CN107209152B - 使用多频率电感性感测进行频谱材料分析 - Google Patents

使用多频率电感性感测进行频谱材料分析 Download PDF

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Abstract

在所描述实例中，可使用一种多频率电感性感测系统(10)基于电阻抗图谱法对导电目标材料(30)进行频谱材料分析。可以多个传感器激励频率(ω)用激励电流来驱动电感性传感器(14)以将时变磁场(16)投射到所述目标材料的表面(31)上的感测区域(19)中，从而在所述目标材料内感应出涡电流。所述电感性传感器可由传感器阻抗Z(ω)表征，所述传感器阻抗Z(ω)为所述传感器激励频率(ω)与所述所得所感应涡电流的函数。可基于所述所感应涡电流而确定所述多个传感器激励频率(ω)下的多个传感器阻抗Zs(ω)测量值，所述多个传感器阻抗Zs(ω)测量值表示所述目标材料的电磁性质(例如电容率ε、磁导率μ及电阻率ρ)。可针对特定目标穿透深度(t)选择所述多个传感器激励频率(ω)与对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值。

Description

使用多频率电感性感测进行频谱材料分析
本发明一般来说涉及材料的频谱分析，且更明确地说涉及基于电阻抗图谱法进行的材料分析。
背景技术
电阻抗图谱法是基于材料的随所施加电磁辐射的频率而变的电阻抗而分析材料性质的方法。电阻抗图谱法的应用包含化学应用(例如检测食物中的细菌生长)及医学应用(例如用于组织及血液分析)。
举例来说，生物组织展现随频率变化的电阻抗。组织含有具有电阻性及电容性(电荷存储)性质两者的组分，从而产生复杂电阻抗。阻抗的量值及阻抗对频率的相依性两者均随组织成分而变。跨越频率范围测量细胞的阻抗将产生为生物组织的特性的频谱。因此，阻抗频谱的改变可与组织的根本本质的改变直接相关。
发明内容
在用于基于使用多频率电感性感测的电阻抗图谱法而执行目标材料的频谱材料分析的方法的所描述实例中，所述方法可包含：(a)以传感器激励频率(ω)用激励电流驱动电感性传感器；及(b)将时变磁场投射到所述目标材料的表面上的感测区域中，从而在所述目标材料内感应出涡电流。所述电感性传感器可由传感器阻抗Z(ω)表征，所述传感器阻抗Z(ω)为所述传感器激励频率(ω)与在所述目标材料内所感应的所述所得涡电流的函数。所述方法进一步包含：基于所述所感应涡电流而针对多个传感器激励频率(ω)确定表示所述目标材料的电磁性质的对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值。举例来说，所述方法对于确定目标电磁性质是有用的，所述目标电磁性质是以下各项中的至少一者：电容率ε、磁导率μ及电阻率ρ(或其反向导电率σ)。
根据其它实例，所述多个传感器激励频率(ω)及对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值是针对目标穿透深度而选择，所述对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值表示所述目标材料在所述目标穿透深度处的电磁性质。根据其它方面，所述方法可在共振电感性感测系统中使用，所述共振电感性感测系统包含共振传感器，所述共振传感器包含线圈电感器且由传感器阻抗Rp＝L/(C*Rs)表征。对于多个传感器激励频率(ω)，确定对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值是通过以下操作而完成：(a)产生抵消传感器共振器阻抗Rp的负阻抗，使得所述所产生负阻抗为在所述目标材料中所感应的涡电流(其反映于传感器共振器阻抗Rp中)的函数；及(b)将所述所产生负阻抗转换成对应于传感器共振器阻抗Zs(ω)测量值的传感器响应数据。
附图说明
图1图解说明用于以电阻抗图谱法来基于多频率涡电流感测而分析目标材料(受测试材料)30的电磁性质的电感性感测系统的实例性功能实施例，所述电感性感测系统包含电感性传感器10，所述电感性传感器实施为传感器电感器11及传感器电子器件20，所述传感器电子器件经配置以测量多个频率下的传感器阻抗，所述传感器阻抗对应于目标材料的电磁性质。
