CN106603027A - 一种植物体内微弱电流检测放大器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种植物体内微弱电流检测放大器，其包括弱电流电压转换模块、滤波模块和放大模块；采集到的微弱电流信号经所述弱电流电压转换模块转换为弱电压信号后，传输至所述滤波模块内进行滤波处理，处理后的弱电压信号传输至所述放大模块内进行放大处理，实现对植物体内微弱电流信号的转换放大与调理。本发明能实现对植物微弱电流信号进行高精转换与放大，减少了高频及工频的干扰，具有信号调零***，可对信号进行补偿调零。

Description

一种植物体内微弱电流检测放大器

技术领域

本发明涉及一种电流检测放大器，特别是关于一种植物体内微弱电流检测放大器。

背景技术

由于大气电场的存在，形成了植物的尖端放电现象，而植物光合作用过程中的光电效应和大气电场的作用会使植物向其周围环境中释放电子，这些电子被空气中的一些中性分子吸收后就形成了空气负离子(NAI)，空气中负离子的含量与人们的健康息息相关。由于植物会释放电子，接地的植物体内会产生微弱的电流，这一现象伴随陆生植物生长发育的一生。除此之外，当带电荷的物体包括动物经过植物时，这些物体自身带有的静电场也会影响植物周围环境的电场，而这一电场的改变就会使得植物体内微弱的电流信号发生变化，植物体细胞即可通过细胞间电势的改变来感知这一变化。即：植物体内这种电流的变化不仅与植物光合效率有关，而且是植物感知外界环境，从而对外界环境做出响应的一种有效手段。研究还发现，人工增强电场，会增加植物的生长速率，促进植物光合作用，提高农作物产量，可见植物微弱电流调节着植物的生长发育。因此，检测植物体内微弱电流的变化对研究植物生长发育机制与提高农业生产效率都具有很重要的意义。但目前尚无植物微弱电流检测的仪器。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种植物体内微弱电流检测放大器，该放大器实现对植物微弱电流信号进行放大采集，减少了高频及工频的干扰，具有信号调零***，可对信号进行补偿调零。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：它包括弱电流电压转换模块、滤波模块和放大模块；采集到的微弱电流信号经所述弱电流电压转换模块转换为弱电压信号后，传输至所述滤波模块内进行滤波处理，处理后的弱电压信号传输至所述放大模块内进行放大处理，实现对植物体内微弱电流信号的检测；所述弱电流电压转换模块包括运算放大器U1、电阻R1至电阻R7、滑动电阻R8、电容C1、电容C2和多路开关；采集到的微弱电流信号传输至所述运算放大器U1的反相端；所述电阻R1至电阻R4一端并联，另一端分别连接至所述多路开关的四个输入引脚，所述多路开关的四个输出引脚并联后连接至所述运算放大器U1的输出端，与所述运算放大器U1的输出端连接后作为所述弱电流电压转换模块的输出端；所述运算放大器U1的反相端还与所述电阻R1至电阻R4的并联端连接，且在所述电阻R1与所述多路开关第一输入引脚之间还与所述电容C1一端连接，所述电容C1另一端与所述多路开关的四个输出引脚并联；所述运算放大器U1的同相端经所述电阻R5接地，位于同相端与所述电阻R5之间与所述电阻R6一端并联，所述电阻R6另一端与所述电阻R7一端串联，所述电阻R6与所述电阻R7之间并联所述电阻C2后接地；所述电阻R7另一端与所述滑动电阻R8的滑动端连接；所述运算放大器U1的正、负电源引脚分别连接正、负12V电源，所述滑动电阻R8一端连接至所述运算放大器U1的负电源引脚，另一端连接至所述运算放大器U1的正电源引脚。

进一步，采集到的微弱电流信号经弱电流电压转换后输出的电压V_Out为：

V_Out＝-(I_in-I_b)·R

式中，I_in为输入微弱电流信号，I_b为所述运算放大器U1的偏置电流，R为反馈电阻，由所述电阻R1至电阻R4构成。

进一步，所述反馈电阻R值设定为1M欧姆到10G欧姆之间。

进一步，所述运算放大器U1采用超低输入偏置电流运算放大器AD549L，最大偏置电流为60fA。

进一步，所述滤波模块采用由电阻R9、电阻R10、电容C3、电容C4和运算放大器U2构成的二阶巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波；所述电阻R9一端与所述弱电流电压转换模块输出端连接，另一端经所述电阻R10与所述运算放大器U2的同相端连接；位于所述电阻R9与所述电阻R10之间与所述电容C3一端并联，所述电容C3另一端连接至所述运算放大器U2反向端；所述运算放大器U2的反相端与输出端并联后作为所述滤波模块的输出端；位于所述运算放大器U2的同相端与所述电阻R10之间并联所述电容C4后接地。

