本申請涉及傳感器應用電路領域，更具體地說，是一種應用于電流輸出型光電傳感器的補償方法。該方法更適用于電流輸出型光電倍增管。

背景技術：

目前應用于流式細胞儀、化學發(fā)光免疫分析儀等儀器的光電傳感器主要采用光電倍增管。光電倍增管輸出方式分為脈沖型輸出和電流型輸出兩種，分別對應光電倍增管的正高壓和負高壓驅動方式。

光電倍增管計數(shù)用法廣泛應用于酶促化學發(fā)光免疫分析儀，但是對于激發(fā)光光強較強，輸出動態(tài)范圍寬的場合并不適用。光電倍增管負高壓用法(陽極接地)靈敏度相對較低，動態(tài)范圍更廣，適用于光強較強的應用。光電倍增管負高壓用法原理如圖7所示，陽極負載電阻RL一般在是變換電路本身，在本申請中RL為對數(shù)放大器。

傳統(tǒng)信號檢測電路使用線性放大器，線性放大器靈敏度受限于模擬數(shù)字轉換器精度、運算放大器噪聲和運算放大器精度。使用分段放大檢測增加了電路一致性要求，也提高了軟件的要求，且這種方法對放大器前級噪聲要求很高，增加了系統(tǒng)成本。

使用對數(shù)放大器的對數(shù)壓縮特性可以大大拓寬電路檢測范圍，信號檢測靈敏度不再受限于模數(shù)轉換器的精度，能保證大動態(tài)范圍數(shù)據(jù)轉換的信噪比相當。但是也受限于對數(shù)曲線壓縮，在輸入小于某個數(shù)值情況下，電路輸出負飽和。因此對數(shù)放大器低輸入時靈敏度過高，對傳感器低值輸入范圍要求較高。對數(shù)放大器一致性調試困難，對使用溫度敏感。對數(shù)放大器也稱對數(shù)轉換器、對數(shù)電路。

對數(shù)放大電路壓縮曲線個體間一致性存在偏差，影響小信號測量結果。光電倍增管在實際應用環(huán)境中，當陽極靜態(tài)電流位于對數(shù)曲線的合適范圍時，傳感器差異并不會造成對數(shù)放大器負飽和，對輸出結果影響較小。

光電倍增管現(xiàn)生產工藝主要采用手工制作的方法，且光電倍增管成品前，參數(shù)無法做到精確控制，個體間參數(shù)差異大。只能通過對成品管進行篩選，保證光電倍增管參數(shù)范圍。篩選的方式大大降低了光電倍增管的成品率，增加了成本。

現(xiàn)有技術補償辦法中，專利號CN102012370A提出一種應用于原子熒光檢測的光電倍增管電流補償辦法，該方案并不適用與本免疫分析系統(tǒng)。具體原因是該方案使用線性放大器，且電路方案提到的補償辦法并不適用本系統(tǒng)，具體原因見具體實施方式。

根據(jù)上述中存在的問題，本發(fā)明提出了光電倍增管陽極電流補償方法，該方法通過光電倍增管和外電路匹配，降低光電倍增管指標一致性需求。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述技術問題：本發(fā)明提出一種適用于電流輸出型光電倍增管的補償系統(tǒng)，包括：光電倍增管、轉換器，所述光電倍增管與轉換器連接，其特征在于：還包括具有高阻特性的補償電路，所述補償電路與所述光電倍增管并聯(lián)連接，能夠輸出雙極性補償電流，所述補償電流大小與所述光電倍增管、轉換器相匹配。

可優(yōu)選的，所述補償電路包括可變電流源，且該電流源輸出具有雙極性輸出能力。恒溫且?guī)щ姶牌帘螒铆h(huán)境使所述補償電路穩(wěn)定。

可優(yōu)選的，所述光電倍增管包括電流輸出型光電倍增管，即負高壓用法，所述光電倍增管增益包括固定增益或可調節(jié)增益；所述光電倍增管包括光電倍增管單管或光電倍增管模塊。

可優(yōu)選的，所述轉換器輸入端為電流輸入，轉換器的輸入端電勢接近或等于放大電路參考地電勢；所述轉換器包括對數(shù)放大器或放大電路對傳感器靜態(tài)電流要求高的場合。

