專利名稱：一種阻抗譜的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種阻抗譜的測量方法。
技術(shù)背景 阻抗譜尤其是電化學(xué)阻抗譜是一種非常重要的測試表征方法，廣泛地應(yīng)用于電 池，腐蝕與防護，材料表征，電分析等眾多科研和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。阻抗譜的測量經(jīng)過幾十年 的發(fā)展不斷成熟與完善。目前最為通用的測試方法基于頻響分析(FRA)技術(shù)的方法，其基 本原理是在待測體系上施加一個一定頻率的小振幅正弦波，同時測定待測體系兩端的電壓 和流過待測體系的電流，然后根據(jù)數(shù)字相關(guān)的原理或者借助于FFT來計算對應(yīng)的阻抗值和 相位值。雖然基于FRA的阻抗測試方法準(zhǔn)確度高，可測量的頻率范圍和阻抗范圍都很寬， 抗噪音能力也很強，但該方法也有幾個很大的缺點。首先，該方法所需要的測試儀器非常之 復(fù)雜，價格昂貴，這使得阻抗譜僅僅局限于實驗室表征之用，很難廣泛應(yīng)用于實際生產(chǎn)監(jiān)控 及日常例行分析。此外，基于FRA的阻抗測試速度非常之慢，尤其是在測試頻率范圍下限很 低的時候，因此該方法不適合需要快速測量但對精度要求不是那么高的例行分析場合，也 不適合需要動態(tài)測量阻抗譜的場合。這兩個方面的局限性已經(jīng)在很多領(lǐng)域表現(xiàn)出來。如在基于阻抗譜的生物傳感器領(lǐng) 域，阻抗生物傳感器的最終目的是將其應(yīng)用于疾病的快速診斷，食品安全監(jiān)控，環(huán)境監(jiān)測等 等。然而阻抗測試儀器如此高昂的價格直接使得該目標(biāo)難以實現(xiàn)，此外基于FRA的阻抗測 試方法速度很慢，很難實現(xiàn)并行測試，這進一步限制了該方法向?qū)嶋H用方向發(fā)展。又如在電 化學(xué)研究中，最近已經(jīng)有相當(dāng)多的研究工作者提出動態(tài)阻抗譜的概念，他們指出阻抗譜發(fā) 展的下一個方向是動態(tài)阻抗譜與局部阻抗譜。基于FRA的方法只能測量穩(wěn)態(tài)阻抗譜，無法 測定動態(tài)阻抗譜。因此，研究一種快速，簡單的阻抗測量方法具有很重要的科學(xué)意義和實用 價值。實際上除了 FRA的阻抗測量方法外，還有一類被稱為時域方法的阻抗測量方法。 該類方法的特點就是測試速度非常之快，可以滿足上面提到的速度方面的要求。但這類方 法所需要的儀器也都非常的復(fù)雜昂貴，將其應(yīng)用于民用終端產(chǎn)品在成本方面將會有很大壓 力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有阻抗譜測量方法的缺陷，提供一種阻抗譜的測量方 法，實現(xiàn)在極短的時間內(nèi)測量很寬頻率范圍的阻抗譜，同時可以大大簡化所需的測試儀器， 降低儀器成本。本發(fā)明的阻抗譜的測量方法包括如下步驟(1)在待測體系上施加一個恒定電壓Etl，同時每隔0. Is采集一次響應(yīng)電流；(2)在步驟(1)中所述電流響應(yīng)達到一個穩(wěn)定值的時候，記錄下此穩(wěn)定電流值，同時將施加在測試體系上的電壓在Ius內(nèi)迅速升到另外一個電壓值E1，其電壓階躍幅度為ΔΕ = E2-E1 I ；(3)在步驟⑵中所述電壓階躍觸發(fā)的同時以Fs為采樣率采集電流響應(yīng)I⑴；(4)對所采集的電流I⑴進行數(shù)字微分；(5)利用傅里葉變換根據(jù)Ζ( = 歹{可/(0]/論}計算出待測體系的阻抗譜，其 中F表示FFT。本發(fā)明的阻抗譜的測量方法也可以采取如下步驟(1)在待測體系上施加一個恒定電流Itl,同時每隔0. Is采集一次響應(yīng)電壓；(2)在步驟(1)中所述電壓響應(yīng)達到一個穩(wěn)定值的時候，記錄下此穩(wěn)定電壓值， 同時將施加在測試體系上的電流在Ius內(nèi)迅速升到另外一個電流值I1，其電流階躍幅度為 ΔΙ = I2-I1 I ；(3)在步驟⑵中所述電流階躍觸發(fā)的同時以Fs為采樣率采集電壓響應(yīng)E (t)；(4)對所采集的電壓E⑴進行數(shù)字微分；(5)利用傅里葉變換根據(jù)= F{4五0)]/釗/Δ7計算出待測體系的阻抗譜，其 中F表示FFT。