CN114199947A - 一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法，系统包括：数字波形调制模块、激励扰动模块、采集链路模块、数字解调模块，所述数字波形调制模块的输出端与激励扰动模块的输入端连接，所述激励扰动模块的输出端连接至采集链路模块的输入端，所述激励扰动模块的测量电极与待测样品连接，所述采集链路模块的输出端与数字解调模块的输入端连接。本发明解决了现有解决了电化学阻抗谱测量方法的耗时和精度无法兼顾的问题；突破了现有技术中对特定的测试频率的限制，为阻抗谱技术的广泛应用提供了基础。
Description
技术领域
本发明涉及电化学阻抗谱测量技术领域，更具体地，涉及一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法。
背景技术
电化学阻抗谱(electrochemical impedance spectroscopy,EIS)是在电池、燃料电池、超级电容器、电解水/二氧化碳等电化学能源领域中最重要的测量与分析方法之一。
电化学阻抗谱定义为系统响应电压信号和激励电流信号或响应电流和激励电压的幅度之比和相位之差在一定频率范围内的变化，即电化学阻抗谱定义为目标频率范围内的系统传递函数。
在传统的电化学阻抗谱测试中，对待测样品施加单一频率的正弦激励，采用频率响应技术(frequency response analysis，FRA)，检测响应电压信号和激励电流信号的幅值信息和相位信息，通过计算并循环扫频，获取特定频率范围的阻抗谱数据。传统的基于频率响应技术的电化学阻抗谱测试方法具有测试结果稳定性好、精度高等优点。但是，由于一次测试一个频点，测试时间与测试频率范围、测试点数、测试周期数成正相关，导致测试时间冗长，常常无法应用于实时诊断的场景。
现有技术公开了一种锂离子电池组电化学阻抗谱在线测量装置。该方案将各频率的正弦波进行分组，将分组后的各频率的正弦波分别加载到最低频正弦信号的不同区段；对响应电压信号进行快速傅氏变换，得到阻抗谱。但该方案由于采用傅里叶变换进行时域-频域转换，受限于傅里叶变换的分辨率、采样点数、系统采样率，存在频谱泄露的问题，导致其测量精度有限，所测频率控制不灵活，只能作较为粗略的阻抗谱估计，频率范围有限，仅能实现为0.1Hz～10kHz。现有技术还公开了一种基于电流脉冲注入的快速电化学阻抗谱测量方法。该方案通过控制可控恒流源电路在被测电化学系统的输出电流中注入M序列形式的脉冲扰动电流，对采集得到的扰动电流与响应电压数据使用阻抗计算方法获得电化学阻抗谱。但是由于M序列形式的脉冲扰动电流的的频谱特性的限制，其有用信号能量不集中、各频率频谱分量不固定，所需激励信号幅度大，再者同样由于采用傅里叶变换进行时域-频域转换，受限于傅里叶变换的分辨率、采样点数、系统采样率，存在频谱泄露的问题，导致其测量精度有限，且所测频率范围有限，仅能实现为0.5Hz～500Hz。
在电化学阻抗谱测试领域中，现有技术存在测试精准度和测试时间无法同时兼顾的问题，传统电化学阻抗谱测试方法测试结果精准但耗时长，现有技术中的快速电化学阻抗谱测试方法测试时间短但测试精度低，导致电化学阻抗谱这一测量与分析方法的广泛应用受限。
发明内容
本发明为克服上述现有的电化学阻抗谱测量无法兼顾测量精度和测量时长的缺陷，提供一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统及测量方法。
本发明的首要目的是为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明第一方面提供一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，包括：
数字波形调制模块、激励扰动模块、采集链路模块、数字解调模块，所述数字波形调制模块的输出端与激励扰动模块的输入端连接，所述激励扰动模块的输出端连接至采集链路模块的输入端，所述激励扰动模块的测量电极与待测样品连接，所述采集链路模块的输出端与数字解调模块的输入端连接。
进一步的，所述数字波形调制模块包括测试条件控制模块、正弦波发生器组模块和波形叠加器模块，所述测试条件控制模块用于设置所述正弦波发生器组的频率控制字、相位控制字和幅度控制字，所述正弦波发生器组由多个独立的正弦波发生器并行组成，依据频率控制字、相位控制字和幅度控制字输出一组不同的单一频率的正弦波数字信号；所述波形叠加器将多个单一频率的正弦波数字信号叠加为一个含有多个频率分量的数字波形信号。