进一步，所述运算放大器U2采用精密运算放大器OP27。

进一步，所述滤波模块采用的截止频率为33Hz。

进一步，所述放大模块包括运算放大器U3、电阻R11至电阻R13、电容C5和滑动电阻R14；所述电阻R11一端与所述滤波模块输出端连接，另一端与所述运算放大器U3反相端连接，位于所述电阻R11与反相端之间还与所述电阻R12一端并联；所述电阻R12另一端与所述运算放大器U3输出端连接后作为所述放大模块的输出端，且位于所述电阻R12两端还并联有所述电容C5；所述运算放大器U3同相端经所述电阻R13接地；所述运算放大器U3的两偏移引脚之间连接有所述滑动电阻R14，所述滑动电阻R14的滑动端连接至正电源引脚。

进一步，所述运算放大器U3采用精密运算放大器OP27。

进一步，所述放大模块采用放大倍数为10倍，互阻放大倍数A为：

A＝V÷I_in′＝R′×10

式中，V为最终输出电压，I_in′为所述放大模块的输入信号，R′为所述运算放大器U3的反馈电阻，由所述电阻R12构成。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明可对大气电场中植物光合作用时体内所存在的微弱电流进行检测，实现了对植物微弱电流信号的放大与调理。2、本发明采用电阻反馈式电路对微弱信号进行转换放大，并用偏置电流极低的精密运放来转换，之后用精密运放对信号进行滤波与放大，使得信号放大器具有极高的精度与放大倍数，可将pA级的微弱电流信号放大为mV级的可用于采集的电压信号。3、由于光合作用和尖端放电都是变化缓慢且持续性的信号，因此，本发明对信号低通滤波，减少了高频及工频的干扰，较为适合植物弱电流信号采集的放大器。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的弱电流电压转换模块结构示意图；

图3是本发明的滤波模块结构示意图；

图4是本发明的滤波模块频率响应效果示意图；

图5是本发明的放大器结构示意图；

图6是本发明实施例中蓝光辐照诱导的向日葵电流信号示意图；

图7是本发明实施例中电压诱导的向日葵自身电流信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种植物体内微弱电流检测放大器，用于检测植物体内形成的微弱电流信号，其包括弱电流电压转换模块1、滤波模块2和放大模块3。采集到的微弱电流信号经弱电流电压转换模块1转换为弱电压信号后，传输至滤波模块2内进行滤波处理，处理后的弱电压信号传输至放大模块3内进行放大处理，实现对植物体内微弱电流信号的检测。

上述实施例中，如图2所示，弱电流电压转换模块1采用电阻反馈式电路结构，其包括运算放大器U1、电阻R1至电阻R7、滑动电阻R8、电容C1、电容C2和多路开关K。采集到的微弱电流信号传输至运算放大器U1的反相端；电阻R1至电阻R4一端并联，另一端分别连接至多路开关K的四个输入引脚1至4，多路开关K的四个输出引脚并联后连接至运算放大器U1的输出端，与运算放大器U1的输出端连接后作为弱电流电压转换模块1的输出端。运算放大器U1的反相端还与电阻R1至电阻R4的并联端连接，且在电阻R1与多路开关K第一输入引脚之间还与电容C1一端连接，电容C1另一端与多路开关K的四个输出引脚并联。运算放大器U1的同相端经电阻R5接地，位于同相端与电阻R5之间与电阻R6一端并联，电阻R6另一端与电阻R7一端串联，电阻R6与电阻R7之间并联电阻C2后接地；电阻R7另一端与滑动电阻R8的滑动端连接。运算放大器U1的正、负电源引脚分别连接正、负12V电源，滑动电阻R8一端连接至运算放大器U1的负电源引脚，另一端连接至运算放大器U1的正电源引脚。