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的阻抗測量方法具有如下的有益效果1.大大提高阻抗譜測量速度，理論上如果本測量方法數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣速率為 Fs，總采樣時間為T，總采樣點數(shù)為N，則可以測量的阻抗范圍為1/T Fs/2。如果Fs = 200Ksps，T = ls，N = 200K，則在此Is的時間內(nèi)便可測量從IHz IOOKHz這個頻率范圍內(nèi) 的阻抗譜。而傳統(tǒng)FRA方法則需要3 4分鐘。2.該方法可以大大簡化阻抗測量儀器，本方法所需要的阻抗測量系統(tǒng)只需要一個 高速的電壓/電流控制系統(tǒng)以及一個高速度，高分辨率的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)即可。一個帶高速 ADC和DAC的混合信號單片機配合幾個運放即可勝任。3.由于該測量方法所需要的儀器簡單，價格低廉，使得基于該阻抗測量方法的儀 器更有可能運用于實際生產(chǎn)監(jiān)控及日常例行分析。
四

圖1是本發(fā)明基于階躍響應(yīng)的阻抗譜的測量方法原理示意圖；圖2是本發(fā)明阻抗譜的測量方法步驟示意圖；圖3是實際水溶液中的電化學(xué)體系測得電壓階躍響應(yīng)示意圖；圖4是對圖3測得的電壓階躍響應(yīng)的微分及其經(jīng)FFT后得到的阻抗譜；圖5是用傳統(tǒng)方法測試圖3所述的水溶液中的電化學(xué)體系得到的阻抗譜。
具體實施例方式1.阻抗測量的基本原理首先假設(shè)待測系統(tǒng)是一個線性時不變系統(tǒng)，對于大多數(shù)體系該假設(shè)在電壓/電流 擾動幅度很小的時候是成立的。對于任意一個線性時不變系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出和輸入之間的 關(guān)系可以用這個系統(tǒng)的傳輸函數(shù)來定量描述。而一個系統(tǒng)的阻抗譜正是電壓和電流之間的 傳輸函數(shù)，因此，只要能測出一個系統(tǒng)對電壓或者電流的傳輸函數(shù)，便可得到該系統(tǒng)的阻抗譜。在信號處理領(lǐng)域，表征一個系統(tǒng)傳輸函數(shù)的方法是測定一個系統(tǒng)的單位脈沖響應(yīng)。然而單位脈沖只是理論上的一個數(shù)學(xué)表達式，無法在實際模擬電路中產(chǎn)生。在數(shù)學(xué)上如果對一 個單位脈沖函數(shù)進行積分，便可得到一個單位階躍函數(shù)，該函數(shù)是可以在實際電路中長生， 并施加到待測體系的。對于一個線性是不變系統(tǒng)，將一個單位階躍函數(shù)施加到待測體系，然 后再將響應(yīng)信號予以微分，最終得到結(jié)果是與將單位脈沖函數(shù)直接施加到待測體系等同的 (如圖1所示)。在實際測量中，在得到階躍響應(yīng)后只需要按照圖2所示的步驟對數(shù)據(jù)進行 處理便可得到系統(tǒng)的阻抗譜。2.阻抗測量的實際方法這里以一個實際水溶液中的電化學(xué)體系，采用電壓階躍的方式為例來說明。測試 儀器使用普通加法式的恒電位儀，鉬片為對電極，飽和甘汞電極為參比電極，ITO玻璃為工 作電極。測試前，首先測試體系的開路電位，然后將開路電位施加在該待測體系上，并每隔 0. 1秒鐘采集一次電流響應(yīng)。1秒鐘后開始比較新采集的10個點的值，如果這10個點的值 已經(jīng)沒有明顯的差異，就可以認為電流已經(jīng)達到了穩(wěn)態(tài)。此時記錄下這10個點的平均值， 并觸發(fā)電位階躍以及高速電路采集。電位階躍的幅度為10mv，電流采集的速率為200KSPS， 采樣時間視儀器的RAM容量以及所需要測試的頻率范圍下限而定。假設(shè)儀器RAM為64KB， 采樣0. Is即可占用40KB的容量。