提高，利用普通磁電系交流計即可達到lnV的 分辨力。 由于本發(fā)明使用CPU電路控制D/A轉(zhuǎn)換器的輸出，從而直接得到測量結(jié)果，而無需 再增加A/D轉(zhuǎn)換器，因此模擬電路簡潔，幾乎不需要進行電路軟硬件調(diào)試，便于進行批量生產(chǎn)。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明CPU電路中圖像處理流程圖 圖中各標號列示如下 1-變換檢流計；ll-發(fā)光元件；12反光鏡；13_線圈；2_反饋電阻網(wǎng)絡(luò)；21_反饋電 阻；22-分壓電阻；3-CCD電路；4-CPU電路；5_光電隔離；6-D/A轉(zhuǎn)換器；7_數(shù)字顯示器。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行說明。 如圖1所示，本發(fā)明的高靈敏度數(shù)字納伏表包括由變換檢流計1、反饋電阻網(wǎng)絡(luò)2、 CCD電路3、 CPU電路4、光電隔離5、 D/A轉(zhuǎn)換器6和數(shù)字顯示器7。其中，變換檢流計1和 反饋電阻網(wǎng)絡(luò)2串聯(lián)組成測量回路，測量回路兩端接被測電壓U,，測量回路中的電流為Ix。 變換檢流計1主要包括發(fā)光元件11、反光鏡12和線圈13，電流Ix驅(qū)動反光鏡12偏轉(zhuǎn)一定 角度，發(fā)光元件11發(fā)出的光束經(jīng)過反光鏡12的反射后，在CCD電路3上成像。CPU電路4 讀取CCD電路3輸出的光點圖像數(shù)據(jù)，通過濾波處理方法確定光點圖像中的光點成像位置； CPU電路4同時還對D/A轉(zhuǎn)換器6發(fā)出指令，控制其輸出一逐位遞增的直流電壓U^CPU電 路4和D/A轉(zhuǎn)換器6之間設(shè)置光電隔離5。反饋電阻網(wǎng)絡(luò)2由反饋電阻21和分壓電阻22 并聯(lián)組成，其中在反饋電阻21的支路上串接D/A轉(zhuǎn)換器6。 D/A轉(zhuǎn)換器6輸出的直流電壓 UDA經(jīng)過分壓電阻22的分壓后，在反饋電阻21上形成一反饋壓降Uf，當被測電壓Ux和反饋 電阻21上的反饋壓降Uf的壓差A(yù)不為O時，在測量回路中形成電流I,。
本發(fā)明的實現(xiàn)方法為 (1) CPU電路4首先進行初始化，當被測電壓Ux和D/A轉(zhuǎn)換器6的直流電壓UDA均 為0時，CPU電路4讀取CCD電路3輸出的光點圖像數(shù)據(jù)。CPU電路4將讀取的光點圖像數(shù) 據(jù)進行數(shù)字濾波后，提取消除振動和噪聲影響的反射光點中心位置，將該反射光點中心位 置作為原點進行保存。該原點即變換檢流計1中反光鏡12沒有發(fā)生轉(zhuǎn)動時，CCD電路3輸 出光點圖像中光點的位置。 (2)開始測量時，將被測電壓Ux加在測量回路兩端，D/A轉(zhuǎn)換器6輸出的直流電壓 UDA設(shè)置為0， CPU電路4讀取CCD電路3輸出的光點圖像數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)字濾波后，提取消除 振動和噪聲影響后的反射光點中心位置，將該反射光點中心位置與預(yù)存的原點進行比較。
(3)逐位增加D/A轉(zhuǎn)換器6輸出的直流電壓UDA，使反饋電阻21上的反饋壓降Uf趨 于被測電壓Ux，測量回路中電流I,逐漸減小，變換檢流計1的反光鏡12的偏轉(zhuǎn)角度趨于O。 在CPU電路4采集到的CCD電路3輸出光點圖像中，反射光點中心逐漸回到原點。開始時 D/A轉(zhuǎn)換器6輸出的直流電壓UDA的步進可以比較大，以使反饋壓降Uf能夠快速趨近被測電 壓Ux ;當反饋壓降Uf接近被測電壓Ux時，縮小直流電壓UDA的步進，以提高檢測精度。