其中，根据反馈放大原理，采集到的微弱电流信号经弱电流电压转换后输出的电压V_Out为：

V_Out＝-(I_in-I_b)·R

式中，I_in为输入微弱电流信号，I_b为运算放大器U1的偏置电流，R为反馈电阻，由电阻R1至电阻R4构成。

在一个优选实施例中，为了减小I_b对微弱电流信号的影响，应选择偏置电流极低的运算放大器，因此本发明的运算放大器U1采用超低输入偏置电流运算放大器AD549L，最大偏置电流为60fA，此外，还具有低失调漂移、低功耗和低输入电压噪声的特性。

在一个优选实施例中，本发明可通过改变反馈电阻R的大小来改变此转换的放大倍数，R值越大，其转换时信号放大倍数越大，由于植物信号的微弱性，R值设定为1M欧姆到10G欧姆之间，使用时可根据所测信号的大小进行选择；电容C1采用100pF的电容，进而抵消由同向端的电容C2形成电极性造成的不稳定。

上述各实施例中，如图3所示，滤波模块2采用由电阻R9、电阻R10、电容C3、电容C4和运算放大器U2构成的二阶巴特沃斯低通滤波器，进行低通滤波。电阻R9一端与弱电流电压转换模块1输出端连接，另一端经电阻R10与运算放大器U2的同相端连接；位于电阻R9与电阻R10之间与电容C3一端并联，电容C3另一端连接至运算放大器U2反向端。运算放大器U2的反相端与输出端并联后作为滤波模块2的输出端；位于运算放大器U2的同相端与电阻R10之间并联电容C4后接地。运算放大器U2的正、负电源引脚分别连接正、负12V电源。

其中，运算放大器U2采用精密运算放大器OP27。

在一个优选的实施例中，滤波模块2采用的截止频率为33Hz，如图4所示，理论上当信号频率低于8Hz时，可以全波通过，信号为50Hz左右时，只有百分之四十左右的信号通过。因此，本发明采用的滤波模块2对高频及工频干扰信号有很好的抑制作用。

上述各实施例中，如图5所示，放大模块3包括运算放大器U3、电阻R11至电阻R13、电容C5和滑动电阻R14。电阻R11一端与滤波模块2输出端连接，另一端与运算放大器U3反相端连接，位于电阻R11与反相端之间还与电阻R12一端并联。电阻R12另一端与运算放大器U3输出端连接后作为放大模块3的输出端，且位于电阻R12两端还并联有电容C5。运算放大器U3同相端经电阻R13接地。运算放大器U3的正、负电源引脚分别连接正、负12V电源，两偏移引脚之间连接有滑动电阻R14，滑动电阻R14的滑动端连接至正电源引脚。

其中，运算放大器U3采用精密运算放大器OP27对滤波后的信号进行放大，滤波和调零。

在一个优选实施例中，放大模块3采用放大倍数为10倍，互阻放大倍数A为：

A＝V÷I_in′＝R′×10

式中，V为最终输出电压，I_in′为放大模块3的输入信号，R′为运算放大器U3的反馈电阻，由电阻R12构成。

实施例1：为了测试植物光合作用时体内产生的微弱电流信号，以室内培养三周大小的向日葵幼苗为材料，用NI(Nat ional Instruments)公司的NI USB-6008(12位,10kS/s,多功能DAQ采集卡)对放大的信号进行采集，电极采用直径为0.5mm的铂金金属电极。采用波长为455到460nm的蓝色LED灯为光源对所测植物进行辐照，实测所检测叶片处接受的光密度为：50umol/(m2.s)；检测时将负电极***幼苗叶柄处，正电极***叶片主叶脉上，两电极距离3cm，在黑暗处对幼苗进行2S的蓝光辐照，所采集的信号如图6所示。由此可知，当用蓝光辐照幼苗叶片时，由于光合作用产生的光电效应，植物叶片释放电子，两电极间所产生的电流为pA级的微弱信号。

实施例2：为了检测改变植物自身电场对其本身微弱电流信号的影响，采用9V直流电压对向日葵幼苗进行刺激，以改变其自身电场，并对信号进行采集，得到如图7所示信号；采集卡与电极与实施例1中的相同，信号采集电极的负极置于幼苗茎下部，正极置于幼苗茎上部，两采集电极间相距10cm；刺激电极的正极接地，负极对植物最顶部单个叶片进行接触性电压刺激，两刺激电极间相距20cm。由图7可知，当给向日葵幼苗地上部分外部施加9V直流电压来诱导植物体内自身电场的变化时，向日葵幼苗体内产生了最大为uA级别的微弱电流信号。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：它包括弱电流电压转换模块、滤波模块和放大模块；采集到的微弱电流信号经所述弱电流电压转换模块转换为弱电压信号后，传输至所述滤波模块内进行滤波处理，处理后的弱电压信号传输至所述放大模块内进行放大处理，实现对植物体内微弱电流信号的检测；