图2图解说明用于基于多频率涡电流感测的电阻抗图谱法的电感性感测系统的实例性电路等效实施例，所述电感性感测系统包含建模为变压器初级侧的传感器电感器11，且涡电流31在建模为变压器次级侧33的目标材料30中被感应出，所述变压器次级侧的负载是目标材料的阻抗35，且所述电感性感测系统包含经配置以测量多个频率Zs(ω)下的传感器阻抗的传感器电子器件20。
图3图解说明共振电感性传感器系统的实例性实施例，所述共振电感性传感器系统包含LC共振器110，所述LC共振器由电感/数字(IDC)转换单元120驱动，所述IDC转换单元包含具有负阻抗的驱动激励电流的负阻抗级121以及提供控制负阻抗的反馈环路控制信号129的环路控制级123。
具体实施方式
在所描述实例中，设备及方法基于使用多频率电感性感测的电阻抗图谱法而执行对目标材料的频谱材料分析。举例来说，目标材料可为组织。实例性实施例及应用图解说明基于使用多频率涡电流感测的电阻抗图谱法来测量受测试材料的电磁性质的频谱材料分析的各种特征及优点。
实例性实施例解决使用电极来电连接到受测试材料或组织的问题。电极的接触阻抗(电容性或电阻性)、腐蚀、电极与受测试材料之间的化学反应以及活体组织对电极的排斥均使电极的使用成问题。
简要概括起来为，实例性实施例的方面包含基于所感应(非接触式)涡电流感测使用电感性感测来测量多个频率下的阻抗(电阻抗图谱法)。多频率阻抗测量用于确定受测试目标材料的电磁性质(举例来说，电容率ε、磁导率μ及电阻率ρ(或其反向导电率σ))。实例性实施例包含电感性感测电路，所述电感性感测电路经配置以将时变磁场投射到目标材料的表面上的感测区域中，从而在目标材料内感应出涡电流。电感性感测电路包含传感器，所述传感器包含电感器线圈及传感器电子器件，所述传感器电子器件经配置而以传感器激励频率(ω)用激励电流来驱动传感器电感器线圈，从而产生投射到目标材料的对应时变磁场。传感器可由传感器阻抗Z(ω)表征，所述传感器阻抗Z(ω)为传感器激励频率(ω)与在目标材料内所感应的所得涡电流的函数。传感器电子器件经配置以基于所感应涡电流而针对多个传感器激励频率(ω)确定表示目标材料的电磁性质的对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值。在其它实例性实施例中，多个传感器激励频率(ω)及对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值是针对目标穿透深度而选择，所述对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值表示目标材料在目标穿透深度处的电磁性质。在其它实例性实施例中，电感性感测电路是共振电感性感测电路，包含：(a)传感器共振器，其包含线圈电感器且由传感器阻抗Rp＝L/(C*Rs)表征；及(b)电感/数字转换(IDC)单元，其经配置以(i)以传感器激励频率(ω)用传感器激励电流驱动传感器共振器，及(ii)产生抵消传感器共振器阻抗Rp的负阻抗，使得所产生负阻抗为在目标材料中所感应的涡电流(其反映于传感器共振器阻抗Rp中)的函数，及(iii)将所产生负阻抗转换成对应于传感器共振器阻抗Zs(ω)测量值的传感器响应数据。
图1图解说明用于电阻抗图谱法的电感性感测系统的实例性功能实施例。电感性传感器10包含传感器电感器11及传感器(读出)电子器件20。电感性传感器10邻近受测试目标材料30而定位。
传感器电感器11包含线圈14。传感器电子器件20透过传感器电感器/线圈14以传感器激励频率(ω)驱动传感器激励电流，从而产生投射到目标材料30的时变磁场16。传感器电感器/线圈14与目标材料30的表面之间的纵向距离是充分短的，使得由电感器/线圈产生的磁通量被集中于目标材料表面的有限区域(称为感测域19)内。
所投射磁场16在目标材料30的表面中感应出涡电流31。涡电流31由位移电流及传导电流组成，使得所述涡电流取决于：被测试的目标材料的电磁性质；及由电感器/线圈14产生的磁场的激励频率。目标材料中的涡电流导致所投射时变磁场中的功率损失，且导致传感器电感器/线圈14与在目标材料中所感应的涡电流之间的互电感改变。
如连同图2进一步所描述，在目标材料30中所感应的涡电流31的效应由电感性传感器10感测为传感器阻抗Zs(ω)，所述传感器阻抗Zs(ω)为时变磁场16的激励频率与目标材料的电磁性质(此反映于在目标材料中所感应的涡电流中)的函数。在涡电流穿透目标材料30时，涡电流密度以指数方式衰减，如图1中所指示。穿透深度由以下式子给出：