进一步的，所述激励扰动模块包括DAC数模转换模块、抗镜像滤波器模块、恒电流仪模块，所述DAC数模转换模块用于将数字波形信号转换为模拟波形信号，所述抗镜像滤波器用于滤除所述DAC数模转换模块输出的模拟波形信号中的高次谐波成分，实现输出信号的高信噪比，所述恒电流仪模块用于提高输出驱动能力，将所述模拟波形信号施加到待测样品中，并检测待测样品的响应电压信号和响应电流信号。
进一步的，所述恒电流仪模块包括：输入电阻R1、反馈电阻R2、控制运算放大器U1、功率运算放大器U2、三电极单元、电压采集仪表放大器U3、可变电流采样电阻Rm、电流采集仪表放大器U4，具体连接关系为：输入电压通过所述输入电阻R1与所述控制运算放大器U1的反相端连接；所述控制运算放大器U1的同相端连接到参考地，输出端连接到所述功率放大器U2的输入端，反相端还通过所述反馈电阻R2连接到所述电流采集仪表放大器U4的输出端，所述功率放大器U2的输出端连接到所述三电极单元的CE极，所述电压采集仪表放大器U3的同相端连接到所述三电极单元的RE极，所述三电极单元的WE极同时连接到所述电压采集仪表放大器U3的反相端、所述电流采集仪表放大器的同相端、所述可变电流采样电阻Rm的第一端；所述可变电流采样电阻Rm的第二端和所述电流采集仪表放大器U4的反相端同时连接到参考地。
进一步的，所述采集链路模块包括：程控放大电路模块、抗混叠滤波器模块、ADC模数转换模块，所述程控放大电路模块用于将所述恒电流仪模块输出的微弱的响应电压信号和响应电流信号进行适当的放大，所述抗混叠滤波器用于滤除带外噪声，提高信号的信噪比，所述ADC模数转换模块对滤波后的模拟信号进行采样，将转换后的数字信号输入给所述数字解调模块。
进一步的，所述数字解调模块包括分组解调模块、滤波器组模块、阻抗谱计算模块，所述分组解调模块对采样后的数字信号，分别与所述正弦波发生器组模块产生的多个单频正弦波信号相乘，将响应数字信号相同的频率分量解调为直流分量和二倍频分量，而其他不同频率分量则调制为和频分量和差频分量，所述滤波器组模块实现数字低通滤波器的功能，滤除所述分组解调模块输出的解调信号的其他频率分量，只保留直流分量，该直流分量即响应电压信号或响应电流信号的实部或者虚部的幅值信息，所述阻抗谱计算模块依据欧姆定律，同时将所述多个频率分量的响应电压信号和响应电流信号的幅值相除，相位相减，计算得到阻抗谱。
本发明第二方面提供了一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量方法，所述方法用于所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，包括以下步骤：
S1：将测试频率段分组，确定每组的频率点，利用数字波形调制模块输出包含有多个频率分量的数字波形信号；
S2：将激励扰动模块电极分别与待测样品连接，并将数字波形信号转换为模拟波形信号施加到待测样品中；
S3：采集待测样品的模拟信号，利用采集链路模块对所述模拟信号进行调理后采样为数字信号；
S4：数字解调模块将所述数字信号进行解调，得到各个频率点对应的响应电压信号、响应电流信号的解调值即实现了多个频率的同时测量；
S5：将每个待测频率段分组重复步骤S1-S4即可完成对整个频率测量范围的阻抗谱测量。
进一步的，激励扰动模块通过三个电极与待测样品连接，所述是哪个电极分别为：CE极、RE极、WE极。
进一步的，所述模拟信号包括：响应电压模拟信号、响应电流模拟信号。
进一步的，所述响应电压信号、响应电流信号的解调值即响应电压信号、响应电流信号的实部和虚部。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明利用数字波形调制模块、激励扰动模块、采集链路模块、数字解调模块构建快速高精度电化学阻抗谱测量系统，解决了现有解决了电化学阻抗谱测量方法的耗时和精度无法兼顾的问题；突破了现有技术中对特定的测试频率的限制，为阻抗谱技术的广泛应用提供了基础。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统框图。
图2为本发明实施例恒电流仪模块电路原理图。
图3为本发明实施例中含有12个频率分量的波形图。
图4为本发明实施例电化学阻抗谱奈奎斯特图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例1
如图1所示，本发明第一方面提供一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，包括：
