阻抗測量方法在傳感器技術中的應用

阻抗分析不僅僅包含簡單地將阻抗響應特性與其理想特性相比較。阻抗頻譜法(IS)通常用于表征系統(tǒng)以及獲取有關系統(tǒng)的有價值信息。本文的目的是將系統(tǒng)從總體上定義為一個元件或者與電極有電接觸的材料。這種接觸可以是固體與固體(在許多化學傳感器的情況下)或者固體與液體(當測量液體中某種成分的濃度時)之間的界面。采用IS可以得到有關元件本身和元件與電極之間界面的信息。

IS的原理利用這樣的事實：如果給界面施加很小的電位，它就會極化。界面極化的方式與當施加電位反轉(zhuǎn)時極化改變的速度相結合，可以表征界面的特性。對于系統(tǒng)界面，例如吸附和反應速率常數(shù)、擴散系數(shù)和電容等信息都可以得到。對于元件本身，有關其介電常數(shù)、電導率、電荷均衡遷移率、各成分濃度以及大量生成率和復合率等信息都可以估計出來。

系統(tǒng)或元件的等效電路模型是分析阻抗掃描所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的基礎。這種模型通常是所連接的電阻器、電容器和電感器的組合，以便模擬該系統(tǒng)的電特性。我們要找的模型要求在不同頻率下其阻抗要與測得的阻抗特性相匹配。在理想情況下，模型的元件和互連方式的選擇要用來表示特定的電化學特性，而且要符合該過程的物理特性?？梢圆捎梦墨I中已有的模型，也可以根據(jù)經(jīng)驗建立一種新模型。

在根據(jù)經(jīng)驗建立模型的情況下，要在經(jīng)驗模型和測量數(shù)據(jù)之間找到最佳匹配。因為模型中的元件不一定總是符合電化學工藝的物理特性，所以可以單獨構建模型以便得到最佳匹配。通過逐步增大或減小元件的阻抗直至得到最佳匹配，便可以建立起經(jīng)驗模型。通常根據(jù)非線性最小二乘法擬合(NLLS)原理來完成建模。借助于計算機，利用NLLS算法先初步估計模型參數(shù)，然后逐步改變每個模型參數(shù)，并評估產(chǎn)生的擬合結果。采用軟件迭代處理直至找到可以接受的最佳擬合結果。

圖3. 用于腐蝕分析的常用等效電路

數(shù)據(jù)分析和等效電路模型都應當非常小心的對待，而且要進行盡可能多的模型驗證。雖然通過增加元件幾乎總可以建立一個非常合適的模型，但是這樣并不能認為它就代表了系統(tǒng)的電化學工藝。一般說來，經(jīng)驗模型應該采用盡可能少的元件，而且應當盡可能采用基于系統(tǒng)電化學工藝理論基礎的物理模型。

另外，通?？梢越⒕哂邢嗤杩固匦缘脑S多不同的經(jīng)驗模型。雖然可能得到一個很好的最小二乘法匹配模型，但仍然有可能得到不能代表該物理系統(tǒng)的不恰當模型。還有可能NLLS擬合算法對測量特性有部分遺漏或者沒有收斂。這是因為很多算法都試圖在整個頻譜范圍內(nèi)優(yōu)化擬合曲線，所以有可能漏掉了頻譜中某些特定頻率點上不好的擬合數(shù)據(jù)。

腐蝕分析是采用IS法表征系統(tǒng)特性的常見應用，也是一個很好的實例。金屬的腐蝕(例如鋁和鋼)是許多行業(yè)中的重大安全考慮因素。如果不重視的話，它會導致金屬壽命過早結束。自動監(jiān)視腐蝕的能力能顯著節(jié)省成本，具有安全和可靠性優(yōu)勢，而且有助于最佳化預防性地維護系統(tǒng)。

除了確定腐蝕的程度，通過監(jiān)測腐蝕的速率還有可能預測金屬疲勞。產(chǎn)生金屬疲勞后，在小裂縫出現(xiàn)的地方會從有彈性變?yōu)闆]有彈性。這些裂縫是新的，但是腐蝕速率相當?shù)乜?，而且裂紋擴展的速率以及隨后的腐蝕代表了金屬疲勞的程度。早期鑒定腐蝕的方法，特別是在很難達到且無法看到的位置，可以防止或者減慢嚴重腐蝕的破壞。它還可以用于幫助在現(xiàn)實條件下鑒定不同的保護涂層。

