阻抗測(cè)量方法在傳感器技術(shù)中的應(yīng)用

阻抗分析不僅僅包含簡單地將阻抗響應(yīng)特性與其理想特性相比較。阻抗頻譜法(IS)通常用于表征系統(tǒng)以及獲取有關(guān)系統(tǒng)的有價(jià)值信息。本文的目的是將系統(tǒng)從總體上定義為一個(gè)元件或者與電極有電接觸的材料。這種接觸可以是固體與固體(在許多化學(xué)傳感器的情況下)或者固體與液體(當(dāng)測(cè)量液體中某種成分的濃度時(shí))之間的界面。采用IS可以得到有關(guān)元件本身和元件與電極之間界面的信息。

IS的原理利用這樣的事實(shí)：如果給界面施加很小的電位，它就會(huì)極化。界面極化的方式與當(dāng)施加電位反轉(zhuǎn)時(shí)極化改變的速度相結(jié)合，可以表征界面的特性。對(duì)于系統(tǒng)界面，例如吸附和反應(yīng)速率常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)和電容等信息都可以得到。對(duì)于元件本身，有關(guān)其介電常數(shù)、電導(dǎo)率、電荷均衡遷移率、各成分濃度以及大量生成率和復(fù)合率等信息都可以估計(jì)出來。

系統(tǒng)或元件的等效電路模型是分析阻抗掃描所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。這種模型通常是所連接的電阻器、電容器和電感器的組合，以便模擬該系統(tǒng)的電特性。我們要找的模型要求在不同頻率下其阻抗要與測(cè)得的阻抗特性相匹配。在理想情況下，模型的元件和互連方式的選擇要用來表示特定的電化學(xué)特性，而且要符合該過程的物理特性?？梢圆捎梦墨I(xiàn)中已有的模型，也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立一種新模型。

在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立模型的情況下，要在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/測(cè)量">測(cè)量數(shù)據(jù)之間找到最佳匹配。因?yàn)槟Ｐ椭械脑灰欢偸欠想娀瘜W(xué)工藝的物理特性，所以可以單獨(dú)構(gòu)建模型以便得到最佳匹配。通過逐步增大或減小元件的阻抗直至得到最佳匹配，便可以建立起經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。通常根?jù)非線性最小二乘法擬合(NLLS)原理來完成建模。借助于計(jì)算機(jī)，利用NLLS算法先初步估計(jì)模型參數(shù)，然后逐步改變每個(gè)模型參數(shù)，并評(píng)估產(chǎn)生的擬合結(jié)果。采用軟件迭代處理直至找到可以接受的最佳擬合結(jié)果。

圖3. 用于腐蝕分析的常用等效電路

數(shù)據(jù)分析和等效電路模型都應(yīng)當(dāng)非常小心的對(duì)待，而且要進(jìn)行盡可能多的模型驗(yàn)證。雖然通過增加元件幾乎總可以建立一個(gè)非常合適的模型，但是這樣并不能認(rèn)為它就代表了系統(tǒng)的電化學(xué)工藝。一般說來，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)該采用盡可能少的元件，而且應(yīng)當(dāng)盡可能采用基于系統(tǒng)電化學(xué)工藝?yán)碚摶A(chǔ)的物理模型。

另外，通?？梢越⒕哂邢嗤杩固匦缘脑S多不同的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。雖然可能得到一個(gè)很好的最小二乘法匹配模型，但仍然有可能得到不能代表該物理系統(tǒng)的不恰當(dāng)模型。還有可能NLLS擬合算法對(duì)測(cè)量特性有部分遺漏或者沒有收斂。這是因?yàn)楹芏嗨惴ǘ荚噲D在整個(gè)頻譜范圍內(nèi)優(yōu)化擬合曲線，所以有可能漏掉了頻譜中某些特定頻率點(diǎn)上不好的擬合數(shù)據(jù)。

腐蝕分析是采用IS法表征系統(tǒng)特性的常見應(yīng)用，也是一個(gè)很好的實(shí)例。金屬的腐蝕(例如鋁和鋼)是許多行業(yè)中的重大安全考慮因素。如果不重視的話，它會(huì)導(dǎo)致金屬壽命過早結(jié)束。自動(dòng)監(jiān)視腐蝕的能力能顯著節(jié)省成本，具有安全和可靠性優(yōu)勢(shì)，而且有助于最佳化預(yù)防性地維護(hù)系統(tǒng)。

除了確定腐蝕的程度，通過監(jiān)測(cè)腐蝕的速率還有可能預(yù)測(cè)金屬疲勞。產(chǎn)生金屬疲勞后，在小裂縫出現(xiàn)的地方會(huì)從有彈性變?yōu)闆]有彈性。這些裂縫是新的，但是腐蝕速率相當(dāng)?shù)乜?，而且裂紋擴(kuò)展的速率以及隨后的腐蝕代表了金屬疲勞的程度。早期鑒定腐蝕的方法，特別是在很難達(dá)到且無法看到的位置，可以防止或者減慢嚴(yán)重腐蝕的破壞。它還可以用于幫助在現(xiàn)實(shí)條件下鑒定不同的保護(hù)涂層。