数字波形调制模块、激励扰动模块、采集链路模块、数字解调模块，所述数字波形调制模块的输出端与激励扰动模块的输入端连接，所述激励扰动模块的输出端连接至采集链路模块的输入端，所述激励扰动模块的测量电极与待测样品连接，所述采集链路模块的输出端与数字解调模块的输入端连接。
需要说明的是，本系统在使用时，首先将测试频率段分组，确定每组的频率点，利用数字波形调制模块输出包含有频率点分量的数字波形信号；将激励扰动模块电极CE、RE、WE分别与待测样品连接，并将数字波形信号转换为模拟波形信号施加到待测样品中；采集待测样品的模拟信号，利用采集链路模块对所述模拟信号进行调理后采样为数字信号；数字解调模块将所述数字信号进行解调，得到各个频率点对应的响应电压信号、响应电流信号的解调值(响应电压信号、响应电流信号的实部和虚部)即实现了多个频率的同时测量；将每个待测频率段分组重复上述步骤即可完成对整个频率测量范围的阻抗谱测量。
进一步的，所述数字波形调制模块包括测试条件控制模块、正弦波发生器组模块和波形叠加器模块，所述测试条件控制模块用于设置所述正弦波发生器组的频率控制字、相位控制字和幅度控制字，所述正弦波发生器组由多个独立的正弦波发生器并行组成，依据频率控制字、相位控制字和幅度控制字输出一组不同的单一频率的正弦波数字信号；所述波形叠加器将多个单一频率的正弦波数字信号叠加为一个含有多个频率分量的数字波形信号。
在一个具体的是实施例中，设定测试频率范围为0.1Hz～1MHz，按十倍频分为7组，即[0.1Hz～1Hz)，[1Hz～10Hz)，[10Hz～100Hz)，[100Hz～1kHz)，[1kHz～10kHz)，[10kHz～100kHz)，[100kHz～1MHz]。对于100Hz以上的频段，每个十倍频段设定12个测试点，按对数间隔取点后取整到十分位，对于[0.1Hz～1Hz)则去到小数点后1位，对于[1Hz～10Hz)、[10Hz～100Hz)则取到个位。举例对于[1kHz～10kHz)频段，取1kHz×[10^11/12，10^10/12，10^9/12，10^8/12......10^1/12，10^0/12]共12个频率点，即[8250，6810，5620，4640，3830，3160，2610，2150，1780，1470，1210，1000]，则其基频为10Hz，公共周期为100ms。在正弦波发生器组模块中实现12个正弦波发生器，设置输出相应的测试频率后对其进行叠加输出。如图3所示，将12个不同频率的正弦波的信号叠加起来得到一个含有12个频率分量的波形。
进一步的，所述激励扰动模块包括DAC数模转换模块、抗镜像滤波器模块、恒电流仪模块，所述DAC数模转换模块用于将数字波形信号转换为模拟波形信号，所述抗镜像滤波器用于滤除所述DAC数模转换模块输出的模拟波形信号中的高次谐波成分，实现输出信号的高信噪比，所述恒电流仪模块用于提高输出驱动能力，将所述模拟波形信号施加到待测样品中，并检测待测样品的响应电压信号和响应电流信号。
如图2所示，所述恒电流仪模块包括：输入电阻R1、反馈电阻R2、控制运算放大器U1、功率运算放大器U2、三电极单元、电压采集仪表放大器U3、可变电流采样电阻Rm、电流采集仪表放大器U4，具体连接关系为：输入电压通过所述输入电阻R1与所述控制运算放大器U1的反相端连接；所述控制运算放大器U1的同相端连接到参考地，输出端连接到所述功率放大器U2的输入端，反相端还通过所述反馈电阻R2连接到所述电流采集仪表放大器U4的输出端，所述功率放大器U2的输出端连接到所述三电极单元的CE极，所述电压采集仪表放大器U3的同相端连接到所述三电极单元的RE极，所述三电极单元的WE极同时连接到所述电压采集仪表放大器U3的反相端、所述电流采集仪表放大器的同相端、所述可变电流采样电阻Rm的第一端；所述可变电流采样电阻Rm的第二端和所述电流采集仪表放大器U4的反相端同时连接到参考地。
需要说明的是，基于上述的恒电流仪模块，其工作原理是电流采集仪表放大器的输出电压通过反馈电阻反馈到控制运算放大器的反相端，使整个电路工作于电压负反馈的状态，使得电流采集仪表放大器的输出电压恒定等于输入电压。由于电流采集仪表放大器的放大倍数恒定，即使得电流采集仪表放大器的同相端和反相端之间的电压差恒定，再通过设定可变电流采样电阻的档位，将恒定的电压通过电阻转换为恒定的电流，即实现了恒定电流的电路功能，由电路分析可得，流过可变电流采样电阻的电流恒等于流过待测样品的电流，从而实现了预期的电流扰动。同时，电压仪表放大器和电流采集仪表放大器可检测待测样品的响应电压信号和响应电流信号。