放大電路輸入端電勢接近放大電路參考地，所以電流等于參考源和地施加在高值電阻產生的電流。

可優(yōu)選的，所述轉換器是一種輸入和輸出特性曲線是對數(shù)曲線的電路，利用所述轉換器能夠拓寬信號檢測電路的動態(tài)范圍，在寬動態(tài)范圍下檢測精度不受模數(shù)轉換器精度影響。

可優(yōu)選的，所述補償電路包括可調節(jié)的電壓源和高值電阻，所述可調節(jié)的電壓源包括參考電壓源和電位器，所述可調節(jié)的電壓源由電位器對參考電源進行分壓調節(jié)，分壓后通過高值電阻輸送到光電倍增管的陽極，對光電倍增管進行電流補償。

可優(yōu)選的，所述參考電壓源為具體正負兩個極性的電源，所述電位器與所述兩個極性的電源串接，所述兩個極性的電源中間連接點接地。

光電倍增管靜態(tài)電流輸出個體差別較大，補償電路提供補償電流，與光電倍增管靜態(tài)電流疊加，以致于對數(shù)放大電路靜態(tài)電流輸入恒定，達到選擇對數(shù)放大器合適工作區(qū)間的目的。

保證系統(tǒng)運行在恒溫，電磁屏蔽的環(huán)境下。首先調節(jié)光電倍增管靈敏度一致。再通過理論計算調節(jié)或手動調節(jié)補償電路，保證無光照時多個光電倍增管輸出一致，且輸出在對數(shù)放大電路合適工作區(qū)間。

本申請?zhí)峁┮环N免疫分析儀，包含上述信號檢測及補償電路或補償方法。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有對數(shù)放大器用于光電倍增管信號檢測應用；

圖2是對數(shù)放大器輸入輸出特性；

圖3是本申請原理圖框圖的一種優(yōu)選的示意圖；

圖4是本申請補償電路原理框圖的一種優(yōu)選的示意圖；

圖5是本申請系統(tǒng)工作流程圖的一種優(yōu)選的示意圖；

圖6專利CN102012370A中的原理框圖；

圖7光電倍增管負高壓原理。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述，有必要在此指出的是，以下具體實施方式只用于對本發(fā)明進行進一步的說明，不能理解為對本發(fā)明保護范圍的限制，該領域的技術人員可以根據(jù)上述

技術實現(xiàn)要素：
對本發(fā)明作出一些非本質的改進和調整。

下面將結合附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明。

化學發(fā)光法免疫分析儀，在光電倍增管高壓供電為850V的情況下，信號高值光電倍增管最大輸出電流約為200uA；但是在低值空白液中，光電倍增管最大輸出電流只有1nA。

檢測電路靈敏度:

傳感器輸出動態(tài)范圍為106dB，因此傳感器檢測電路檢測范圍應該大于106dB。使用傳統(tǒng)線性轉換電路，檢測精度局限于模數(shù)轉換器精度。24位模數(shù)轉換器理論最大只能達到144.5dB動態(tài)范圍，意味著在輸入空白液的時候，系統(tǒng)具有38.5dB的精度，免疫分析儀許多測試項目低值對于臨床診斷意義重大，且小信號容易受干擾，不利于傳輸。因此線性轉換電路并不適用本系統(tǒng)。

本申請在寬動態(tài)范圍檢測技術的前提前下，當前寬動態(tài)范圍信號檢測方法主要有分段檢測法和對數(shù)變換法。分段檢測法由于多個放大器難做到完全一致，且同時驅動多個ADC多個變換器會給軟件帶來更大開銷，也增加硬件成本。對數(shù)變換法成本相對較低，在模擬前端進行對數(shù)轉換，有利于提高電路信噪比。經過AD轉換后，再采用數(shù)字算法進行指數(shù)變換將信號還原。對數(shù)放大器容易受溫度影響，所以需要設計溫度補償電路，且恒溫環(huán)境工作。溫度對光電倍增管暗電流影響比較大，所以系統(tǒng)測量單元使用恒溫環(huán)境。

