CN101871974A - 一种阻抗谱的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种阻抗谱的测量方法，其测量步骤为：在待测体系上施加一个恒定电压，同时采集其电流响应，在所采集的电流响应达到一个稳定值的时候，将施加在测试体系上的电压迅速升到另外一个值，同时以一定的采样率采集电流响应。对所采集的电流响应进行数字微分和傅里叶变换，即可计算出待测体系的阻抗谱。该方法所需要的测试仪器非常简单，价格低廉，且测量速度非常之快，可以在1秒钟以内测量100KHz～1Hz范围内的阻抗谱。因此该测量方法非常适合于阻抗传感器，各种电池以及超级电容等阻抗谱的快速测量、实时监测等实际应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及一种阻抗谱的测量方法。
背景技术
阻抗谱尤其是电化学阻抗谱是一种非常重要的测试表征方法，广泛地应用于电池，腐蚀与防护，材料表征，电分析等众多科研和工业生产领域。阻抗谱的测量经过几十年的发展不断成熟与完善。目前最为通用的测试方法基于频响分析(FRA)技术的方法，其基本原理是在待测体系上施加一个一定频率的小振幅正弦波，同时测定待测体系两端的电压和流过待测体系的电流，然后根据数字相关的原理或者借助于FFT来计算对应的阻抗值和相位值。
虽然基于FRA的阻抗测试方法准确度高，可测量的频率范围和阻抗范围都很宽，抗噪音能力也很强，但该方法也有几个很大的缺点。首先，该方法所需要的测试仪器非常之复杂，价格昂贵，这使得阻抗谱仅仅局限于实验室表征之用，很难广泛应用于实际生产监控及日常例行分析。此外，基于FRA的阻抗测试速度非常之慢，尤其是在测试频率范围下限很低的时候，因此该方法不适合需要快速测量但对精度要求不是那么高的例行分析场合，也不适合需要动态测量阻抗谱的场合。
这两个方面的局限性已经在很多领域表现出来。如在基于阻抗谱的生物传感器领域，阻抗生物传感器的最终目的是将其应用于疾病的快速诊断，食品安全监控，环境监测等等。然而阻抗测试仪器如此高昂的价格直接使得该目标难以实现，此外基于FRA的阻抗测试方法速度很慢，很难实现并行测试，这进一步限制了该方法向实际用方向发展。又如在电化学研究中，最近已经有相当多的研究工作者提出动态阻抗谱的概念，他们指出阻抗谱发展的下一个方向是动态阻抗谱与局部阻抗谱。基于FRA的方法只能测量稳态阻抗谱，无法测定动态阻抗谱。因此，研究一种快速，简单的阻抗测量方法具有很重要的科学意义和实用价值。
实际上除了FRA的阻抗测量方法外，还有一类被称为时域方法的阻抗测量方法。该类方法的特点就是测试速度非常之快，可以满足上面提到的速度方面的要求。但这类方法所需要的仪器也都非常的复杂昂贵，将其应用于民用终端产品在成本方面将会有很大压力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有阻抗谱测量方法的缺陷，提供一种阻抗谱的测量方法，实现在极短的时间内测量很宽频率范围的阻抗谱，同时可以大大简化所需的测试仪器，降低仪器成本。
本发明的阻抗谱的测量方法包括如下步骤：
(1)在待测体系上施加一个恒定电压E0，同时每隔0.1s采集一次响应电流；
(2)在步骤(1)中所述电流响应达到一个稳定值的时候，记录下此稳定电流值，同时将施加在测试体系上的电压在1us内迅速升到另外一个电压值E1，其电压阶跃幅度为ΔE＝|E2-E1｜；
(3)在步骤(2)中所述电压阶跃触发的同时以Fs为采样率采集电流响应I(t)；
(4)对所采集的电流I(t)进行数字微分；
(5)利用傅里叶变换根据
计算出待测体系的阻抗谱，其中F表示FFT。
本发明的阻抗谱的测量方法也可以采取如下步骤：
(1)在待测体系上施加一个恒定电流I0，同时每隔0.1s采集一次响应电压；
(2)在步骤(1)中所述电压响应达到一个稳定值的时候，记录下此稳定电压值，同时将施加在测试体系上的电流在1us内迅速升到另外一个电流值I1，其电流阶跃幅度为ΔI＝|I2-I1｜；
(3)在步骤(2)中所述电流阶跃触发的同时以Fs为采样率采集电压响应E(t)；
(4)对所采集的电压E(t)进行数字微分；
(5)利用傅里叶变换根据
计算出待测体系的阻抗谱，其中F表示FFT。
由于采用上述技术方案，本发明提供的阻抗测量方法具有如下的有益效果：
1.大大提高阻抗谱测量速度，理论上如果本测量方法数据采集系统的采样速率为Fs，总采样时间为T，总采样点数为N，则可以测量的阻抗范围为1/T～Fs/2。如果Fs＝200Ksps，T＝1s，N＝200K，则在此1s的时间内便可测量从1Hz～100KHz这个频率范围内的阻抗谱。而传统FRA方法则需要3～4分钟。
2.该方法可以大大简化阻抗测量仪器，本方法所需要的阻抗测量系统只需要一个高速的电压/电流控制系统以及一个高速度，高分辨率的数据采集系统即可。一个带高速ADC和DAC的混合信号单片机配合几个运放即可胜任。
3.由于该测量方法所需要的仪器简单，价格低廉，使得基于该阻抗测量方法的仪器更有可能运用于实际生产监控及日常例行分析。
