KR20220141471A - 임피던스 특성을 결정하는 방법 및 디바이스 - Google Patents

임피던스 특성을 결정하는 방법 및 디바이스 Download PDF

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Abstract

일 실시 예에 따르면, 임피던스 특성 결정 방법에 있어서, 관심 주파수 범위에 대한 에너지 크기를 나타내는 주파수 도메인에서의 테스트 신호를 결정하는 단계; 상기 테스트 신호를 시간 도메인에서 나타내는 임펄스 신호를 획득하는 단계; 상기 임펄스 신호를 전해질에 부착된 제 1 전극에 인가하는 단계; 상기 전해질에 부착된 제 2 전극에서 획득되는 응답 신호에 기초하여 상기 관심 주파수 범위에 대한 응답 크기를 획득하는 단계; 및 상기 응답 크기에 기초하여 상기 제 1 전극과 상기 전해질 사이의 임피던스 특성을 결정하는 단계;를 포함하는, 방법이 제공된다.

Description

임피던스 특성을 결정하는 방법 및 디바이스 {A METHOD AND A DEVICE FOR DETERMINING IMPEDANCE CHARACTERISTICS}
본 개시는 임피던스 특성을 결정하는 방법 및 디바이스에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 관심 주파수 범위에 대한 에너지 크기를 나타내는 주파수 도메인에서의 테스트 신호를 결정하고, 테스트 신호를 시간 도메인에서 나타내는 임펄스 신호를 이용하여 관심 주파수 영역에 대한 임피던스 특성을 결정함으로써 비용 및 시간 측면에서 효율성을 개선할 수 있는 방법 및 디바이스에 관한 것이다.
종래 기술에 따라 전극의 전기적 특성을 구하는 방법으로 생체 신호의 신호 대 잡음 비를 비교하는 방법이 있다. 그러나 이러한 종래 기술은 측정자의 인체 특성에 따라 전극의 성능이 정확하게 반영되지 않을 수 있어 측정자 개개인에 따라 차이가 크게 발생하는 한계가 있으며, 또한, 신호 대 잡음 비를 정의하는 방법 또한 차이가 존재하여 이에 따라 차이가 크게 발생하였다.
종래 기술 중에서 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 기술은 전극 표면의 전기적 특성을 정량적으로 추출하는 가장 대표적인 방법으로서, 보통 3-전극 시스템을 이용하기 때문에 전극의 특성 추출을 위해 측정하고자 하는 작업 전극(Working electrode) 뿐만 아니라 별도의 레퍼런스(Reference) 및 카운터 전극(Counter electrode)이 필수적으로 요구되며, 또한, 세 전극이 모두 전해질에 담겨져 있는 정적인 상황에서만 측정이 가능하다는 한계점이 있다.
또한, EIS 기술은 측정하고자 하는 주파수 별로 일일이 개별 신호를 발생시킨 후 각 신호를 분석하는 과정을 거치기 때문에 정확성이 높은 장점이 있으나, 측정 및 분석 시간이 오래 소요되는 단점이 있으며, 이에 따라 장비 가격이 수천만원에 이르는 등 고가로 구현될 수밖에 없어 비용 측면에서 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
이에, 상술한 문제점을 해결하고 비용 및 시간 측면에서 효율성을 개선할 수 있는 분석 기술에 대한 요구가 점차 증대되고 있다.
본 개시의 일 실시 예는 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 관심 주파수 범위에 대한 에너지 크기를 나타내는 주파수 도메인에서의 테스트 신호를 결정하고, 테스트 신호를 시간 도메인에서 나타내는 임펄스 신호를 이용하여 관심 주파수 영역에 대한 임피던스 특성을 결정함으로써 비용 및 시간 측면에서 효율성을 개선할 수 있는 방법 및 디바이스를 제공할 수 있다.