(4)當反饋壓降Uf最終等于被測電壓Ux時，測量回路中電流I,為O，變換檢流計 1的反光鏡12的偏轉(zhuǎn)角度為O，反射光點中心逐漸回到原點，最終與原點重合，系統(tǒng)達到平 衡，則系統(tǒng)達到平衡時D/A轉(zhuǎn)換器6輸出的平衡電壓為UDA°。 (5) CPU電路4根據(jù)平衡電壓UDA°，通過方程(1)即可得到被測電壓Ux。 CPU電路4 通過數(shù)字顯示器7將被測電壓Ux輸出顯示。
"JiAr",) (" 式中， Rf反饋電阻21的阻值；
Rg-分壓電阻22的阻值。 本發(fā)明數(shù)字納伏表的最高分辨力為光點在CCD電路3的光電成像圖上變化1個單 元間距所對應(yīng)的輸入電壓，根據(jù)變換檢流計和CCD電路測量結(jié)構(gòu)原理，可推導(dǎo)最高分辨力<formula>formula see original document page 6</formula>
式中 d-CCD電路3的光電成像圖單元間距，單位為y m ; C「變換檢流計1電流常數(shù)，單位為A/mm/m ; 變換檢流計1中線圈13的電阻值，單位為Q ; 1-變換檢流計1的反光鏡12到CCD電路3的光程，單位為m。 由方程(2)可知，CCD電路3的光電成像圖單元間距d越小、光程1越長、轉(zhuǎn)換檢流
計1的靈敏度就越高，從而數(shù)字納伏表的最高分辨力UA也越高。例如，當d = 4ii m， Q =
4X 10—9A/mm/m， & = 50 Q ， 1 = 0. 4m時，最高分辨力UA = lnV。 本發(fā)明CPU電路4中，使用現(xiàn)有方法中用于圖像邊緣檢測的直線擬合方法，對CCD 電路3輸出的光點圖像數(shù)據(jù)進行濾波。具體是利用直線擬合方法，首先求出一組可能的邊 緣值，再計算邊緣值的中值作為光點最終的邊緣值。如圖2所示，其實施過程為
(a) CPU電路4采集CCD電路3輸出的光點圖像； (b)判斷如果光點圖像中連續(xù)像素點的亮點數(shù)量大于8，則選取IO次連續(xù)亮點的
起始點和終止點，選取包含連續(xù)亮點范圍最大的起始點與終止點；如果光點圖像中連續(xù)像
素點的亮點數(shù)量小于8，則重新采集CCD電路3輸出的光點圖像，重復(fù)判斷過程； (c)計算上述包含連續(xù)亮點范圍最大的起始點與終止點的中間值，作為光點圖像
中光點的中心。 通過以上方法可以濾除掉由于光線衍射、誤碼傳輸?shù)仍斐傻墓恻c誤碼，而閥值為
預(yù)先設(shè)置并可視情況調(diào)節(jié)，本實施例中閾值取8。取范圍最大的兩個值作為起始點與終止
點，然后計算出中間點為光點中心，這樣可以消除因光點擺動而造成的影響。 應(yīng)當指出，以上所述具體實施方式
可以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明
創(chuàng)造，但不以任何方式限制本發(fā)明創(chuàng)造。因此，盡管本說明書參照附圖和實施例對本發(fā)明創(chuàng)
造已進行了詳細的說明，但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當理解，仍然可以對本發(fā)明創(chuàng)造進行修改
或者等同替換，總之，一切不脫離本發(fā)明創(chuàng)造的精神和范圍的技術(shù)方案及其改進，其均應(yīng)涵
蓋在本發(fā)明創(chuàng)造專利的保護范圍當中。
權(quán)利要求
一種高靈敏度數(shù)字納伏表，包括由變換檢流計和反饋電阻網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)組成的測量回路，所述反饋電阻網(wǎng)絡(luò)由反饋電阻和分壓電阻并聯(lián)組成，其中在所述反饋電阻的支路上串接一D/A轉(zhuǎn)換器；還包括一CCD電路，所述CCD電路與CPU電路相連，所述CCD電路采集變換檢流計的光點圖像，并將所述光點圖像輸入CPU電路中，所述CPU電路控制所述D/A轉(zhuǎn)換器向反饋電阻網(wǎng)絡(luò)輸出直流電壓。