进一步的，所述采集链路模块包括：程控放大电路模块、抗混叠滤波器模块、ADC模数转换模块，所述程控放大电路模块用于将所述恒电流仪模块输出的微弱的响应电压信号和响应电流信号进行适当的放大，所述抗混叠滤波器用于滤除带外噪声，提高信号的信噪比，所述ADC模数转换模块对滤波后的模拟信号进行采样，将转换后的数字信号输入给所述数字解调模块。
进一步的，所述数字解调模块包括分组解调模块、滤波器组模块、阻抗谱计算模块，所述分组解调模块对采样后的数字信号，分别与所述正弦波发生器组模块产生的多个单频正弦波信号相乘，将响应数字信号相同的频率分量解调为直流分量和二倍频分量，而其他不同频率分量则调制为和频分量和差频分量，所述滤波器组模块实现数字低通滤波器的功能，滤除所述分组解调模块输出的解调信号的其他频率分量，只保留直流分量，该直流分量即响应电压信号或响应电流信号的实部或者虚部的幅值信息，所述阻抗谱计算模块依据欧姆定律，同时将所述多个频率分量的响应电压信号和响应电流信号的幅值相除，相位相减，计算得到阻抗谱。
实施例2
基于上述的系统本实施例详细阐述数字解调模块计算过程：
对于[1kHz～10kHz)频段，按对数间隔取12个频率点，待测样品的响应电压信号v(t)和响应电流信号i(t)包含12个频率成分。举例响应电压信号，v(t)＝V1cos(ω1t+φ1)+V2cos(ω2t+φ2)+V3cos(ω3t+φ3)+...+V12cos(ω12t+φ12)。在分组解调模块中检测实部部分分为12个通道，每个通道分别将响应信号与参考信号cosω1t、cosω2t、...cosω12t相乘。在分组解调模块中检测虚部部分分为12个通道，每个通道分别将响应信号与参考信号sinω1t、sinω2t、...sinω12t相乘。举例检测实部部分，由信号与系统理论，时域的乘积等价于频域的卷积，在第一个通道中，响应信号中只有一个频率成分ω1与参考信号的频率ω1相同，且只有该频率成分被解调为直流信号和二倍频信号2ω1，其他频率成分均被频谱搬移为差频信号ω2-ω1、ω3-ω1...ω12-ω1或和频信号ω2+ω1、ω3+ω1...ω12+ω1，由上面的频率设定步骤已知，这些频率的均以10Hz为基频。同理第二、三、...、十一、十二通道分别将ω2、ω3、...、ω11、ω12分量的信号的幅度解调为直流。
在本实施例中，滤波器组模块中的每个滤波器均采用平均滤波器，该系统的采样率fs为10M，设定滤除频率为以10Hz为基频fb的所有谐频，即设定平均时间为100ms，即设定平均点数为f/fb＝10M/10＝1M。由平均滤波器的传输函数和幅频响应曲线，在所有谐频处均为零增益点，即分组解调模块中输出的信号包含的差频信号ω2-ω1、ω3-ω1...ω12-ω1或和频信号ω2+ω1、ω3+ω1...ω12+ω1均会被完全滤除，不会对结果产生干扰，同时，平均滤波器还能滤除噪声信号，确保了与传统单频正弦波相同的高精度、高稳定性的优势。
本次实施例测试1MHz～0.1Hz，共84个频率点，[0.1Hz～1Hz)频段花费10s测试时间，[1Hz～10Hz)频段花费1s测试时间，[10Hz～100Hz)花费0.1s测试时间，[100Hz～1kHz)花费0.1s测试时间，[1kHz～10kHz)花费0.1s测试时间，[10kHz～100kHz)花费0.1s测试时间，[100kHz～1MHz]花费0.1s测试时间，激励扰动待测样品和计算阻抗谱同时进行，共计花费时间为11.5s。如图4所示，●曲线为传统FRA技术测量结果，▲曲线为本发明所测试测试Randles等效电路模型的电化学阻抗谱奈奎斯特图，对比可见几乎重合，即测量精度基本保持一致。
实施例3
本发明第二方面提供了一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量方法，所述方法用于所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，包括以下步骤：
S1：将测试频率段分组，确定每组的频率点，利用数字波形调制模块输出包含有多个频率分量的数字波形信号；
S2：将激励扰动模块的电极CE极、RE极、WE极分别与待测样品连接，并将数字波形信号转换为模拟波形信号施加到待测样品中；
S3：采集待测样品的模拟信号，利用采集链路模块对所述模拟信号进行调理后采样为数字信号，所述模拟信号包括响应电压模拟信号、响应电流模拟信号；
S4：数字解调模块将所述数字信号进行解调，得到各个频率点对应的响应电压信号、响应电流信号的解调值即实现了多个频率的同时测量；，所述响应电压信号、响应电流信号的解调值即响应电压信号、响应电流信号的实部和虚部。
S5：将每个待测频率段分组重复步骤S1-S4即可完成对整个频率测量范围的阻抗谱测量。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，包括：