Figure BDA0001360520100000041
此为传感器激励频率ω(rad/sec.)与目标材料30的电磁性质的函数，所述电磁性质是以下各项中的至少一者：电容率ε、磁导率μ及电阻率ρ(或其反向导电率σ)。
对应于传感器阻抗Zs(ω)的传感器阻抗测量值Rp为由方程式(1)给出的穿透深度的函数。
图2图解说明用于基于多频率涡电流感测的电阻抗图谱法的电感性感测系统的实例性电路等效实施例。
电感性传感器10包含具有电感器/线圈14的传感器电感器11，此可表示为传感器电感Ls及损耗因子(串联电阻Rs)。
传感器电感器11可建模为变压器的初级侧。目标材料30图解说明为电路等效物，其中所感应涡电流31建模为变压器的次级侧33，所述次级侧的负载是受测试目标材料的阻抗35。
初级侧14与次级侧33之间的耦合因子M对距离(d)及因此对穿透深度具有强相依性。图1中所图解说明且方程式(1)所给出的此穿透深度对传感器激励频率(ω)的函数具有强非线性相依性。
因此，目标材料30的电磁性质可通过以下方式而确定：测量以个传感器激励频率(ω)下的传感器阻抗Zs(ω)，并求解电容率ε、磁导率μ及电阻率ρ(或其反向导电率σ)：
Figure BDA0001360520100000042
为了提取电参数(例如电容率及电阻率)，多频率传感器阻抗Zs(ω)测量值可近似对应于目标材料内的特定穿透深度的频率。举例来说，对于对应于约10MHz的较低频率测量的目标穿透深度，可使用约9MHz及11MHz的传感器阻抗Zs(ω)测量，而对于对应于约100MHz的较高频率测量的目标穿透深度，可使用约95MHz及105MHz的传感器阻抗Zs(ω)测量。
由于测量多个频率下的传感器阻抗Zs(ω)会在不同趋肤(穿透)深度处感应出涡电流，因此基于多频率涡电流感测的电感性感测对于目标材料内的不同目标穿透深度(例如不同组织深度)处的频谱分析是有用的。举例来说，在于较高频率(例如100Mhz)下进行的组织目标的频谱分析的情形中，涡电流局限于上部组织层(穿透深度较小)，且因此传感器阻抗Zs(ω)测量仅观察此上部组织层。在较低频率(例如10MHz)下，趋肤(穿透)深度变得较大，因此涡电流流动的更深，且传感器阻抗Zs(ω)测量观察较少上部组织层及较多更深组织。
校准循环对于消除材料分析系统的频率相依行为是有用的，例如在受测试目标材料的电磁性质具有频率相依行为的情况下。
若干优点源自基于使用多频率涡电流感测的电阻抗图谱法进行的频谱材料分析。电感性感测是非接触式(非侵入式)的，从而避免电极与受测试材料相接触且借此避免化学或腐蚀性相互作用。集中式投射感测场可用于集中式感测区域。受测试材料/目标/组织之间可使用绝缘体。
图3图解说明共振电感性传感器100的实例性实施例，所述共振电感性传感器用于基于涡电流感测而测量传感器阻抗Zs(ω)且因此用于基于使用多频率涡电流感测的电阻抗图谱法而进行频谱材料分析。
共振电感性传感器100包含LC传感器共振器110及电感/数字转换(IDC)单元(传感器电子器件)120。传感器共振器110包含线圈电感器114且由电阻性损耗因子Rs或电路等效并联传感器阻抗Rp＝L/(C*Rs)表征，所述电路等效并联传感器阻抗将LC电抗性阻抗(频率相依)考虑在内。
用于频谱材料分析的涡电流感测将导致共振器阻抗(损耗因子Rp)基于受测试目标材料的电磁性质而改变。共振器阻抗Zs(ω)的此改变由IDC 120转换成对应于目标材料的电磁性质的传感器响应数据1/Rp。
IDC 120基于抵消正共振器阻抗Rp的负阻抗而确定共振器阻抗Zs(ω)。明确地说，IDC 120用AC传感器激励电流驱动共振器110，其中传感器激励频率(ω)与共振器的振荡频率同步。IDC 120建立负阻抗控制环路，所述负阻抗控制环路驱动具有负阻抗的共振器110以通过抵消共振器阻抗Rp(损耗因子)而维持持续共振器振荡。
实例性IDC 120包含负阻抗级121及环路控制级123。介接到传感器共振器110的负阻抗级121驱动与共振器振荡电压Vin1/Vin2同步的具有环路控制式负阻抗的共振器激励电流Idrv1/Idrv2。环路控制级123监测平均共振器振荡振幅(115)且提供反馈环路控制信号129，所述反馈环路控制信号控制负阻抗以维持持续共振器振荡(在实例性IDC中，对应于维持基本上恒定平均共振器振荡振幅)。