본 개시의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 개시의 제 1 측면에 따른 임피던스 특성 결정 방법은 관심 주파수 범위에 대한 에너지 크기를 나타내는 주파수 도메인에서의 테스트 신호를 결정하는 단계; 상기 테스트 신호를 시간 도메인에서 나타내는 임펄스 신호를 획득하는 단계; 상기 임펄스 신호를 전해질에 부착된 제 1 전극에 인가하는 단계; 상기 전해질에 부착된 제 2 전극에서 획득되는 응답 신호에 기초하여 상기 관심 주파수 범위에 대한 응답 크기를 획득하는 단계; 및 상기 응답 크기에 기초하여 상기 제 1 전극과 상기 전해질 사이의 임피던스 특성을 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 임피던스 특성을 결정하는 단계는 주파수에 따른 임피던스 크기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 임피던스 특성을 결정하는 단계는 상기 주파수에 따른 커패시턴스 또는 리액턴스의 크기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 임피던스 특성을 결정하는 단계는 상기 응답 크기에 대한 분석을 통해 결정되는 제 1 함수 및 기설정 제 2 함수와의 비교 결과를 획득하는 단계; 및 상기 비교 결과에 기초하여 상기 주파수에 따른 커패시턴스, 리액턴스 및 레지스턴스의 크기를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방법은 상기 관심 주파수 범위 중 기설정 저주파 범위에 대한 응답 크기에 기초하여 움직임에 의한 노이즈가 발생한 정도를 나타내는 노이즈 정량화 지수를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 관심 주파수 범위에 대한 응답 크기를 획득하는 단계는 상기 전해질이 정적 상태에 있을 때 상기 제 2 전극에서 획득되는 제 1 응답 신호 및 상기 전해질이 동적 상태에 있을 때 상기 제 2 전극에서 획득되는 제 2 응답 신호 각각에 기초하여, 상기 관심 주파수 범위에 대한 제 1 응답 크기 및 제 2 응답 크기 각각을 획득하는 단계;를 포함하고, 상기 정량화 지수를 결정하는 단계는 상기 저주파 범위에서 상기 제 1 응답 크기 및 상기 제 2 응답 크기 간의 비교 결과에 기초하여 상기 노이즈 정량화 지수를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 방법은 상기 노이즈 정량화 지수가 기설정값 이상인 경우, 상기 움직임에 의한 노이즈의 발생을 경고하는 메시지를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 관심 주파수 범위는 기설정 수 헤르츠(Hz)에서 수백 킬로헤르츠(kHz) 또는 수 메가헤르츠(MHz) 사이일 수 있다.
또한, 상기 임펄스 신호는 신호 발생기에 의해 상기 제 1 전극에 인가되고, 상기 응답 신호는 오실로스코프에 의해 상기 제 2 전극으로부터 획득될 수 있다.
본 개시의 제 2 측면에 따른 임피던스 특성을 결정하는 디바이스는 테스트 신호를 시간 도메인에서 나타내는 임펄스 신호를 전해질에 부착된 제 1 전극으로 출력하는 송신부; 상기 전해질에 부착된 제 2 전극에서 획득되는 응답 신호에 기초하여 관심 주파수 범위에 대한 응답 크기를 획득하는 수신부; 및 상기 관심 주파수 범위에 대한 에너지 크기를 나타내는 주파수 도메인에서의 상기 테스트 신호를 결정하고, 상기 응답 크기에 기초하여 상기 제 1 전극과 상기 전해질 사이의 임피던스 특성을 결정하는 프로세서;를 포함할 수 있다.
본 개시의 제 3 측면은 제 1 측면에 따른 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공할 수 있다. 또는, 본 개시의 제 4 측면은 제 1 측면에 따른 방법을 구현하기 위하여 기록매체에 저장된 컴퓨터 프로그램을 제공할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 관심 주파수 영역에 대한 임피던스 특성을 정확하고 신속하게 결정할 수 있다.
또한, 신호 발생기를 통해 임펄스 신호를 인가하고 오실로스코프를 통해 응답 신호를 측정할 수 있어 비용 및 시간 측면에서 효율성을 현저하게 개선할 수 있다.
또한, 인체를 대상으로 측정을 하는 경우, 신속하게 측정이 완료됨에 따라 인체가 시간에 따라 변화하는 비-동질적(inhomogeneous) 특성의 영향을 최소화할 수 있다.
또한, 움직이는 상태일 때에도 임피던스 특성을 정확하게 측정할 수 있으며, 움직임에 의한 노이즈가 발생한 정도를 정량화할 수 있다.
본 개시의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 개시의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 디바이스(100)의 동작을 설명하는 개념도이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 디바이스(100)의 구성의 일 예를 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 디바이스(100)가 임피던스 특성을 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시 예에 따른 디바이스(100)가 주파수 도메인에서의 테스트 신호를 결정하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시 예에 따른 디바이스(100)가 시간 도메인에서의 임펄스 신호를 획득하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 디바이스(100)가 응답 신호에 기초하여 관심 주파수 범위에 대한 응답 크기를 획득하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 은 일 실시 예에 따른 디바이스(100)가 동작하는 일 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 종래 기술에 따른 전극 표면의 특성 분석 결과와 일 실시 예에 따른 디바이스(100)의 전극 표면의 특성 분석 결과를 비교하는 그래프이다.
도 9는 일 실시 예에 따른 디바이스(100)가 움직임에 의한 노이즈가 발생한 정도를 분석하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
실시 예들에서 사용되는 용어는 본 개시에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 개시에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 개시의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부”, “…모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 개시의 실시 예에 대하여 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 개시는 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예들을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 디바이스(100)의 동작을 설명하는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 디바이스(100)는 전해질(electrolyte)(200)에 부착된 제 1 전극(electrode)(10) 및 제 2 전극(20)과 전기적으로 연결될 수 있고, 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)을 통해 전해질(200)에 대해 송수신되는 신호에 기초하여 측정 대상에 대한 임피던스 특성을 결정할 수 있다.