圖1是對數(shù)放大電路應用于寬動態(tài)范圍檢測應用。包括電流型光電倍增管1、對數(shù)放大器2。

使用對數(shù)放大器的對數(shù)壓縮特性可以大大拓寬電路檢測范圍，信號檢測靈敏度不再受限于模數(shù)轉換器的精度，能保證大動態(tài)范圍內數(shù)據(jù)轉換的信噪比相當。輸入輸出特性如圖2所示。

本案例中的對數(shù)放大器輸入輸出函數(shù)為：Y＝0.582*ln(X)+6，由上述公式中Y是對數(shù)放大器輸出電壓單位為V，X是輸入電流單位uA。當X小于3.335*10-5uA時，輸出為負值，當對數(shù)放大器后端連接的采集電路為單極性工作時，要求輸入大于3.335*10-2nA。且對數(shù)放大器在輸入很小的情況下，電路靈敏度極高。光電倍增管容易受外界干擾，如磁場、溫度影響輸出，在輸出很低的時候，對數(shù)放大器靈敏度太高會造成輸出波動較大。對數(shù)放大器輸出電壓正負來回跳動時，會增加后端信號處理電路要求。且在實際應用中發(fā)現(xiàn)，免疫分析系統(tǒng)的低值檢測并不需要這么高靈敏度，傳感器靈敏度過高會帶來不穩(wěn)定因素。

專利CN102012370A中提出一種提高原子熒光檢測性能的電路系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，該方法通過增加一個電流補償器，通過調節(jié)補償器改變放大器的參考電位，并和光電倍增管在空白液本底及雜散光信號保持平衡，使輸出為零。從而提高電路靈敏度。但是該方法并不適用于本系統(tǒng)，因為在免疫分析儀中，儀器空白液本底受試劑批次影響，空白液本底信號不穩(wěn)定。且空白液本底很低，不存在原子熒光中雜散光較大的特點。在免疫分析儀中，輸出信號動態(tài)范圍較大，線性放大器難以實現(xiàn)寬動態(tài)范圍信號檢測。

專利CN102012370A中提到的補償辦法中提到的補償電路，補償方法框圖如圖6所示。電路實際是一個電壓差動放大器，方案通過電位器改變運算放大器同向輸入端補償電勢Vb，從而使輸出Vo＝A×(Vi-Vb)，其中Vi為光電倍增管輸出電壓，A是電路放大倍數(shù)。

本方案使用的PMT負高壓用法，因此PMT陽極輸出為電流輸出。對數(shù)放大器需要使用晶體管PN結對數(shù)伏安特性，所以對數(shù)放大器為電流輸入。前級放大電路進行多次電流電壓轉換會增加電路噪聲，且使用多個放大器會增加系統(tǒng)誤差。專利CN102012370A中提出的補償方法適用于電壓模型電路，并不適用與本系統(tǒng)。

根據(jù)上述中存在的問題，因此本申請?zhí)峁┝艘环N補償方法，可以用于穩(wěn)定對數(shù)放大器輸出范圍。

如圖3是本申請方案原理框圖，包括光電倍增管3、補償電路4、對數(shù)放大器5。如圖中所示光電倍增管陽極輸出連接到對數(shù)放大器輸入端，補償電路輸出與對數(shù)放大器輸入端相連，即光電倍增管輸出，對數(shù)放大器輸入，補償電路輸出連接到同一個節(jié)點中。

補償電路是一個可變恒流源，恒流電路如圖4所示。恒流源包括：可調節(jié)的電壓源7、高值電阻8?？烧{節(jié)的電壓源包含參考電壓源6和電位器7，可調節(jié)的源由電位器對參考電源分壓產生。恒流源需要具有雙極性補償能力，當光電倍增管暗電流小于放大電路設計最低輸入時，恒流源提供方向與PMT電流方向一致的電流。當光電倍增管暗電流大于放大電路最低時，恒流源提供與PMT電流方向相反的補償電流。因此電位器兩端需連接正負兩個極性的電源。

