CN109596694B - 一种适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，操作人员只需要通过对第一可控继电器和第二可控继电器进行控制，即可使测量分析装置在两种工作状态之间切换，使得测量分析装置可以同时适用于不同阻抗的电化学体系，突破现有技术中仅仅使用恒电势仪工作方式进行阻抗测量的思维定势，大大提高了测量的工作效率，同时使用数字信号处理单元进行阻抗计算，具有工作频率范围大，计算速度快，测量精度高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及电化学阻抗测量分析领域，具体涉及一种适用于不同阻抗电化学体系的测量 分析装置。
背景技术
电化学阻抗交流测量是对体系施加一个小振幅的电信号，一方面可避免该小信号扰动对 体系产生大的影响，根据因果性条件，本体系将只对该小信号进行响应，而当小信号扰动停 止后，本体系能回复到原先的状态；另一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系， 当信号扰动的变化足够小，可将体系变化过程速度与信号变量的关系作线性近似处理，这就 使测量结果的数学处理变得简单。
电化学反应体系中，人们关心的是化学相界面之间的电荷影响，不同的相之间因相异的 电子能量，相间将发生电子迁移，存在相间电势差。电解池(液相)/电池(固相)的反应是 一个总反应，实际上每一个电极上都有独立的半反应，两个半反应合在一起就是总反应式。 发生人们关注的反应的电极被称为工作电极(WE)，为了集中研究工作电极，另外一个电极应 进行标准化，用组分恒定的相对其构成，称为参比电极(RE)。参比电极的电势为恒定的，所 以若有电势变化，则都存在于WE上。进一步地，当直接在WE与RE间施加电压，随着电压增 加或电极间距减小，电极表面将产生化学反应，反应产生的电流将通过RE输出，随着反应电 流的变化，WE和RE间电压也将改变而无法保持恒定，因此应再加入第三电极辅助电极或称 对电极(CE)，作用是提供驱动电流，而不影响工作电极行为，并根据电路反馈作用使WE和 RE之间的电压保持恒定，保持RE没有电流流过，强迫反应电流全部通过CE输出到WE，通过 连接至WE的电流轴输出单元把相应的电压输入信号采集单元，另外连接至RE的电势轴输出 单元的输出信号也将被另外一路信号采集单元获取。上述也可称为恒电势仪的三电极测量方 法。
参见图1，图1是三电极测量方法，分别测出施加于本体系上的电压V及电流I，即刻计 算出本体系的阻抗。其中电压V与电流I均为复数，算出阻抗Z应包含其幅值|Z|及相角θ
恒电势仪的三电极测量方法核心目标是能够控制工作电极的电势能够根据要求进行输入 而不会因为化学阻抗体系不同阻抗而改变，从数学过程出发，可认为该方法与待测体系阻抗 没有关系。但实际电路中，若待测体系阻抗较小，施加恒定电势，则流过体系的电流将过大， 容易超过实际电路驱动及负载能力，产生测量误差甚至电路烧毁。可见恒电势仪的三电极测 量方法不适用于小阻抗的电化学体系。
发明内容
为了克服上述技术缺陷，本发明提供一种适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置， 可以同时适用于不同阻抗的电化学体系，突破现有技术中仅仅使用恒电势仪工作方式进行阻 抗测量的思维定势，大大提高了测量的工作效率，同时具有工作频率范围大，计算速度快， 测量精度高的特点。
为了解决上述问题，本发明按以下技术方案予以实现的：
一种适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，包括激励信号源单元、电流负反馈单 元、三电极测量单元、电压信号采集单元，电流信号采集单元，数字信号处理单元；
所述激励信号源单元的输出端通过所述电流负反馈单元与所述三电极测量单元的对电极 端连接，用于向所述三电极测量单元提供激励信号；