여기에서, 측정 대상은 전해질(200)에 부착된 전극과 전해질(200) 사이의 인터페이스를 나타내며, 일 실시 예에서, 제 1 전극(10)과 전해질(200) 사이의 임피던스 특성, 예컨대, 제 1 전극(10)과 제 2 전극(20) 사이에 위치하는 전해질(200)의 일면 또는 일부의 임피던스 특성을 나타낼 수 있다.
일 실시 예에서, 전해질(200)은 배터리 모듈에 포함되는 전해질일 수 있고, 예를 들면, 유기용매 및 리튬염을 포함하는 액체 전해질이거나, 고분자 및 리튬염을 포함하는 고체 고분자 전해질일 수 있으나, 어느 하나에 한정되지 않으며, 그밖에도 공지된 다양한 종류의 전해질을 통해 실시될 수 있다. 이러한 경우, 예컨대, 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)은 배터리 모듈에 포함되어 전해질(200)에 담기는 두 개의 전극(예: 양극, 음극)에 대응할 수 있고, 또는, 전해질(200)과 직간접적으로 연결되는 별도의 전극으로 구현될 수도 있다. 이들을 통해 결정되는 임피던스 특성은 배터리의 전극과 전해질 사이에서 발생하는 인터페이스 반응을 분석하는데 이용될 수 있다.
다른 일 실시 예에서, 전해질(200)은 인체에 포함되는 전해질일 수 있고, 예를 들면, 염화나트륨(NaCl)을 포함하는 신체의 일부를 국부적으로 의미할 수 있다. 이러한 경우, 예컨대, 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)은 측정 또는 분석하고자 하는 신체 부위(예: 심장, 안구, 근육 등) 부근의 피부 표면 상에 기설정 거리 이내로 인접하게 위치하도록 부착될 수 있고, 피부용 전극(예: Ag/AgCl)으로 구현될 수 있다. 이들을 통해 결정되는 임피던스 특성은 심전도를 나타내는 ECG(electrocardiogram) 신호, 안구 전위도를 나타내는 EOG(electrooculogram) 신호, 근전도를 나타내는 EMG(electromyography) 신호 등 다양한 인체 신호의 특성을 측정하거나 분석하는데 이용될 수 있다.
도 2는 일 실시 예에 따른 디바이스(100)의 구성의 일 예를 나타내는 블록도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 디바이스(100)가 임피던스 특성을 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2 내지 도 3을 참조하면, 디바이스(100)는 프로세스(110), 송신부(120) 및 수신부(130)를 포함할 수 있다.
단계 S310에서 프로세스(110)는 주파수 도메인에서의 테스트 신호를 결정할 수 있다. 여기에서, 테스트 신호는 관심 주파수 범위에 대한 에너지 크기를 나타낸다. 또한, 관심 주파수 범위는 임피던스 특성을 결정하고자 하는 주파수 범위를 나타내고, 사용자에 의해 설정될 수 있다. 일 실시 예에서, 관심 주파수 범위는 기설정 수 헤르츠(Hz)에서 수백 킬로헤르츠(kHz) 또는 수 메가헤르츠(MHz) 사이일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 예컨대, 측정 대상이 피부인 경우에는 약 90kHz까지의 주파수 범위로 설정될 수 있고, 측정 대상이 리튬 이온 배터리인 경우에는 4Hz ~ 5MHz 주파수 범위로 설정될 수도 있으며, 경우에 따라서 수 메가헤르츠에서 수십 메가헤르츠 사이의 값으로 설정될 수도 있는 등 다양한 범위의 값이 이용될 수 있다.
일 실시 예에서, 프로세스(110)는 사용자 입력에 기초하여 관심 주파수 범위 및 에너지 크기를 각각 획득하고, 주파수 도메인에서 관심 주파수 범위에 대한 에너지 크기를 나타내는 테스트 신호를 결정할 수 있다. 다른 일 실시 예에서, 프로세스(110)는 사용자 입력에 기초하여 테스트 신호의 결정에 이용되는 함수에 대한 정보를 획득하고, 획득된 함수에 대한 퓨리에(Fourier) 변환을 통하여 단위 주파수당 에너지의 분포를 결정하여 주파수 도메인에서의 테스트 신호를 결정할 수 있다.
일 실시 예에 따른 프로세스(110)는 도 4에 도시된 것처럼 주파수 도메인에서의 테스트 신호를 결정할 수 있다. 예컨대, 도 4(a)는 관심 주파수 범위가 0 이상 f0 이하이고 에너지 크기에 대응하는 PSD(power spectral density)의 크기가 E0 인 경우의 테스트 신호를 주파수(F)에 대한 X축 및 에너지(PSD)에 대한 Y축 상에 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 4(b)는 관심 주파수 범위가 0 이상 f1 이하이고 PSD의 크기가 E1 인 경우의 테스트 신호를 주파수(F)에 대한 X축 및 에너지(PSD)에 대한 Y축 상에 개념적으로 나타낸 도면이다.