数字波形调制模块、激励扰动模块、采集链路模块、数字解调模块，所述数字波形调制模块的输出端与激励扰动模块的输入端连接，所述激励扰动模块的输出端连接至采集链路模块的输入端，所述激励扰动模块的测量电极与待测样品连接，所述采集链路模块的输出端与数字解调模块的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述数字波形调制模块包括测试条件控制模块、正弦波发生器组模块和波形叠加器模块，所述测试条件控制模块用于设置所述正弦波发生器组的频率控制字、相位控制字和幅度控制字，所述正弦波发生器组由多个独立的正弦波发生器并行组成，依据频率控制字、相位控制字和幅度控制字输出一组不同的单一频率的正弦波数字信号；所述波形叠加器将多个单一频率的正弦波数字信号叠加为一个含有多个频率分量的数字波形信号。
3.根据权利要求1所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述激励扰动模块包括DAC数模转换模块、抗镜像滤波器模块、恒电流仪模块，所述DAC数模转换模块用于将数字波形信号转换为模拟波形信号，所述抗镜像滤波器用于滤除所述DAC数模转换模块输出的模拟波形信号中的高次谐波成分，实现输出信号的高信噪比，所述恒电流仪模块用于提高输出驱动能力，将所述模拟波形信号施加到待测样品中，并检测待测样品的响应电压信号和响应电流信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述恒电流仪模块包括：输入电阻R1、反馈电阻R2、控制运算放大器U1、功率运算放大器U2、三电极单元、电压采集仪表放大器U3、可变电流采样电阻Rm、电流采集仪表放大器U4，具体连接关系为：输入电压通过所述输入电阻R1与所述控制运算放大器U1的反相端连接；所述控制运算放大器U1的同相端连接到参考地，输出端连接到所述功率放大器U2的输入端，反相端还通过所述反馈电阻R2连接到所述电流采集仪表放大器U4的输出端，所述功率放大器U2的输出端连接到所述三电极单元的CE极，所述电压采集仪表放大器U3的同相端连接到所述三电极单元的RE极，所述三电极单元的WE极同时连接到所述电压采集仪表放大器U3的反相端、所述电流采集仪表放大器的同相端、所述可变电流采样电阻Rm的第一端；所述可变电流采样电阻Rm的第二端和所述电流采集仪表放大器U4的反相端同时连接到参考地。
5.根据权利要求1所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述采集链路模块包括：程控放大电路模块、抗混叠滤波器模块、ADC模数转换模块，所述程控放大电路模块用于将所述恒电流仪模块输出的微弱的响应电压信号和响应电流信号进行适当的放大，所述抗混叠滤波器用于滤除带外噪声，提高信号的信噪比，所述ADC模数转换模块对滤波后的模拟信号进行采样，将转换后的数字信号输入给所述数字解调模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述数字解调模块包括分组解调模块、滤波器组模块、阻抗谱计算模块，所述分组解调模块对采样后的数字信号，分别与所述正弦波发生器组模块产生的多个单频正弦波信号相乘，将响应数字信号相同的频率分量解调为直流分量和二倍频分量，而其他不同频率分量则调制为和频分量和差频分量，所述滤波器组模块实现数字低通滤波器的功能，滤除所述分组解调模块输出的解调信号的其他频率分量，只保留直流分量，该直流分量即响应电压信号或响应电流信号的实部或者虚部的幅值信息，所述阻抗谱计算模块依据欧姆定律，同时将所述多个频率分量的响应电压信号和响应电流信号的幅值相除，相位相减，计算得到阻抗谱。
7.一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量方法，所述方法用于权利要求1-6任一项所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将测试频率段分组，确定每组的频率点，利用数字波形调制模块输出包含有多个频率分量的数字波形信号；
S2：将激励扰动模块电极分别与待测样品连接，并将数字波形信号转换为模拟波形信号施加到待测样品中；
S3：采集待测样品的模拟信号，利用采集链路模块对所述模拟信号进行调理后采样为数字信号；
S4：数字解调模块将所述数字信号进行解调，得到各个频率点对应的响应电压信号、响应电流信号的解调值即实现了多个频率的同时测量；