所述三电极测量单元浸入待测的电化学阻抗体系，所述三电极测量单元的参比电极端连 接至所述电压信号采集单元的第一输入端，所述三电极测量单元的工作电极端分别连接至所 述电压信号采集单元的第二输入端和所述电流信号采集单元的输入端，所述电压信号采集单 元的输出端和所述电流信号采集单元的输出端均连接至所述数字信号处理单元；
所述电流负反馈单元的输入端还通过第一可控继电器连接至所述电压信号采集单元的输 出端形成反馈回路；所述三电极测量单元的工作电极端还通过第二可控继电器接入大地；
所述数字信号处理单元，用于采集所述电压信号采集单元输出的电压信号或/和所述电流 信号采集单元输出的电流信号，计算及分析所述电化学阻抗体系的阻抗参数。
进一步的，所述激励信号源单元包括数控振荡器，所述数控振荡器输出参数可控的数字 正弦激励信号。
进一步的，所述激励信号源单元还包括DAC数模转换单元、抗镜像滤波器单元和衰减单 元，所述数控振荡器综合波形发生器、所述DAC数模转换单元、所述抗镜像滤波器单元和所 述衰减单元沿信号传递方向依次连接；
所述DAC数模转换单元，用于将所述数控振荡器产生的所述数字正弦信号转化为模拟正 弦信号，并输出到所述抗镜像滤波器单元；
所述抗镜像滤波器单元，用于滤除所述模拟正弦信号中的高频噪声与高次谐波，使波形 更加平滑；
所述衰减单元，用于将滤波后的所述模拟正弦信号衰减到预定幅值后输出。
进一步的，所述电流负反馈单元和所述三电极测量单元的对电极端间还连接有功率放大 单元，用于增大所述激励信号的功率。
进一步的，所述电流信号采集单元包括电流转电压单元，所述电流转电压单元用于将所 述工作电极输出的电流转换成可被采样的等效电压信号。
进一步的，所述电流转电压单元为跨阻放大器。
进一步的，所述电压信号采集单元为三运放仪表放大单元。
进一步的，所述数字信号处理单元包括信号采样单元，用于将所述三运放仪表放大单元 和所述电流转电压单元输出的电压信号进行采样和滤波得到数字信号，并将所述数字信号传 输至所述数字信号处理单元。
进一步的，所述信号采样单元包括沿信号传递方向依次连接的程控放大单元，抗混叠滤 波单元，ADC信号采集单元；
所述程控放大单元，用于将所述三运放仪表放大单元和所述电流转电压单元输出的电压 信号进行放大处理；
所述抗混叠滤波单元，用于对经放大后的所述电压信号进行滤波处理；
所述ADC信号采集单元，用于将放大及滤波后的所述电压信号转换成数字信号。
进一步的，所述数字信号处理单元包括直流信号提取单元和数字阻抗计算单元；
所述直流信号提取单元，用于将所述信息采样单元的所述数字信号进行混频及滤波处理， 提取出直流信号；
所述数字阻抗计算单元，用于根据所述直流信号进行阻抗计算。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明公开了一种适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，操作人员只需要通过对 第一可控继电器和第二可控继电器进行控制，即可使测量分析装置在两种工作状态之间切换， 使得测量分析装置可以同时适用于不同阻抗的电化学体系，突破现有技术中仅仅使用恒电势 仪工作方式进行阻抗测量的思维定势，大大提高了测量的工作效率，同时使用数字信号处理 单元进行阻抗计算，具有工作频率范围大，计算速度快，测量精度高的特点。
附图说明
图1是本发明背景技术中所述的三电极测量法的示意图；
图2是本发明具体实施方式中所述的测量分析装置的结构示意图；
图3是本发明具体实施方式中所述的三电极测量单元3的具体结构示意图；
图4是本发明具体实施方式中所述的激励信号源单元1的具体结构示意图；
图5是本发明具体实施方式中所述的信号采样单元50的具体结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅 用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施方式公开了一种适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，如图2所示，其包 括：激励信号源单元1、电流负反馈单元2、三电极测量单元3、三运放仪表放大单元4，电 流信号采集单元5，数字信号处理单元6；