단계 S320에서 프로세스(110)는 테스트 신호를 시간 도메인에서 나타내는 임펄스 신호를 획득할 수 있다. 일 실시 예에서, 테스트 신호에 나타나는 관심 주파수 범위 및 에너지 크기로부터 관심 주파수 범위 내에 있는 주파수 성분을 가지고 있는 임펄스 신호의 파형 및 출력 전압의 크기를 결정할 수 있다.
일 실시 예에서, 프로세스(110)는 도 5(a)에 도시된 것처럼 시간 도메인에서 무한한 크기의 전압을 출력하는 임펄스 신호를 결정할 수 있다. 예컨대, 도 5(a)는 관심 주파수 범위가 무한대(예: 도 4(a)에서 f0 가 무한대인 경우)이고 PSD의 크기가 E0 인 테스트 신호로부터 결정되어 모든 주파수 성분을 다 가지고 있는 임펄스 신호를 시간(T)에 대한 X축 및 출력 전압의 크기(V)에 대한 Y축 상에 개념적으로 나타낸 도면이고, 수학식 1에 기초하여 단위 임펄스 함수인 δ(0) = ∞ (t0=0)에 대응하도록 임펄스 신호의 파형 및 출력 전압의 크기를 결정할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
일 실시 예에서, 프로세스(110)는 도 5(b)에 도시된 것처럼 시간 도메인에서 유한한 크기의 전압을 출력하는 임펄스 신호를 결정할 수 있다. 예컨대, 도 5(b)는 관심 주파수 범위가 0 이상 f1 이하이고 PSD의 크기가 E1 인 테스트 신호로부터 결정되어 0 이상 f1 이하의 유한한 주파수 성분을 가지고 있는 임펄스 신호를 시간(T)에 대한 X축 및 출력 전압의 크기(V)에 대한 Y축 상에 개념적으로 나타낸 도면이다. 즉, 프로세스(110)는 0 이상 f1 이하의 관심 주파수 범위 및 E1의 에너지 크기를 이용하여 임펄스 신호의 전압 크기(V1) 및 시간 폭을 결정하고, 예컨대, 관심 주파수의 최대값 (f1)에 따라 임펄스 신호의 시간 폭 (“t1 ~ (t1 + t0)” 또는 “-t0/2 ~ t0/2”)을 결정하고, 전압 크기 및 시간 폭에 따라 정해진 면적을 갖는 임펄스 신호의 파형을 결정할 수 있다.
이처럼, 일 실시 예에 따른 임펄스 신호는 이론적으로 모든 주파수 성분을 다 가지고 있어 무한대 크기의 전압을 출력하는 일반적인 임펄스 신호가 아닌, 측정하고자 하는 관심 주파수 영역 내 주파수 성분만 가지고 있어 유한한 크기(예: V1)의 전압을 출력하는 임펄스 신호를 나타낸다. 이론적으로 무한대의 크기를 갖는 임펄스 신호를 생성하고자 하더라도 실질적으로 만들 수 있는 임펄스에는 한계가 있으며, 설계자가 측정하고자 하는 관심 주파수 영역은 수백 킬로 내지 수 메가 헤르츠까지인 경우가 대다수이므로, 측정하고자 하는 부분적인 주파수 성분을 갖는 임펄스 신호를 생성하여 신호 분석에 이용함으로써 비용 및 소요 시간 측면에서 현저하게 효율성을 개선할 수 있다.
단계 S330에서 송신부(120)는 임펄스 신호를 전해질(200)에 부착된 제 1 전극(10)에 인가할 수 있다. 예컨대, 제 1 전극(10), 전해질(200) 및 제 2 전극(20) 사이의 인터페이스에서 커패시턴스 성분이 형성될 수 있고, 송신부(120)는 제 1 전극(10)과 전기적으로 연결된 후 사용자 입력에 따라 도 5(b)에 도시된 임펄스 신호를 AC 신호로서 제 1 전극(10)으로 출력할 수 있으며, 이렇게 제 1 전극(10)에 출력된 임펄스 신호는 제 1 전극(10), 전해질(200) 및 제 2 전극(20) 사이에 형성된 커패시턴스 성분들을 통과하며 출력 크기 및 파형이 변화하게 된다.
일 실시 예에서, 송신부(120)는 기설정 파형을 갖는 신호를 발생시킬 수 있는 신호 발생기를 포함하고, 예컨대, 함수 발생기(Function generator)를 통해 구현될 수 있다.
