一种离子选择电极前置放大器的设计

李东亮，杨慧中

（江南大学 教育部轻工过程先进控制重点实验室，江苏 无锡 214122）

一种离子选择电极前置放大器的设计

李东亮，杨慧中

（江南大学 教育部轻工过程先进控制重点实验室，江苏 无锡 214122）

采用离子选择电极法测量溶液中某种离子的离子浓度时，离子选择电极与参比电极间产生一个电势差。基于电势差信号的低频率、低幅值和输入高阻抗的特点，设计了一种用于离子选择电极信号采集的前置放大器。该放大器主要由传感器电极、低通滤波电路、超高输入阻抗放大电路、差分式放大电路和50 Hz陷波电路等组成。该前置放大器提供了高达1012Ω的输入阻抗，并且很好的降低了共模信号的干扰以及工频干扰，可以较好的采集到离子选择电极的微弱信号。

离子选择电极法；超高输入阻抗；前置放大器；工频干扰

电位型离子选择电极具有价格低廉、携带方便、适用浓度宽广、操作简单快捷、不受样品颜色、混浊度、悬浮物或粘度的影响等优点，在医疗保健、生化分析、食品安全和环境监测等领域得到了广泛的应用[1]。在测量低浓度离子溶液时，电极产生的信号一般比较微弱，幅度为毫伏级，频率较低且呈现的内阻要高达几百兆欧，即使用高输入阻抗的测量放大器也很难实现阻抗匹配，仍然会出现很大的电压耦合损失，这就直接影响到离子选择电极的使用效果和应用范围。在信号采集、放大和检测过程中通常会受到外界的各种干扰，其中以50 Hz交流电以及其多次谐波引起的工频干扰最为普遍。因此，如何把干扰滤除并且实现阻抗匹配是整个信号采集电路的核心[2]。文中设计了一种适合离子选择电极使用的前置放大器，该放大器具有超高输入阻抗（1012Ω）的特点，并且能很好的抑制50 Hz工频干扰，还可以实现多路信号的同时采集，特别适合于传感器在水质连续自动监测和现场分析中的应用。

1 离子选择电极法原理

离子选择电极法测量溶液的离子浓度是一种基于电位分析的方法，可用于直接电位法，也可用于电位滴定[3]。图1为离子选择电极应用于直接电位法的测量原理。离子选择电极包含由特殊的电活性物质组成的敏感膜，对溶液中某种特定离子具有较高选择性，从而产生一定的电势，其电势大小与溶液中特定离子的浓度成对数线性关系。用设计出的前置放大器采集离子选择电极与参比电极组成电池的电动势，即可计算出被测溶液中某种离子的浓度。

测量出的电动势为：

式（1）说明了离子选择电极与参比电极之间的电动势E的组成，其中：EM为离子选择电极的外膜电位；ER为参比电极的电位；EJ为液接界电位。

在外界环境稳定的情况下，EM为与溶液中某种特定离子浓度相关的电位，其余均为固定量。

2 系统硬件电路设计

离子选择电极信号采集电路如图2所示。先通过离子选择电极提取信号，然后通过低通滤波电路把一些干扰信号滤除，放大器第一级接超高输入阻抗放大电路将有用的信号提取并放大，第二级接差分放大电路对输入的工作电极信号和参比电极信号进行运算，第三级接50 Hz带阻滤波电路，滤除信号调理过程中产生的工频干扰。

图2 系统框图Fig.2 Block diagram of system

2.1 超高输入阻抗离子放大电路设计

由于前置放大器的阻抗为兆欧级以上，普通的焊接工艺会使电路板的绝缘电阻和电路形成并联关系，降低前置电路的有效输入阻抗，为了抑制电路板绝缘电阻对放大电路输入阻抗的影响，可以在电路板上电极信号输入端至运算放大器的同相输入端加绝缘环或者做镂空处理。超高输入阻抗离子放大电路如图3所示。

图3 超高输入阻抗放大电路Fig.3 Ultra high input resistance amplifier circuit

2.2 差分式放大电路设计

根据离子选择电极法的测量原理，需要对输入的工作电极信号和参比电极信号进行运算和放大。本文采用差分式放大电路作为放大器的第二级，差分式放大电路具有抑制共模干扰的作用，可以很好的克服工作电极信号和参比电极信号阻抗匹配后产生的共模干扰。

设参比电极电位为VR，工作电极电位为VM，第二级差分式放大电路的输出为：

式中，A1为差分放大倍数。差分式放大电路如图4所示。

图4 差分式放大电路Fig.4 Differential amplifier

2.3 工频干扰抑制电路设计

由于离子选择电极输出的电压信号频率较低，在采集，处理和放大的过程中很容易受到其它信号的干扰，主要的干扰为50 Hz工频干扰，而且50 Hz整数倍谐波频率的干扰也不能忽视[6]。另外，50 Hz工频干扰漂移的存在也应视为工频干扰。对于谐波的干扰可通过低通滤波器抑制，而要抑制48.5～51.5 Hz的干扰则需要设计性能良好的带阻滤波器。本文设计的带阻滤波电路如图5所示。