因此，IDC共振传感器电路120建立负阻抗控制环路(121/123)，所述负阻抗控制环路驱动具有受控制负阻抗(129)的传感器共振器(Idrv1/Idrv2)、控制平均共振器振荡振幅以维持共振器振荡。受控制负阻抗抵消共振器阻抗Rp(损耗因子)以用于持续共振器振荡。
实例性IDC 120包含测量传感器共振器110的共振器振荡频率的频率检测器125。举例来说，频率检测器125可利用频率计数器而实施。共振器振荡频率对于基于传感器阻抗的电抗性部分而确定传感器共振器110(线圈电感器114)的电感是有用的。共振频率响应于传感器阻抗Rp的电抗性部分的改变而改变。
IDC 120输出对应于传感器阻抗Zs(ω)的传感器响应数据(1/Rp)及频率。Zs(ω)(1/Rp)对应于控制抵消传感器阻抗Rp的负阻抗的环路控制信号129。因此，从IDC 120输出的传感器响应数据使负阻抗的改变量化，所述改变抵消共振器阻抗Zs(ω)(损耗因子)的改变。
包含传感器阻抗的电抗性部分的共振器阻抗Zs(ω)(1/Rp＝C/L*Rs)反映传感器的总阻抗。因此，多频率共振器阻抗Zs(ω)测量对于确定受测试目标材料的电磁性质是有用的。特定来说，虽然金属目标是电感性的，但非金属导电目标(例如组织)并非如此。
IDC分辨率是确定线圈直径的重要因子。对于实例性10位IDC，频率及线圈大小应经选择使得线圈直径介于趋肤深度的5％到10％的范围内。
在权利要求书的范围内，在所描述实施例中可做出修改，且其它实施例是可能的。

Claims (11)

1.一种电感性感测系统，其适合用于基于电阻抗图谱法进行频谱材料分析，所述电感性感测系统包括：
电感性感测电路，所述电感性感测电路经配置以将时变磁场投射到受测试目标材料的表面上的感测区域中从而在所述目标材料内感应出涡电流，所述电感性感测电路包括：
传感器，其包含电感器线圈且由传感器阻抗Z(ω)表征，所述传感器阻抗Z(ω)为传感器激励频率ω与在所述目标材料内所感应的所述涡电流的函数；及
传感器电子器件，其经配置以：以传感器激励频率ω用激励电流驱动所述传感器电感器线圈，从而产生投射到所述目标材料的对应时变磁场；及基于所感应的所述涡电流而针对多个传感器激励频率ω确定表示所述目标材料的电磁性质的对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值，
其中每一传感器阻抗Zs(ω)测量值为相关联目标穿透深度的函数，所述目标穿透深度为传感器激励频率ω与所述目标材料的电磁性质的函数，所述电磁性质是以下各项中的至少一者：电容率ε、磁导率μ及电阻率ρ，
其中所述目标穿透深度由以下式子给出：
Figure FDA0002787841190000011
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个传感器激励频率ω及对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值是针对目标穿透深度而选择，所述对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值表示所述目标材料在所述目标穿透深度处的电磁性质。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述电感性感测电路是共振电感性感测电路，包含：
传感器共振器，其包含线圈电感器且由传感器阻抗Rp＝L/(C*Rs)表征；及
电感/数字转换IDC单元，其经配置以：以传感器激励频率ω用传感器激励电流驱动所述传感器共振器；及产生抵消传感器共振器阻抗Rp的负阻抗，使得所产生的所述负阻抗为在所述目标材料中所感应的所述涡电流的函数，所述涡电流反映于传感器共振器阻抗Rp中；及将所产生的所述负阻抗转换成对应于所述传感器阻抗Zs(ω)测量值的传感器响应数据。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述目标材料是组织。
5.一种共振电感性感测系统，其适合用于基于电阻抗图谱法进行频谱材料分析，所述共振电感性感测系统包括：
共振电感性感测电路，所述共振电感性感测电路经配置以将时变磁场投射到受测试目标材料的表面上的感测区域中从而在所述目标材料内感应出涡电流，所述共振电感性感测电路包括：