2. 如權(quán)利要求1所述的高靈敏度數(shù)字納伏表，其特征在于所述CPU電路和D/A轉(zhuǎn)換 器之間設(shè)置一光電隔離。
3. —種采用如權(quán)利要求1所述的高靈敏度數(shù)字納伏表實現(xiàn)低壓檢流的方法，其步驟包括1) 當被測電壓和D/A轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓均為0時，CPU電路提取CCD電路輸出光 點圖像中光點中心位置，作為原點進行保存；2) 開始測量時，將所述被測電壓加在測量回路兩端，所述CPU電路提取CCD電路輸出光 點圖像中光點中心位置，與所述原點進行比較；3) 逐位增加所述D/A轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓，直至所述光點中心位置與所述原點重 合，記錄此時所述D/A轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓UDA° ;4) CPU電路根據(jù)方程(1)計算得到被測電壓Ux :<formula>formula see original document page 2</formula>式中，Rf_反饋電阻21的阻值； Rg-分壓電阻22的阻值。
4. 如權(quán)利要求3所述的高靈敏度數(shù)字納伏表的實現(xiàn)方法，其特征在于所述數(shù)字納伏 表的最高分辨力UA :<formula>formula see original document page 2</formula> 式中d-CCD電路的光電成像圖單元間距，單位為ym; C「變換檢流計電流常數(shù)，單位為A/mm/m ; Ri-變換檢流計中線圈的電阻值，單位為Q ; 1-變換檢流計的反光鏡到CCD電路的光程，單位為m。
5. 如權(quán)利要求3或4所述的高靈敏度數(shù)字納伏表的實現(xiàn)方法，其特征在于所述CPU電 路中使用直線擬合方法對所述光點圖像進行濾波。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高靈敏度數(shù)字納伏表及其實現(xiàn)方法，在測量回路上設(shè)置一將電流轉(zhuǎn)換成偏轉(zhuǎn)激光的變換檢流計和一用于分壓的反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，CCD電路接收變換檢流計的光點圖像，之后將光點圖像輸入CPU電路中進行處理，CPU電路通過濾波和計算得到光點的位置；CPU電路同時控制D/A轉(zhuǎn)換器其輸出一直流電壓，當該直流電壓經(jīng)過反饋電阻網(wǎng)絡(luò)分壓后的電壓與被測電壓相抵消時，測量回路中的電流為0，CCD電路輸出的光點圖像中的光點位置處于原點，CPU電路將此時D/A轉(zhuǎn)換器輸出的直流電壓作為檢測到的待測電壓進行輸出；由于測量回路、反饋電路和檢測電路分別為完全獨立的電系統(tǒng)，各部分之間只存在光信號聯(lián)系，因此具有很強的抗共模干擾能力，可作為高靈敏度指零儀器應(yīng)用于電位差計和電橋等高精度測量設(shè)備。
文檔編號G01R19/25GK101738537SQ20091024351
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月24日
發(fā)明者嚴明, 馮文武, 潘攀, 王斌 申請人:中國航天科技集團公司第五研究院第五一四研究所