所述弱电流电压转换模块包括运算放大器U1、电阻R1至电阻R7、滑动电阻R8、电容C1、电容C2和多路开关；采集到的微弱电流信号传输至所述运算放大器U1的反相端；所述电阻R1至电阻R4一端并联，另一端分别连接至所述多路开关的四个输入引脚，所述多路开关的四个输出引脚并联后连接至所述运算放大器U1的输出端，与所述运算放大器U1的输出端连接后作为所述弱电流电压转换模块的输出端；所述运算放大器U1的反相端还与所述电阻R1至电阻R4的并联端连接，且在所述电阻R1与所述多路开关第一输入引脚之间还与所述电容C1一端连接，所述电容C1另一端与所述多路开关的四个输出引脚并联；所述运算放大器U1的同相端经所述电阻R5接地，位于同相端与所述电阻R5之间与所述电阻R6一端并联，所述电阻R6另一端与所述电阻R7一端串联，所述电阻R6与所述电阻R7之间并联所述电阻C2后接地；所述电阻R7另一端与所述滑动电阻R8的滑动端连接；所述运算放大器U1的正、负电源引脚分别连接正、负12V电源，所述滑动电阻R8一端连接至所述运算放大器U1的负电源引脚，另一端连接至所述运算放大器U1的正电源引脚。

2.如权利要求1所述的一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：采集到的微弱电流信号经弱电流电压转换后输出的电压V_Out为：

V_Out＝-(I_in-I_b)·R

式中，I_in为输入微弱电流信号，I_b为所述运算放大器U1的偏置电流，R为反馈电阻，由所述电阻R1至电阻R4构成。

3.如权利要求2所述的一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：所述反馈电阻R值设定为1M欧姆到10G欧姆之间。

4.如权利要求1所述的一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：所述运算放大器U1采用超低输入偏置电流运算放大器AD549L，最大偏置电流为60fA。

5.如权利要求1所述的一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：所述滤波模块采用由电阻R9、电阻R10、电容C3、电容C4和运算放大器U2构成的二阶巴特沃斯低通滤波器进行低通滤波；所述电阻R9一端与所述弱电流电压转换模块输出端连接，另一端经所述电阻R10与所述运算放大器U2的同相端连接；位于所述电阻R9与所述电阻R10之间与所述电容C3一端并联，所述电容C3另一端连接至所述运算放大器U2反向端；所述运算放大器U2的反相端与输出端并联后作为所述滤波模块的输出端；位于所述运算放大器U2的同相端与所述电阻R10之间并联所述电容C4后接地。

6.如权利要求5所述的一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：所述运算放大器U2采用精密运算放大器OP27。

7.如权利要求5所述的一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：所述滤波模块采用的截止频率为33Hz。

8.如权利要求1所述的一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：所述放大模块包括运算放大器U3、电阻R11至电阻R13、电容C5和滑动电阻R14；所述电阻R11一端与所述滤波模块输出端连接，另一端与所述运算放大器U3反相端连接，位于所述电阻R11与反相端之间还与所述电阻R12一端并联；所述电阻R12另一端与所述运算放大器U3输出端连接后作为所述放大模块的输出端，且位于所述电阻R12两端还并联有所述电容C5；所述运算放大器U3同相端经所述电阻R13接地；所述运算放大器U3的两偏移引脚之间连接有所述滑动电阻R14，所述滑动电阻R14的滑动端连接至正电源引脚。

9.如权利要求8所述的一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：所述运算放大器U3采用精密运算放大器OP27。

10.如权利要求8所述的一种植物体内微弱电流检测放大器，其特征在于：所述放大模块采用放大倍数为10倍，互阻放大倍数A为：

A＝V÷I_in′＝R′×10

式中，V为最终输出电压，I_in′为所述放大模块的输入信号，R′为所述运算放大器U3的反馈电阻，由所述电阻R12构成。