단계 S340에서 수신부(130)는 전해질(200)에 부착된 제 2 전극(20)에서 획득되는 응답 신호에 기초하여 관심 주파수 범위에 대한 응답 크기를 획득할 수 있다. 예컨대, 수신부(130)는 제 2 전극(20)과 전기적으로 연결될 수 있고, 제 1 전극(10)에 임펄스 신호가 출력된 이후로 기설정 시간 구간(예: 5초) 내에 제 2 전극(20)에서 응답 신호를 측정할 수 있고, 측정된 시간 도메인에서의 응답 신호를 주파수 도메인으로 변환하여 관심 주파수 범위에 대한 응답 크기를 결정할 수 있다. 예컨대, 응답 크기는 테스트 신호와 비교하여 제 1 전극(10), 전해질(200) 및 제 2 전극(20) 사이에 형성된 커패시턴스 성분들을 통과하며 진폭(Magnitude) 및 위상(Phase)이 변화될 수 있다.
일 실시 예에서, 수신부(130)는 도 6(a)에 도시된 것처럼 커패시턴스 성분들을 통과하며 변화된 응답 신호를 측정하고, 도 (b)에 도시된 것처럼 측정된 응답 신호에 대해서 기저장된 알고리즘에 따라 퓨리에 변환 및 신호 분석을 수행하여 관심 주파수 범위에 대한 진폭(M) 및 위상(P)을 결정할 수 있다.
일 실시 예에서, 수신부(130)는 시간에 따른 입력 신호의 변화를 측정하는 신호 측정기를 포함하고, 예컨대, 오실로스코프(oscilloscope)를 통해 구현될 수 있다.
단계 S350에서 프로세스(110)는 응답 크기에 기초하여 제 1 전극(10)과 전해질(200) 사이의 임피던스 특성을 결정할 수 있다. 일 실시 예에서, 프로세스(110)는 응답 크기로부터 결정되는 관심 주파수 범위에 대한 진폭(M) 및 위상(P)에 따라 주파수에 따른 임피던스 크기를 결정하고, 예컨대, 주파수에 따른 커패시턴스 또는 리액턴스의 크기를 결정할 수 있다.
일 실시 예에서, 프로세스(110)는 응답 크기에 대한 분석을 통해 제 1 함수를 결정하고, 제 1 함수 및 기설정 제 2 함수와의 비교 결과를 획득하고, 비교 결과에 기초하여 주파수에 따른 커패시턴스, 리액턴스 및 레지스턴스의 크기를 결정할 수 있다. 예컨대, 임펄스 신호에 대한 응답 신호의 분석을 통해 시스템 함수로서 제 1 함수를 도출하고, 시스템 함수를 기저장된 이론적인 시스템 함수와 비교하여 제 1 전극(10) 내지 제 2 전극(0)의 접촉 저항과 접촉 커패시턴스를 추출할 수 있다.
이에 따라, 프로세스(110)는 별도의 레퍼런스(Reference) 및 카운터(Counter) 전극 없이도 전극 표면의 특성을 빠르고 간편하게 정량적으로 추출할 수 있으며, 배터리에 포함된 전극-전해질-전극과 같은 시스템에서뿐만 아니라 피부 상에서도 피부용 전극을 부착하여 간편하게 임피던스 특성을 측정할 수 있다.
또한, 송신부(120)를 통해 제 1 전극(10), 전해질(200) 및 제 2 전극(20)에 대해서 한 쪽 전극으로 임펄스 신호를 보낸 후, 수신부(130)를 반대쪽 전극에서 임펄스 신호에 대한 응답 신호를 측정하는 방식으로 비용 및 시간 측면에서 효율적으로 전극의 전기적 특성을 추출할 수 있다.
도 7 은 일 실시 예에 따른 디바이스(100)가 동작하는 일 예를 나타내는 도면이고, 도 8은 종래 기술에 따른 전극 표면의 특성 분석 결과와 일 실시 예에 따른 디바이스(100)의 전극 표면의 특성 분석 결과를 비교하는 그래프이다.
도 7을 참조하면, 송신부(120)는 함수 발생기로 구현되고, 수신부(130)는 오실로스코프로 구현되고, 프로세서(110)는 컴퓨터 등으로 구현될 수 있다. 예컨대, 함수 발생기의 출력 단자와 제 1 전극(10)을 연결하여 전극-전해질-전극 시스템의 한 쪽 전극으로 임펄스 신호를 보낸 후, 오실로스코프의 입력 단자와 제 2 전극(20)을 연결하여 전극-전해질-전극 시스템의 반대쪽 전극에서 임펄스 신호에 대한 응답 신호를 측정할 수 있고, 프로세서(110)는 측정된 응답 신호 및 이로부터 도출되는 관심 주파수 영역에 대한 응답 크기의 특성을 분석하여 전극 표면에 대한 임피던스 특성을 추출할 수 있다.
도 8을 참조하면, 일 실시 예에 따른 디바이스(100)의 분석 결과는 종래 보편적으로 사용되던 EIS(Electrochemical Impedance Spectroscopy) 방법과 비교하여 10.7%의 오차율을 보이는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 도 8(a)는 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)이 대표적인 피부용 전극으로 이용되는 Ag/AgCl인 경우, 종래 기술에 따라 분석된 주파수에 따른 진폭(Magnitude) 및 위상(Phase)의 크기를 각각 나타내는 제 1-1 그래프(811) 및 제 1-2 그래프(812)와, 디바이스(100)에 의해 분석된 주파수에 따른 진폭 및 위상의 크기를 각각 나타내는 제 2-1 그래프(821) 및 제 2-2 그래프(822)를 도시하고 있다.