激励信号源单元1的输出端通过电流负反馈单元2与三电极测量单元3的对电极端(CE) 连接，用于向三电极测量单元3提供激励信号；
如图3所示三电极测量单元3浸入待测的电化学阻抗体系，其连接如图2中所示，三电 极测量单元的参比电极端(RE)连接至三运放仪表放大单元4的第一输入端，三电极测量单 元3的工作电极端(WE)分别连接至三运放仪表放大单元4的第二输入端和电流信号采集单 元5的输入端，三运放仪表放大单元4的输出端和电流信号采集单元5的输出端均连接至数 字信号处理单元6；
电流负反馈单元2的输入端还通过第一可控继电器10连接至三运放仪表放大单元4的输 出端形成电压反馈回路；三电极测量单元3的工作电极端(WE)还通过第二可控继电器20接 入大地；
数字信号处理单元6，用于采集三运放仪表放大单元4输出的电压信号或/和电流信号采 集单元5输出的电流信号，计算及分析电化学阻抗体系的阻抗参数。
通过上述公开的测量分析装置，操作人员可通过控制第一可控继电器和第二可控继电器 的开关状态来使得测量分析装置的工作状态在恒电势仪或恒电流仪模式之间转换：
当选择恒电势仪工作方式时，第一可控继电器选通，第二可控继电器断开，三运放仪表 放大单元的输出端与电流负反馈单元的输入端耦合，形成负反馈，使得耦合端的电势值与参 比电极端的电势严格相等，即控制待测电化学体系中的电势值恒定；从三运放仪表放大单元 输出待测体系中的电势值，从电流信息采集单元输出待测体系中的电流值，从而得到所测的 化学体系阻抗；这一工作方式适合常规的电化学体系的阻抗测量分析；
当选择恒电流仪工作方式时，第一可控继电器断开，第二可控继电器选通接地，电流负 反馈单元形成自身负反馈结构，使得激励信号源单元输入的电流恒定，且电流值已知，而此 时三电极测量单元的工作电极所连接的电流转电压和电流轴输出模块闲置，此时三运放仪表 放大单元仍旧对待测体系中的电势进行转换，输出一个电压信号，该电压信号和已知的电流 信息进行运算也能得到相应化学体系阻抗，这一工作方式更适用于待测体系阻抗较低的工作 环境。
因此通过上述设置，操作人员只需要通过对第一可控继电器和第二可控继电器进行控制， 即可使测量分析装置在两种工作状态之间切换，使得测量分析装置可以同时适用于不同阻抗 的电化学体系，突破现有技术中仅仅使用恒电势仪工作方式进行阻抗测量的思维定势，大大 提高了测量的工作效率，同时使用数字信号处理单元进行阻抗计算，具有工作频率范围大， 计算速度快，测量精度高的特点。
在一些实施方式中，三电极测量单元的工作电极与参比电极之间的化学体系部分仍存在 分压，除非参比电极放在工作电极表面上，可将参比电极的尖端设计成毛细管，使之非常靠 近工作电极表面，此时仍将存在部分需补偿电阻，应通过稳态测量方法对补偿电阻进行逐点 扣除。
在一些实施方式中，电流负反馈单元2的输出电流可能不足以满足应用要求，需要功率 放大单元进行功率放大，如图2所示，电流负反馈单元2和三电极测量单元的对电极端(CE) 间还连接有功率放大单元7，用于增大激励信号的功率，提高驱动能力。
在一些实施方式中，如图4所示，激励信号源单元1包括沿信号传递方向依次连接的数 控振荡器101、DAC数模转换单元102、抗镜像滤波器单元103和衰减单元104；
数控振荡器101输出参数可控的数字正弦激励信号；DAC数模转换单元102，用于将数控 振荡器产生的数字正弦信号转化为模拟正弦信号，并输出到抗镜像滤波器单元；抗镜像滤波 器单元103，用于滤除模拟正弦信号中的高频噪声与高次谐波，使波形更加平滑；衰减单元 104，用于将滤波后的模拟正弦信号衰减到预定幅值后输出。
在一些实施方式中，数控振荡器可与嵌入式处理器相连接，根据嵌入式处理器提供的频 率、相位、幅度信息，产生所需的直流电压信号或交流信号或脉冲信号，为三电极测量单元 提供输入电压信号。