按照這個步驟測試得到的實驗結(jié)果如圖3所示。在得到圖3所示的電壓階躍響應(yīng)之后，需要將其微分，以便得到其對應(yīng)的單位脈 沖響應(yīng)。由于實際測試中會不可避免會受到噪音的干擾，而噪音會嚴(yán)重影響最終的結(jié)果，所 以有必要對噪音進行處理。本發(fā)明中所采用的處理噪音的方法是變窗寬移動平均平滑，該 平滑方法與常規(guī)移動平均平滑的不同之處在于，隨著平均窗口的移動，其窗寬從1到N/10 按對數(shù)規(guī)律增加。該處理方法的優(yōu)點在于既可以保持階躍初始階段信號不變，同時又可以 大大衰減其余部分的噪音水平。對圖3所示的電壓階躍做微分處理的結(jié)果如圖4所示，進一步做傅里葉變換按照 本發(fā)明所述公式即可實現(xiàn)對阻抗譜的測量。在本測試中，電流信號的采樣速率為200Ksps， 總采樣時間為0. ls，總數(shù)據(jù)點數(shù)為20K。最終得到的阻抗譜頻率范圍為ΙΟΗζ-ΙΟΟΚΗζ，測試 時間僅僅為0. ls，加上測試前等待系統(tǒng)平衡的時間一共才幾秒鐘。完全按照上述方法，對不 同的體系進行測試，同時也用傳統(tǒng)的FRA方法進行測試，其結(jié)果如圖5所示。通過比較可發(fā) 現(xiàn)，這兩種方法得到的結(jié)果基本一致。上述實施例是以電壓階躍作為激發(fā)信號，以電流作為響應(yīng)信號來進行阻抗譜的測 量的。其對應(yīng)的以電流階躍作為激發(fā)信號，以電壓作為響應(yīng)信號的測量方法在測量步驟上 與上述實施例完全形同，只是在計算的時候要分別按照第三部分發(fā)明內(nèi)容中所述對應(yīng)的公 式進行計算。
權(quán)利要求
一種阻抗譜的測量方法，其特征在于包括如下步驟(1)在待測體系上施加一個恒定電壓E0，同時每隔0.1s采集一次響應(yīng)電流；(2)在步驟(1)中所述電流響應(yīng)達到一個穩(wěn)定值的時候，記錄下此穩(wěn)定電流值，同時將施加在測試體系上的電壓在1us內(nèi)迅速升到另外一個電壓值E1，其電壓階躍幅度為ΔE＝|E2-E1｜；(3)在步驟(2)中所述電壓階躍觸發(fā)的同時以Fs為采樣率采集電流響應(yīng)I(t)；(4)對所采集的電流I(t)進行數(shù)字微分；(5)利用傅里葉變換根據(jù)計算出待測體系的阻抗譜，其中F表示FFT。FSA00000161999600011.tif
2.一種阻抗譜的測量方法，其特征在于包括如下步驟(1)在待測體系上施加一個恒定電流V同時每隔0.Is采集一次響應(yīng)電壓；(2)在步驟(1)中所述電壓響應(yīng)達到一個穩(wěn)定值的時候，記錄下此穩(wěn)定電壓值，同時將 施加在測試體系上的電流在lus內(nèi)迅速升到另外一個電流值L，其電流階躍幅度為AI =I2"Ii I ；(3)在步驟(2)中所述電流階躍觸發(fā)的同時以Fs為采樣率采集電壓響應(yīng)E(t)；(4)對所采集的電壓E(t)進行數(shù)字微分；(5)利用傅里葉變換根據(jù)五⑴]/剩/A7計算出待測體系的阻抗譜，其中F 表示FFT。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種阻抗譜的測量方法，其測量步驟為在待測體系上施加一個恒定電壓，同時采集其電流響應(yīng)，在所采集的電流響應(yīng)達到一個穩(wěn)定值的時候，將施加在測試體系上的電壓迅速升到另外一個值，同時以一定的采樣率采集電流響應(yīng)。對所采集的電流響應(yīng)進行數(shù)字微分和傅里葉變換，即可計算出待測體系的阻抗譜。該方法所需要的測試儀器非常簡單，價格低廉，且測量速度非常之快，可以在1秒鐘以內(nèi)測量100KHz～1Hz范圍內(nèi)的阻抗譜。因此該測量方法非常適合于阻抗傳感器，各種電池以及超級電容等阻抗譜的快速測量、實時監(jiān)測等實際應(yīng)用場合。
文檔編號G01R27/14GK101871974SQ201010204648
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月18日
發(fā)明者王立世, 黃新建 申請人:華南理工大學(xué)