下面是根據(jù)物理學(xué)知識(shí)和腐蝕期間發(fā)生的電化學(xué)工藝過程建立的一種腐蝕過程等效電路模型。常用于腐蝕監(jiān)視的等效電路用一個(gè)電阻器(Rp)和電容器(Cp)相并聯(lián)再與一個(gè)電阻器Rs相串聯(lián)表示。

在模型A中電阻器Rs表示金屬所在的溶液，而電容Cc表示金屬表面的保護(hù)涂層或涂料，這表示初始涂層的電容。經(jīng)過一段時(shí)間后，水滲入涂層中形成新的液體和金屬界面。隨著金屬的腐蝕，通過溶液與金屬之間的保護(hù)涂層形成離子導(dǎo)電路徑。這可以用Rx與Cc并聯(lián)模型來表示。另外，有些模型(模型B)還有一個(gè)附加的R和C并聯(lián)起來再與Rx串聯(lián)的電路來表示金屬保護(hù)涂層隨著時(shí)間變化的分層模型。

金屬所在的溶液的電阻率或電導(dǎo)率通常是已知的或者很容易獲得，所以可以得到Rs。還可以得到Cp的值，因?yàn)榭梢杂杀Ｗo(hù)涂層的介電常數(shù)(通常由廠商提供)及其覆蓋的面積計(jì)算得到。然后就是求解RX以便確定腐蝕的程度。通常通過曲線擬合算法得到測(cè)量阻抗特性數(shù)據(jù)的最佳擬合來解決這個(gè)問題。波特圖也是很常用的方法，它根據(jù)其阻抗頻率響應(yīng)和相位頻率響應(yīng)來檢測(cè)腐蝕傳感器的特性。

IS法不僅僅限于腐蝕分析，還可以用于表征多種電化學(xué)系統(tǒng)。例如，它可以用于優(yōu)化燃料電池性能，預(yù)測(cè)電池健康狀況，檢查液體中某種成分的濃度以便確定其質(zhì)量，還可以表征某種材料的電化學(xué)性能。

優(yōu)化電路設(shè)計(jì)

等效電路模型一旦確定，就必須設(shè)計(jì)電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來完成頻率掃描和獲取數(shù)據(jù)。這通常是一項(xiàng)既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)的工作，需要不可或缺的電子學(xué)知識(shí)以便優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)的電路必須能在有用的范圍內(nèi)以要求的分辨率產(chǎn)生頻率掃描。在許多電化學(xué)系統(tǒng)中必須避免采集到的數(shù)據(jù)受到電化學(xué)工藝本身的干擾。所以通常采用小的AC信號(hào)，并且還很重要的一點(diǎn)就是不能在系統(tǒng)中引入DC電位差，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的電化學(xué)反應(yīng)。然后必須用ADC采集系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)頻率的響應(yīng)。在有些設(shè)計(jì)中需要兩個(gè)ADC分別用于捕獲激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)。這是很復(fù)雜的，因?yàn)樾枰獌蓚€(gè)ADC同步采樣以便檢測(cè)出信號(hào)之間的相位變化。

AD5933就是一種典型的集成電路芯片，它提供可編程頻率掃描發(fā)生器和集成的ADC，該ADC可以與激勵(lì)頻率一起工作來獲取響應(yīng)信號(hào)。另外，整個(gè)系統(tǒng)必須保持線性。換句話說就是系統(tǒng)的總帶寬必須足夠而且信號(hào)大小也要足夠才能得到好的測(cè)量結(jié)果，但是信號(hào)又不能太大以至于超過ADC或其它元件的量程而引起失真。因?yàn)榇郎y(cè)元件阻抗范圍通常未知，所以通常最開始需要做一些反復(fù)試驗(yàn)來優(yōu)化系統(tǒng)并且確保它的線性特性。將響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后，通常將數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行下一步的分析。

最新的解決方案，例如AD5933，在送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理之前提取了響應(yīng)信號(hào)的實(shí)部和虛部，在芯片內(nèi)完成了大量的分析。這樣大大減輕了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，并且提高了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/模擬信號(hào)">模擬信號(hào)處理電路經(jīng)過優(yōu)化與其它的功能模塊配合工作。應(yīng)當(dāng)特別注意的是，在使整個(gè)系統(tǒng)保持線性的同時(shí)，模擬信號(hào)的測(cè)量結(jié)果要經(jīng)過驗(yàn)證，否則盡管計(jì)算機(jī)能輕易提供4位或高于4位的精度，最終結(jié)果還是會(huì)有偏差。精心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證以獲得有效的測(cè)量是提高最終結(jié)果精度的關(guān)鍵。