在一些实施方式中，数控振荡器可以使用基于FPGA内嵌NCO的坐标旋转数字计算方法来 实现，其基本原理是在给定相位旋转条件下迭代计算正弦和余弦值，以累加的相位值作为输 入，通过二元移位和比较操作决定角度的直角坐标位置。产生的数字正弦波信号精度高，满 足本发明中对高精度可控信号发生源的需求。
在一些实施方式中，电流信号采集单元5包括电流转电压单元，电流转电压单元用于将 工作电极输出的电流转换成可被采样的等效电压信号，进一步的，如图2中所示，电流转电 压单元可选择跨阻放大器电路，且跨阻放大器上的反馈电阻可采用若干阻值不同的金属箔电 阻形成的可选标准电阻阵列单元。
在一些实施方式中，数字信号处理单元5包括信号采样单元50，用于将三运放仪表放大 单元和电流转电压单元输出的电压信号进行采样和滤波得到数字信号，并将数字信号传输至 数字信号处理单元。
在一些实施方式中，如图5所示，信号采样单元50包括沿信号传递方向依次连接的程控 放大单元51，抗混叠滤波单元52，ADC信号采集单元53；
程控放大单元51，用于将三运放仪表放大单元和电流转电压单元输出的电压信号进行放 大处理；抗混叠滤波单元52，用于对经放大后的电压信号进行滤波处理，滤除高于1/2采样 率的信号成分防止混叠，同时消除其他高频谐波等有害信号，或将其衰减至小值，不对电路 形成负面影响；ADC信号采集单元53，用于将放大及滤波后的电压信号转换成数字信号。
在一些实施方式中，ADC信号采集单元53可选用逐次逼近SAR型ADC或Σ-Δ型ADC。根 据本装置的测量要求，需满足采样频率高、采样速度快、控制应用、高吞吐速率及低功耗等 要求，优选采用一款SAR型ADC芯片，采样率达到10MHz，信噪比达到91dB。
在一些实施方式中，数字信号处理单元优选一款SoC系统级芯片，片上集成现场可编程 逻辑阵列FPGA及ARM嵌入式处理器。FPGA-ARM架构实现了以下功能：一是利用FPGA的丰富 逻辑资源，完成专用资源配置及接口控制；二是利用ARM的专用运算单元、存储单元，实现 待测阻抗阻值计算功能。
在一些实施方式中，数字信号处理单元包括直流信号提取单元和数字阻抗计算单元；直 流信号提取单元，用于将信息采样单元的数字信号进行混频及滤波处理，提取出直流信号； 数字阻抗计算单元，用于根据直流信号进行阻抗计算。
在一些实施方式中，直流信号提取单元包括FPGA器件和数字滤波器，数字阻抗计算单元 包括嵌入式处理器。
具体的，直流信号提取单元把与待测的微弱的数字电压信号与具有相同频率和固定相位 关系的参考信号，通过一系列乘法运算和滤波处理提取出有用信号。
具体的，定义待测的数字电压信号为SI(t)，定义参考信号为SR(t)，则有：
SR(t)＝ARSin(ωt+S)
两路数字信号进行数字混频操作，输出信号为：
式中只有第一部分和第二部分与AI有关。由于测量直流信号的精度、难度和可靠性通常 远远比测量高频信号的高，即S0(t)通过低通滤波器可完全滤除二倍频信号，其结果可表示为：
由于已知参考信号的幅度AR，只要确定相位差
即可确定输入信号幅度AI。相 位差计算又可通过相互耦合90°的两路正弦信号X、Y进行运算，方式如下：
优选地，利用FPGA中的丰富逻辑资源进行参考信号生成，通常是使用DDS信号发生器。 而上述数字混频以及数字低通滤波，通常是使用IIR滤波器。X、Y信号运算得到幅值及相位 的过程将在ARM嵌入式处理器中实现。
有限地，可利用ARM中的专用数学计算库及计算单元，对FPGA中的整型数据进行浮点变 换，进行数学变换，完成待测电化学阻抗计算功能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是 未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等 同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，其特征在于：包括激励信号源单元、电流负反馈单元、三电极测量单元、电压信号采集单元，电流信号采集单元，数字信号处理单元；
所述激励信号源单元的输出端通过所述电流负反馈单元与所述三电极测量单元的对电极端连接，用于向所述三电极测量单元提供激励信号；