또한, 도 8(b)는 제 1 전극(10) 및 제 2 전극(20)이 내식성 강철인 스테인리스 스틸(stainless steel)인 경우, 종래 기술에 따라 분석된 주파수에 따른 진폭 및 위상의 크기를 각각 나타내는 제 1-3 그래프(813) 및 제 1-4 그래프(814)와, 디바이스(100)에 의해 분석된 주파수에 따른 진폭 및 위상의 크기를 각각 나타내는 제 2-3 그래프(823) 및 제 2-4 그래프(824)를 도시하고 있다.
도 8(a) 내지 도 8(b)에 도시된 것처럼, 기존에 전극 표면 특성을 분석하기 위해 가장 보편적으로 사용되던 EIS 기술과 일 실시 예에 따른 디바이스(100)는 매우 낮은 오차율을 보이며 상호 유사한 분석 결과를 도출하고 있음을 알 수 있다.
일반적으로 EIS 기술은 상대적으로 측정 정확성이 높은 장점을 갖는 대신, 장비를 구현하기 위해 상당한 비용이 요구되고 그 측정 시간 또한 약 10분 이상 길게 소요되는 단점이 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 디바이스(100)는 비용 측면에서 현저하게 효율적인 신호 발생기와 오실로스코프 장비를 이용하여 전극의 전기적 특성 분석 결과를 EIS 기술과 유사한 정확성 수준으로 구현할 수 있으며, 약 5초 이내에 신속하게 측정이 가능한 효과가 있다.
또한, 인체를 대상으로 측정을 하는 경우, 전술한 것처럼 신속하게 측정이 완료됨에 따라 인체가 시간에 따라 변화하는 비-동질적(inhomogeneous) 특성의 영향을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 디바이스(100)가 움직임에 의한 노이즈가 발생한 정도를 분석하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 프로세스(110)는 관심 주파수 범위 중 기설정 저주파 범위에 대한 응답 크기에 기초하여 움직임에 의한 노이즈가 발생한 정도를 나타내는 노이즈 정량화 지수를 결정할 수 있다. 예컨대, 임펄스 신호에 대한 응답 신호가 획득 되면, 응답 신호를 기설정 주파수(예: 10Hz) 이하의 저주파 범위에서 분석하여 움직임에 의해 노이즈가 발생한 정도를 정량화할 수 있다.
도 9(a)는 전해질(200)이 정적 상태에 있을 때 제 2 전극(20)에서 획득되는 제 1 응답 신호(911) 및 전해질(200)이 동적 상태에 있을 때 제 2 전극(20)에서 획득되는 제 2 응답 신호(921) 각각의 일 예를 나타내고, 도 9(b)는 제 1 응답 신호(911) 및 제 2 응답 신호(921) 각각으로부터 분석되는 관심 주파수 영역에 대한 PSD의 크기를 나타내는 제 1 응답 크기(912) 및 제 2 응답 크기(922) 각각의 일 예를 나타낸다.
구체적으로, 프로세스(110)는 도 9(a)에 도시된 것처럼 전해질(200)이 정적 상태에 있을 때 제 1 전극(10)에 임펄스 신호를 인가하여 제 2 전극(20)에서 제 1 응답 신호(911)를 획득하고, 전해질(200)이 동적 상태에 있을 때 제 1 전극(10)에 임펄스 신호를 인가하여 제 2 전극(20)에서 제 2 응답 신호(921)를 획득할 수 있다. 또한, 프로세스(110)는 도 9(b)에 도시된 것처럼 제 1 응답 신호(911) 및 제 2 응답 신호(921) 각각에 기초하여, 관심 주파수 범위에 대한 제 1 응답 크기(912) 및 제 2 응답 크기(922) 각각을 획득할 수 있으며, 예컨대, 전술한 실시 예에 따라 제 1 응답 크기(912) 및 제 2 응답 크기(922) 각각을 분석해 관심 주파수 영역(예: 0~100Hz)에서 주파수에 따른 PSD 크기를 연산하여 제 1 응답 크기(912) 및 제 2 응답 크기(922)를 각각 산출할 수 있다.
프로세스(110)는 제 1 응답 크기(912) 및 제 2 응답 크기(922) 각각에 기초하여 전해질(200)이 정적 상태에 있을 때 제 1 전극(10) 및 전해질(200) 사이의 제 1 임피던스 특성 및 전해질(200)이 동적적 상태에 있을 때 제 1 전극(10) 및 전해질(200) 사이의 제 2 임피던스 특성을 각각 결정하고, 제 1 응답 크기(912)와 제 2 응답 크기(922) 간의 비교 결과 및 제 1 임피던스 특성과 제 2 임피던스 특성 간의 비교 결과를 포함하는 정보를 출력할 수 있다.