下面是根據(jù)物理學知識和腐蝕期間發(fā)生的電化學工藝過程建立的一種腐蝕過程等效電路模型。常用于腐蝕監(jiān)視的等效電路用一個電阻器(Rp)和電容器(Cp)相并聯(lián)再與一個電阻器Rs相串聯(lián)表示。

在模型A中電阻器Rs表示金屬所在的溶液，而電容Cc表示金屬表面的保護涂層或涂料，這表示初始涂層的電容。經(jīng)過一段時間后，水滲入涂層中形成新的液體和金屬界面。隨著金屬的腐蝕，通過溶液與金屬之間的保護涂層形成離子導電路徑。這可以用Rx與Cc并聯(lián)模型來表示。另外，有些模型(模型B)還有一個附加的R和C并聯(lián)起來再與Rx串聯(lián)的電路來表示金屬保護涂層隨著時間變化的分層模型。

金屬所在的溶液的電阻率或電導率通常是已知的或者很容易獲得，所以可以得到Rs。還可以得到Cp的值，因為可以由保護涂層的介電常數(shù)(通常由廠商提供)及其覆蓋的面積計算得到。然后就是求解RX以便確定腐蝕的程度。通常通過曲線擬合算法得到測量阻抗特性數(shù)據(jù)的最佳擬合來解決這個問題。波特圖也是很常用的方法，它根據(jù)其阻抗頻率響應和相位頻率響應來檢測腐蝕傳感器的特性。

IS法不僅僅限于腐蝕分析，還可以用于表征多種電化學系統(tǒng)。例如，它可以用于優(yōu)化燃料電池性能，預測電池健康狀況，檢查液體中某種成分的濃度以便確定其質(zhì)量，還可以表征某種材料的電化學性能。

優(yōu)化電路設計

等效電路模型一旦確定，就必須設計電子數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)來完成頻率掃描和獲取數(shù)據(jù)。這通常是一項既復雜又費時的工作，需要不可或缺的電子學知識以便優(yōu)化電路設計。

設計的電路必須能在有用的范圍內(nèi)以要求的分辨率產(chǎn)生頻率掃描。在許多電化學系統(tǒng)中必須避免采集到的數(shù)據(jù)受到電化學工藝本身的干擾。所以通常采用小的AC信號，并且還很重要的一點就是不能在系統(tǒng)中引入DC電位差，因為它會導致進一步的電化學反應。然后必須用ADC采集系統(tǒng)對激勵頻率的響應。在有些設計中需要兩個ADC分別用于捕獲激勵信號和響應信號。這是很復雜的，因為需要兩個ADC同步采樣以便檢測出信號之間的相位變化。

AD5933就是一種典型的集成電路芯片，它提供可編程頻率掃描發(fā)生器和集成的ADC，該ADC可以與激勵頻率一起工作來獲取響應信號。另外，整個系統(tǒng)必須保持線性。換句話說就是系統(tǒng)的總帶寬必須足夠而且信號大小也要足夠才能得到好的測量結果，但是信號又不能太大以至于超過ADC或其它元件的量程而引起失真。因為待測元件阻抗范圍通常未知，所以通常最開始需要做一些反復試驗來優(yōu)化系統(tǒng)并且確保它的線性特性。將響應信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后，通常將數(shù)字信號送入計算機進行下一步的分析。

最新的解決方案，例如AD5933，在送給計算機進行處理之前提取了響應信號的實部和虛部，在芯片內(nèi)完成了大量的分析。這樣大大減輕了計算機的運算負擔，并且提高了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，因為模擬信號處理電路經(jīng)過優(yōu)化與其它的功能模塊配合工作。應當特別注意的是，在使整個系統(tǒng)保持線性的同時，模擬信號的測量結果要經(jīng)過驗證，否則盡管計算機能輕易提供4位或高于4位的精度，最終結果還是會有偏差。精心的系統(tǒng)設計和驗證以獲得有效的測量是提高最終結果精度的關鍵。