图5 550Hz带阻滤波电路Fig.5 550Hz band-stop filter circuit

图5中，R1、R2、C3和 C1、C2、R3构成双T选频网络，运算放大器U1具有放大和反馈的作用。在双T选频网络中，电阻R1，R2阻值相同，均为R，电容C1，C2容值相同，均为C，R3阻值为R/2，C3容值为2C。该电路在有源带阻滤波电路的基础上，又增加了具有反馈功能的运算放大器U2和具有调节功能的电位器RW。其中，电位器RW具有调节电路品质因数Q的作用，Q值越大，阻带宽度越窄，选频特性越好。由节点导纳方程导出电路的传递函数为：

3 实验结果与分析

为了验证本文所设计的前置放大器的效果，将前置放大器和实验室使用的电化学工作站和电极测量仪进行相关实验比较，验证采集到的数据的准确性和稳定性。

3.1 硝酸根离子选择电极实验验证

将实验室所使用的郑州世瑞思仪器科技有限公司生产的RST5200型电化学工作站和本前置放大器做测量结果的对比，室温下采用本团队开发的硝酸根离子选择电极分别测量去离子水、10-6mol/L、10-5mol/L、10-4mol/L、10-3mol/L、10-2mol/L、10-1mol/L的硝酸钠溶液，得到数据如表1所示。

表1 实验结果对比Tab.1 Comparison of experimental results

在系统测试时，考虑到外界温度可能对电极的性能的影响。本次测量在同一时间段内对7组溶液进行测量。通过以上测量数据的对比，本前置放大器采集到的数据与电化学工作站检测的结果基本一致，检测精度符合设计要求。

3.2 氨气敏电极实验验证

将雷磁科技有限公司生产的PHS-2F型电极测量仪和本前置放大器作测量结果对比，室温下采用氨气敏电极分别测量去离子水、0.1 mg/L、1 mg/L、10 mg/L、100 mg/L氯化氨碱化后的溶液，得到数据如表2所示。

在系统测试时，考虑到外界温度可能对电极的性能的影响。本次测量在同一时间段内对5组溶液进行测量。通过数据对比可以发现，PHS-2F型电极测量仪只能采集到个位的数据值，而本文设计的前置放大器可以采集到小数点后一位的数据值。实验表明氨离子在0.1 mg/L～100 mg/L浓度范围内，电极响应级差符合能斯特关系，氨气敏电极输出电压值和氨离子浓度的对数成线性关系[7]。将测量结果代入标准曲线换算成氨离子浓度值时，0.1 mV的电位差都会对浓度值造成很大的误差。所以，本文设计的前置放大器的应用性能优于PHS-2F型电极测量仪。

表2 实验结果对比Tab.2 Comparison of experimental results

4 结 论

文中主要针对离子选择电极的信号特点，采用运算放大器和仪用放大器设计了一种离子选择电极的前置放大器。该前置放大器在能够获取离子电极信号的基础上，还考虑了使用滤波电路来抑制共模信号和工频干扰，以便为上位机提供高灵敏的离子电极信号。该前置放大器稳定可靠，数据精确，使用范围广，具有广泛的应用前景。

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A design of prime ampli fi er forion-selective electrode

LI Dong-liang，YANG Hui-zhong
（Key laboratory of Advanced Process Control for Light Industry Ministry of Education，Jiangnan University，Wuxi 214122，China）

When use anion-selective electrode method to measure a certain ion-concentration，an electrical potential difference is generated in between the ion-selective electrode and thereference electrode.A prime amplifier forthe electrical potential difference is designed based on the signal characteristics of low frequency，small amplitude and high resistance.The amplifierincludesan electrode，low pass filter circuit，ultra high input resistance amplifier circuit ，differential amplifier and 50 Hz rejector circuit.This prime amplifier provides 1012Ω high input impedance，and can well remove the interference of common mode signal and interference of power frequency.Therefore，itcan be very goodto collect the weaksignal from the ion-selective electrode.

ion-selective electrode method；ultra highinput resistance；prime amplifier；disturbance of industry frequency

TN722.7

A

1674-6236（2014）11-0012-03

2014-02-26 稿件编号：201402192

江苏省产学研联合创新资金-前瞻性联合研究项目（BY2012070）；江苏省环保科研课题（2012051）

李东亮（1989—），男，江苏徐州人，硕士。研究方向：水质在线监测装置的开发。