高值電阻的作用是將可調節(jié)的電壓源的電壓信號轉換為電流信號，由于對數(shù)放大電路輸入端電勢接近放大電路參考地電勢，所以補償電流等于可調節(jié)電壓源和地施加在高值電阻產生的電流。由于高值電阻的電阻值遠大于電位器電阻值，所以電位器滑動端子的電壓可以等效為可調電壓源。高值電阻保證了信號輸入端輸入阻抗一致，也體現(xiàn)了電流源的高阻特性。本申請的電路保證光電倍增管在增益一樣情況下，輸入對數(shù)放大器的靜態(tài)電流一致。補償電流為式中V_B為電位器滑動端電壓，R_B為高值電阻阻值。

在實際使用中，PMT工作電壓介于850～900V，PMT在免疫發(fā)光系統(tǒng)獲得較高的低值靈敏度和足夠寬的動態(tài)范圍。對數(shù)放大器輸出電壓在1.2V時，電路可以獲得較好的穩(wěn)定性和檢測靈敏度，此時對數(shù)放大器輸入為0.262nA。

對數(shù)放大器壓縮率為對數(shù)放大器函數(shù)微分，所以本方案采用的對數(shù)放大器壓縮率為:當輸入為0.262nA時，對數(shù)放大器靈敏度仍有2.22V/nA，精度完全滿足方案要求。

對數(shù)放大器輸入電流：I_AMP＝I_PMT-I_B，其中IAMP是對數(shù)放大器輸入電流，IPMT是光電倍增管固定增益暗電流，I_B是補償電路補償電流。

當PMT在850V工作時，假設此時PMT暗電流輸出為0.8nA，則需要補償0.538nA電流。補償電阻為1GΩ，則需要調節(jié)可調參考源到0.538V可使對數(shù)放大器靜態(tài)輸出1.2V；假設此時PMT暗電流輸出為0.12nA，則需要補償-0.142nA電流。補償電阻為1GΩ，則需要調節(jié)可調參考源到-0.142V可使對數(shù)放大器靜態(tài)輸出1.2V。

對數(shù)放大器在光電倍增管最大輸出200uA時，電路靈敏度為2.91×10^-6V/nA。而在在空白試劑信號輸出1.262nA時，電路靈敏度為0.461V/nA。最大和最小靈敏度相差1.58×10⁵倍，對數(shù)放大器利用對數(shù)曲線壓縮特性，保證了寬動態(tài)范圍內，信號靈敏度隨信號強度增大而減小。對數(shù)放大器保證了模數(shù)轉換器誤差與信號強度屬于相同數(shù)量級，因此對數(shù)放大器廣泛用于寬動態(tài)信號檢測。

本申請工作流程如圖5所示，首先調節(jié)光電倍增管增益一致；再調節(jié)光電倍增管補償電流，選擇對數(shù)放大器合適工作區(qū)間；光電倍增管輸出信號對數(shù)轉換并轉換為數(shù)字信號；再通過MCU進行指數(shù)變換，指數(shù)變換是電路對數(shù)壓縮的逆過程，可以使信號還原為線性。指數(shù)變換公式如下所示，式中e為自然底數(shù)。X為PMT對數(shù)放大器輸入電流，單位uA。Y為對數(shù)放大器輸出電壓，單位V。

指數(shù)變換公式如下所示：儀器測量結果需要減背景信號得到溶液發(fā)光強度，背景信號是儀器測量單元背景雜散光信號值,需要在無發(fā)光時刻，對PMT輸出信號取多個點平均值。

本申請應用電路調節(jié)過程如下：在保證外環(huán)境溫度恒定情況下，使用恒定光源和皮安表調整多個PMT靈敏度一致。

將PMT安裝于暗環(huán)境中，保證外環(huán)境溫度恒定，待PMT輸出穩(wěn)定，使用皮安表測量PMT輸出電流，并通過計算得出補償電流大小。再通過計算結果調節(jié)補償電路電流大小，使補償電路電流大小與PMT匹配從而達到減少PMT個體差異的目的。

也可以通過手動調節(jié)方式選擇補償電路電流大小。在PMT工作環(huán)境環(huán)境恒定狀況下，傳感器輸出位于對數(shù)放大器特定的工作區(qū)間。

以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。