所述三电极测量单元浸入待测的电化学阻抗体系，所述三电极测量单元的参比电极端连接至所述电压信号采集单元的第一输入端，所述三电极测量单元的工作电极端分别连接至所述电压信号采集单元的第二输入端和所述电流信号采集单元的输入端，所述电压信号采集单元的输出端和所述电流信号采集单元的输出端均连接至所述数字信号处理单元；
所述电压信号采集单元为三运放仪表放大单元；
所述电流负反馈单元的输入端还通过第一可控继电器连接至所述电压信号采集单元的输出端形成反馈回路；所述三电极测量单元的工作电极端还通过第二可控继电器接入大地；所述数字信号处理单元，用于采集所述电压信号采集单元输出的电压信号或/和所述电流信号采集单元输出的电流信号，计算及分析所述电化学阻抗体系的阻抗参数。
2.根据权利要求1所述的适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，其特征在于：所述激励信号源单元包括数控振荡器，所述数控振荡器输出参数可控的数字正弦激励信号。
3.根据权利要求2所述的适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，其特征在于：所述激励信号源单元还包括DAC数模转换单元、抗镜像滤波器单元和衰减单元，数控振荡器综合波形发生器、所述DAC数模转换单元、所述抗镜像滤波器单元和所述衰减单元沿信号传递方向依次连接；
所述DAC数模转换单元，用于将所述数控振荡器产生的所述数字正弦激励信号转化为模拟正弦信号，并输出到所述抗镜像滤波器单元；
所述抗镜像滤波器单元，用于滤除所述模拟正弦信号中的高频噪声与高次谐波，使波形更加平滑；
所述衰减单元，用于将滤波后的所述模拟正弦信号衰减到预定幅值后输出。
4.根据权利要求1所述的适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，其特征在于：所述电流负反馈单元和所述三电极测量单元的对电极端间还连接有功率放大单元，用于增大所述激励信号的功率。
5.根据权利要求1所述的适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，其特征在于：所述电流信号采集单元包括电流转电压单元，所述电流转电压单元用于将所述工作电极输出的电流转换成可被采样的等效电压信号。
6.根据权利要求5所述的适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，其特征在于：所述电流转电压单元为跨阻放大器。
7.根据权利要求1所述的适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，其特征在于：所述数字信号处理单元包括信号采样单元，用于将所述三运放仪表放大单元和所述电流转电压单元输出的电压信号进行采样和滤波得到数字信号，并将所述数字信号传输至所述数字信号处理单元。
8.根据权利要求7所述的适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，其特征在于：所述信号采样单元包括沿信号传递方向依次连接的程控放大单元，抗混叠滤波单元，ADC信号采集单元；
所述程控放大单元，用于将所述三运放仪表放大单元和所述电流转电压单元输出的电压信号进行放大处理；
所述抗混叠滤波单元，用于对经放大后的所述电压信号进行滤波处理；
所述ADC信号采集单元，用于将放大及滤波后的所述电压信号转换成数字信号。
9.根据权利要求7所述的适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置，其特征在于：所述数字信号处理单元包括直流信号提取单元和数字阻抗计算单元；
所述直流信号提取单元，用于将信息采样单元的数字信号进行混频及滤波处理，提取出直流信号；
所述数字阻抗计算单元，用于根据所述直流信号进行阻抗计算。
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