프로세스(110)는 저주파 범위에서 제 1 응답 크기(912) 및 제 2 응답 크기(922) 간의 비교 결과에 기초하여 노이즈 정량화 지수를 결정할 수 있다. 예컨대, 움직임에 의한 노이즈가 주로 형성되는 10 Hz 이하의 주파수 범위를 저주파 범위로 결정하고, 10 Hz 이하에서 제 1 응답 크기(912) 및 제 2 응답 크기(922) 간의 신호 세기 비율 또는 제 1 응답 신호(911) 및 제 2 응답 신호(921) 간의 신호 세기 비율을 연산하여 노이즈 정량화 지수를 산출할 수 있다.
일반적으로 움직임에 의한 잡음은 웨어러블 센서에서 생체 전기 신호의 측정을 방해하는 매우 치명적인 요소인 반면, 종래 기술은 장비 안에 측정 대상을 넣어 측정하는 구조이기 때문에 종래 기술에 따를 경우 움직이는 대상을 측정할 수 없으며 전극의 성능에 따라 움직임에 의한 잡음을 정량적으로 분석할 수도 없는 한계도 있었다.
그러나, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 디바이스(100)는 측정 대상에 접촉하는 전극과 함수 발생기 및 오실로스코프 간을 유선으로 연결하여 움직이는 환경에서 피부 위에 부착되는 전극과 피부 사이의 임피던스를 측정할 수 있으며, 임펄스 신호에 대한 응답 신호를 분석하여 움직임에 의한 노이즈가 주로 형성되는 약 10 Hz 이하의 신호 세기 비율을 계산하여 움직임에 의한 잡음을 정량화할 수 있는 효과가 있다.
일 실시 예에서, 프로세스(110)는 노이즈 정량화 지수가 기설정값 이상인 경우, 움직임에 의한 노이즈의 발생을 경고하는 메시지를 출력할 수 있다. 예를 들면, 임펄스 신호에 대하여 정적 상태와 동적 상태 각각에서 측정한 응답 신호를 비교하여 산출된 노이즈 정량화 지수가 설정값을 넘어서는 경우, 동적 상태에 따른 노이즈의 과다 발생을 알리는 경고 메시지 또는 경고 사운드를 출력할 수 있다. 다른 예를 들면, 정적 상태 또는 동적 상태가 결정되지 않은 전해질(200)에 대하여, 임펄스 신호에 대한 응답 신호를 저주파 범위(예: 0~10Hz)에서 분석하여 저주파 범위에서 PSD의 크기(예: 평균값, 최대값 등)와 기설정값(예: 3 V2/Hz) 간의 비교 결과(예: 비율)에 따라 노이즈 정량화 지수를 산출하고, 노이즈 정량화 지수가 기설정값 이상인 경우, 동적 상태에서 측정되어 움직임에 의한 노이즈가 상당량 발생하였음을 알리는 경고 메시지 및 정적 상태에서 재측정을 권장하는 권장 메시지를 출력할 수도 있다.
일 실시 예에서, 프로세서(110)는 전해질 종류 및 전극 종류에 기초하여 상기 기설정값을 결정할 수 있다. 예컨대, 전해질 종류에 부여되는 제 1 가중치 및 전극 종류에 부여되는 제 2 가중치를 기설정된 기본값에 반영하여 상기 기설정값을 결정하고, 이에 따라 노이즈 정량화 지수를 비교하여 메시지 출력 여부를 결정할 수 있다. 예를 들면, 전해질(200)에 대응하는 전해질 종류에 따라 상이한 제 1 가중치가 부여되고, 제 1 전극(10) 내지 제 2 전극(20)에 대응하는 전극 종류에 따라 상이한 제 2 가중치가 부여되며, 사용자 입력에 따라 전해질 종류 및 전극 종류가 결정되면 각각에 대응하여 기저장된 제 1 가중치 및 제 2 가중치를 가져와 제 1 가중치 및 제 2 가중치에 비례하도록 상기 기설정값을 갱신할 수 있다. 예를 들면, 전해질(200)이 사람의 피부인 경우가 배터리 전해질인 경우보다 더 높은 가중치가 부여될 수 있고, 제 1 전극(10) 내지 제 2 전극(20)이 피부용 전극인 경우가 배터리 전극인 경우보다 더 높은 가중치가 부여될 수 있으며, 제 1 가중치가 제 2 가중치보다 클 수 있다.