四、附图说明
图1是本发明基于阶跃响应的阻抗谱的测量方法原理示意图；
图2是本发明阻抗谱的测量方法步骤示意图；
图3是实际水溶液中的电化学体系测得电压阶跃响应示意图；
图4是对图3测得的电压阶跃响应的微分及其经FFT后得到的阻抗谱；
图5是用传统方法测试图3所述的水溶液中的电化学体系得到的阻抗谱。
具体实施方式
1.阻抗测量的基本原理
首先假设待测系统是一个线性时不变系统，对于大多数体系该假设在电压/电流扰动幅度很小的时候是成立的。对于任意一个线性时不变系统，系统的输出和输入之间的关系可以用这个系统的传输函数来定量描述。而一个系统的阻抗谱正是电压和电流之间的传输函数，因此，只要能测出一个系统对电压或者电流的传输函数，便可得到该系统的阻抗谱。在信号处理领域，表征一个系统传输函数的方法是测定一个系统的单位脉冲响应。然而单位脉冲只是理论上的一个数学表达式，无法在实际模拟电路中产生。在数学上如果对一个单位脉冲函数进行积分，便可得到一个单位阶跃函数，该函数是可以在实际电路中长生，并施加到待测体系的。对于一个线性是不变系统，将一个单位阶跃函数施加到待测体系，然后再将响应信号予以微分，最终得到结果是与将单位脉冲函数直接施加到待测体系等同的(如图1所示)。在实际测量中，在得到阶跃响应后只需要按照图2所示的步骤对数据进行处理便可得到系统的阻抗谱。
2.阻抗测量的实际方法
这里以一个实际水溶液中的电化学体系，采用电压阶跃的方式为例来说明。测试仪器使用普通加法式的恒电位仪，铂片为对电极，饱和甘汞电极为参比电极，ITO玻璃为工作电极。测试前，首先测试体系的开路电位，然后将开路电位施加在该待测体系上，并每隔0.1秒钟采集一次电流响应。1秒钟后开始比较新采集的10个点的值，如果这10个点的值已经没有明显的差异，就可以认为电流已经达到了稳态。此时记录下这10个点的平均值，并触发电位阶跃以及高速电路采集。电位阶跃的幅度为10mV，电流采集的速率为200Ksps，采样时间视仪器的RAM容量以及所需要测试的频率范围下限而定。假设仪器RAM为64KB，采样0.1s即可占用40KB的容量。按照这个步骤测试得到的实验结果如图3所示。
在得到图3所示的电压阶跃响应之后，需要将其微分，以便得到其对应的单位脉冲响应。由于实际测试中会不可避免会受到噪音的干扰，而噪音会严重影响最终的结果，所以有必要对噪音进行处理。本发明中所采用的处理噪音的方法是变窗宽移动平均平滑，该平滑方法与常规移动平均平滑的不同之处在于，随着平均窗口的移动，其窗宽从1到N/10按对数规律增加。该处理方法的优点在于既可以保持阶跃初始阶段信号不变，同时又可以大大衰减其余部分的噪音水平。
对图3所示的电压阶跃做微分处理的结果如图4所示，进一步做傅里叶变换按照本发明所述公式即可实现对阻抗谱的测量。在本测试中，电流信号的采样速率为200Ksps，总采样时间为0.1s，总数据点数为20K。最终得到的阻抗谱频率范围为10Hz-100KHz，测试时间仅仅为0.1s，加上测试前等待系统平衡的时间一共才几秒钟。完全按照上述方法，对不同的体系进行测试，同时也用传统的FRA方法进行测试，其结果如图5所示。通过比较可发现，这两种方法得到的结果基本一致。
上述实施例是以电压阶跃作为激发信号，以电流作为响应信号来进行阻抗谱的测量的。其对应的以电流阶跃作为激发信号，以电压作为响应信号的测量方法在测量步骤上与上述实施例完全形同，只是在计算的时候要分别按照第三部分发明内容中所述对应的公式进行计算。
Claims (2)
1.一种阻抗谱的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在待测体系上施加一个恒定电压E0，同时每隔0.1s采集一次响应电流；
(2)在步骤(1)中所述电流响应达到一个稳定值的时候，记录下此稳定电流值，同时将施加在测试体系上的电压在1us内迅速升到另外一个电压值E1，其电压阶跃幅度为ΔE＝|E2-E1｜；
(3)在步骤(2)中所述电压阶跃触发的同时以Fs为采样率采集电流响应I(t)；
(4)对所采集的电流I(t)进行数字微分；
(5)利用傅里叶变换根据
计算出待测体系的阻抗谱，其中F表示FFT。
2.一种阻抗谱的测量方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)在待测体系上施加一个恒定电流I0，同时每隔0.1s采集一次响应电压；
(2)在步骤(1)中所述电压响应达到一个稳定值的时候，记录下此稳定电压值，同时将施加在测试体系上的电流在1us内迅速升到另外一个电流值I1，其电流阶跃幅度为ΔI＝|I2-I1｜；
(3)在步骤(2)中所述电流阶跃触发的同时以Fs为采样率采集电压响应E(t)；
(4)对所采集的电压E(t)进行数字微分；
(5)利用傅里叶变换根据
计算出待测体系的阻抗谱，其中F表示FFT。
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