传感器共振器，其包含线圈电感器且由传感器阻抗Rp＝L/(C*Rs)表征，所述传感器阻抗Rp＝L/(C*Rs)为传感器激励频率ω与在所述目标材料内所感应的所述涡电流的函数；及
电感/数字转换IDC单元，其经配置以：以所述传感器激励频率ω用激励电流驱动所述传感器共振器，从而产生投射到所述目标材料的对应所述时变磁场；针对多个传感器激励频率ω产生抵消传感器共振器阻抗Rp的负阻抗，使得所产生的所述负阻抗为在所述目标材料中所感应的所述涡电流的函数，所述涡电流反映于传感器共振器阻抗Rp中；及基于所感应的所述涡电流将针对所述多个传感器激励频率ω所产生的对应的所述负阻抗转换成表示所述目标材料的电磁性质的多个传感器阻抗Zs(ω)测量值，
其中每一传感器阻抗Zs(ω)测量值为相关联目标穿透深度的函数，所述目标穿透深度为传感器激励频率ω与所述目标材料的电磁性质的函数，所述电磁性质是以下各项中的至少一者：电容率ε、磁导率μ及电阻率ρ，
其中所述目标穿透深度由以下式子给出：
Figure FDA0002787841190000021
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述多个传感器激励频率ω及对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值是针对目标穿透深度而选择，所述对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值表示所述目标材料在所述目标穿透深度处的电磁性质。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述目标材料是组织。
8.一种基于电阻抗图谱法执行对目标材料的频谱材料分析的方法，所述方法适合在电感性感测系统中使用，所述电感性感测系统包含具有线圈电感器的电感性传感器，所述方法包括：
以传感器激励频率ω用激励电流驱动所述电感性传感器；并借此
将时变磁场投射到所述目标材料的表面上的感测区域中，从而在所述目标材料内感应出涡电流；
其中所述电感性传感器由传感器阻抗Z(ω)表征，所述传感器阻抗Z(ω)为所述传感器激励频率ω与在所述目标材料内所感应的所述涡电流的函数；及
基于所感应的所述涡电流而针对多个传感器激励频率ω确定表示所述目标材料的电磁性质的对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值，
其中每一传感器阻抗Zs(ω)测量值为相关联目标穿透深度的函数，所述目标穿透深度为传感器激励频率ω与所述目标材料的电磁性质的函数，所述电磁性质是以下各项中的至少一者：电容率ε、磁导率μ及电阻率ρ，
其中所述目标穿透深度由以下式子给出：
Figure FDA0002787841190000031
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述多个传感器激励频率ω及对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值是针对目标穿透深度而选择，所述对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值表示所述目标材料在所述目标穿透深度处的电磁性质。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述方法可在共振电感性感测系统中使用，所述共振电感性感测系统包含共振传感器，所述共振传感器包含线圈电感器且由传感器阻抗Rp＝L/(C*Rs)表征；且
其中针对多个传感器激励频率ω确定对应多个传感器阻抗Zs(ω)测量值是通过以下操作而完成：产生抵消传感器共振器阻抗Rp的负阻抗，使得所产生的所述负阻抗为在所述目标材料中所感应的所述涡电流的函数，所述涡电流反映于传感器共振器阻抗Rp中；及将所产生的所述负阻抗转换成对应于所述传感器阻抗Zs(ω)测量值的传感器响应数据。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述目标材料是组织。
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