일 실시 예에서, 프로세서(110)는 임피던스 특성을 결정하기 위한 일련의 동작들을 수행할 수 있고, 디바이스(100)의 동작 전반을 제어하는 CPU(central processor unit)를 포함하여 구현될 수 있으며, 송신기(120), 수신기(130) 및 그 밖의 구성요소들과 전기적으로 연결되어 이들 간의 데이터 흐름을 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 프로세서(110), 송신기(120) 및 수신기(130) 각각은 독립적인 장치로 구현될 수 있으며, 예컨대, 전술한 것처럼 송신기(120) 및 수신기(130)는 각각 함수 발생기 및 오실로스코프로로 구현되고, 프로세서(110)는 데스크탑 PC, 태블릿 PC, 랩탑 PC 등의 컴퓨팅 장치로 구현될 수 있다. 다른 일 실시 예에서, 디바이스(100)의 구성 요소들은 하나의 통합된 장치로 구현될 수도 있다.
또한, 도 1에 도시된 구성요소들 외에 다른 범용적인 구성요소들이 디바이스(100)에 더 포함될 수 있음을 관련 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다. 예를 들면, 디바이스(100)는 다른 디바이스에 임피던스 특성을 포함하는 정보를 송수신하기 위한 통신 모듈, 제 1 전극(10) 또는 제 2 전극에 대한 전기적 연결을 보조하는 케이블 등을 더 포함할 수 있다.
한편, 상술한 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 방법에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 램, USB, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
전술한 본 개시의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 개시의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 개시의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 개시의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 디바이스
110: 프로세서 120: 송신부
130: 수신부
10: 제 1 전극 20: 제 2 전극
200: 전해질

Claims (10)

  1. 임피던스 특성 결정 방법에 있어서,
    관심 주파수 범위에 대한 에너지 크기를 나타내는 주파수 도메인에서의 테스트 신호를 결정하는 단계;
    상기 테스트 신호를 시간 도메인에서 나타내는 임펄스 신호를 획득하는 단계;
    상기 임펄스 신호를 전해질에 부착된 제 1 전극에 인가하는 단계;
    상기 전해질에 부착된 제 2 전극에서 획득되는 응답 신호에 기초하여 상기 관심 주파수 범위에 대한 응답 크기를 획득하는 단계; 및
    상기 응답 크기에 기초하여 상기 제 1 전극과 상기 전해질 사이의 임피던스 특성을 결정하는 단계;를 포함하는, 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 임피던스 특성을 결정하는 단계는
    주파수에 따른 임피던스 크기를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 임피던스 특성을 결정하는 단계는
    상기 주파수에 따른 커패시턴스 또는 리액턴스의 크기를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 임피던스 특성을 결정하는 단계는
    상기 응답 크기에 대한 분석을 통해 결정되는 제 1 함수 및 기설정 제 2 함수와의 비교 결과를 획득하는 단계; 및
    상기 비교 결과에 기초하여 상기 주파수에 따른 커패시턴스, 리액턴스 및 레지스턴스의 크기를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 관심 주파수 범위 중 기설정 저주파 범위에 대한 응답 크기에 기초하여 움직임에 의한 노이즈가 발생한 정도를 나타내는 노이즈 정량화 지수를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 관심 주파수 범위에 대한 응답 크기를 획득하는 단계는
    상기 전해질이 정적 상태에 있을 때 상기 제 2 전극에서 획득되는 제 1 응답 신호 및 상기 전해질이 동적 상태에 있을 때 상기 제 2 전극에서 획득되는 제 2 응답 신호 각각에 기초하여, 상기 관심 주파수 범위에 대한 제 1 응답 크기 및 제 2 응답 크기 각각을 획득하는 단계;를 포함하고,
    상기 정량화 지수를 결정하는 단계는
    상기 저주파 범위에서 상기 제 1 응답 크기 및 상기 제 2 응답 크기 간의 비교 결과에 기초하여 상기 노이즈 정량화 지수를 결정하는 단계를 포함하는, 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 노이즈 정량화 지수가 기설정값 이상인 경우, 상기 움직임에 의한 노이즈의 발생을 경고하는 메시지를 출력하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 관심 주파수 범위는
    기설정 수 헤르츠(Hz)에서 수백 킬로헤르츠(kHz) 또는 수 메가헤르츠(MHz) 사이인, 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 임펄스 신호는 신호 발생기에 의해 상기 제 1 전극에 인가되고,
    상기 응답 신호는 오실로스코프에 의해 상기 제 2 전극으로부터 획득되는, 방법.
  10. 임피던스 특성을 결정하는 디바이스에 있어서,
    테스트 신호를 시간 도메인에서 나타내는 임펄스 신호를 전해질에 부착된 제 1 전극으로 출력하는 송신부;
    상기 전해질에 부착된 제 2 전극에서 획득되는 응답 신호에 기초하여 관심 주파수 범위에 대한 응답 크기를 획득하는 수신부; 및
    상기 관심 주파수 범위에 대한 에너지 크기를 나타내는 주파수 도메인에서의 상기 테스트 신호를 결정하고, 상기 응답 크기에 기초하여 상기 제 1 전극과 상기 전해질 사이의 임피던스 특성을 결정하는 프로세서;를 포함하는, 디바이스.
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