S5：将每个待测频率段分组重复步骤S1-S4即可完成对整个频率测量范围的阻抗谱测量。
8.根据权利要求7所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量方法，其特征在于，激励扰动模块通过三个电极与待测样品连接，所述是哪个电极分别为：CE极、RE极、WE极。
9.根据权利要求7所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述模拟信号包括：响应电压模拟信号、响应电流模拟信号。
10.根据权利要求7所述的一种基于多频正弦的快速高精度电化学阻抗谱测量系统，其特征在于，所述响应电压信号、响应电流信号的解调值即响应电压信号、响应电流信号的实部和虚部。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116256657A (zh) * | 2023-05-04 | 2023-06-13 | 同济大学 | 一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070043303A1 (en) * | 2005-08-17 | 2007-02-22 | Osypka Markus J | Method and apparatus for digital demodulation and further processing of signals obtained in the measurement of electrical bioimpedance or bioadmittance in an object |
| CN103018562A (zh) * | 2012-12-05 | 2013-04-03 | 上海电机学院 | 同步多频阻抗测量方法及装置 |
| CN109596694A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-04-09 | 中山大学 | 一种适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置 |
| CN112946328A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-11 | 中山大学 | 一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路 |
-
2021
- 2021-11-29 CN CN202111434403.3A patent/CN114199947A/zh active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070043303A1 (en) * | 2005-08-17 | 2007-02-22 | Osypka Markus J | Method and apparatus for digital demodulation and further processing of signals obtained in the measurement of electrical bioimpedance or bioadmittance in an object |
| CN103018562A (zh) * | 2012-12-05 | 2013-04-03 | 上海电机学院 | 同步多频阻抗测量方法及装置 |
| CN109596694A (zh) * | 2018-11-21 | 2019-04-09 | 中山大学 | 一种适用于不同阻抗电化学体系的测量分析装置 |
| CN112946328A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-11 | 中山大学 | 一种快速大功率恒电流电化学测试前端电路 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116256657A (zh) * | 2023-05-04 | 2023-06-13 | 同济大学 | 一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法 |
| CN116256657B (zh) * | 2023-05-04 | 2024-04-12 | 同济大学 | 一种车载燃料电池交流阻抗在线测量系统和方法 |
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