基于阻抗特性的傳感器 - 阻抗的基礎(chǔ)應(yīng)用

　　考慮一個(gè)基于阻抗特性的傳感器，在正常條件下根據(jù)其電容、電感和電阻特性的組合情況會(huì)產(chǎn)生一個(gè)特定的阻抗信號(hào)。如果傳感器周圍環(huán)境的變化引起上述特性的任何變化，結(jié)果都會(huì)造成阻抗的改變。通過測(cè)量這種阻抗傳感器隨頻率變化得到的一系列新的阻抗特性將會(huì)產(chǎn)生由此變化的相應(yīng)結(jié)果。

　　一種相當(dāng)簡(jiǎn)單的方法就是將阻抗的測(cè)量值和預(yù)測(cè)值比較以便得出某種結(jié)論。按照這種工作原理的一個(gè)實(shí)例就是一種采用渦流原理的金屬檢測(cè)傳感器。因?yàn)樵谖挥趥鞲衅魍鈿さ木€圈中產(chǎn)生一個(gè)高頻AC信號(hào)。該線圈產(chǎn)生的電磁場(chǎng)在導(dǎo)電靶中感應(yīng)出渦流。從而這個(gè)渦流與該傳感器線圈相互作用，所以改變了其阻抗。

　　測(cè)量線圈阻抗隨頻率變化的能力可提供許多好處。因?yàn)椴牧系臐B透率會(huì)影響線圈的阻抗，所以利用經(jīng)驗(yàn)阻抗特性可得出某些有關(guān)金屬類型的結(jié)論。采用這種方法還可以用來允許該阻抗特性傳感器檢測(cè)具有不同滲透率的金屬。滲透率變化還可以用于測(cè)量金屬壓力，因?yàn)閴毫ψ兓瘯?huì)改變滲透率，而滲透率的變化又會(huì)改變阻抗。波特圖和奈奎斯特圖在檢查傳感器的頻率響應(yīng)方面是很有用的。測(cè)量大量頻率點(diǎn)的阻抗比測(cè)量單個(gè)頻率點(diǎn)的阻抗得到的結(jié)果精確，因?yàn)樗兄谕ㄟ^平均去掉噪聲。它還通過在某些特定條件下測(cè)量電容分量和電感分量的頻率響應(yīng)確定出最佳的工作頻率點(diǎn)。

　　將阻抗的測(cè)量值和其理想值相比較的方法可適用于許多不同的基于阻抗特性能引起電阻、電容或電感變化的傳感器技術(shù)。常見的應(yīng)用范圍包括從采用化學(xué)傳感器的氣體檢測(cè)、基于電容特性的濕度傳感器、游戲或食品業(yè)中的金屬硬幣或顆粒特征識(shí)別，一直到農(nóng)業(yè)中的土壤監(jiān)測(cè)。

　　不僅是一種傳感器

　　阻抗分析可包含極其簡(jiǎn)單地將阻抗響應(yīng)特性與其理想特性相比較。阻抗頻譜法(IS)也通常習(xí)慣用于表征系統(tǒng)以及獲取有關(guān)系統(tǒng)的有價(jià)值信息。本文的目的是將系統(tǒng)從總體上定義為一個(gè)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(xué)傳感器的情況下)或者固體與液體(當(dāng)測(cè)量液體中某種成分的濃度時(shí))之間的界面。采用IS可以得到有關(guān)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(shí)：如果給界面施加很小的電位，它就會(huì)極化。按照界面極化與當(dāng)施加電位倒相時(shí)能改變電化學(xué)反應(yīng)的速率相結(jié)合的方法表征界面的特性。對(duì)于系統(tǒng)界面，例如吸附和反應(yīng)速率常數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)和電容等信息都可以得到。對(duì)于元件本身有關(guān)其介電常數(shù)、電導(dǎo)率、電荷均衡遷移率、各成分濃度以及大的生成率和復(fù)合率等信息都可以估計(jì)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(chǔ)。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。我們要找的模型就是在不同頻率下其阻抗要與測(cè)得的阻抗特性相匹配。在理想情況下，選擇模型的元件和互連方式以表示特定的電化學(xué)特性，而且要基于該過程的物理特性?？梢圆捎梦墨I(xiàn)中已有的模型，也可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立一種模型。

　　在根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建立模型的情況下，要在經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)量數(shù)據(jù)之間找到最佳匹配。因?yàn)槟Ｐ椭械脑灰欢偸欠想娀瘜W(xué)過程的物理特性，所以可以單獨(dú)構(gòu)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(yàn)?zāi)Ｐ?。通常根?jù)非線性最小二乘法匹配(NLLS)算法原理來完成模型的建立。借助于計(jì)算機(jī)，利用NLLS算法先初步估計(jì)模型參數(shù)，然后逐步改變每個(gè)模型參數(shù)，最后得到最佳匹配結(jié)果。采用軟件疊迭代處理直至找到可以接受的最佳匹配結(jié)果。

　　數(shù)據(jù)分析和等效電路模型都應(yīng)當(dāng)非常小心對(duì)待，而且要進(jìn)行盡可能多的模型驗(yàn)證。雖然通過增加元件數(shù)量幾乎總可以建立一個(gè)非常合適的模型，但是這樣并不能認(rèn)為它就代表了系統(tǒng)的電化學(xué)過程。一般說來，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻?yīng)該采用盡可能少的元件，而且應(yīng)當(dāng)盡可能采用基于系統(tǒng)電化學(xué)過程理論基礎(chǔ)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(yàn)?zāi)Ｐ?。雖然有可能得到一個(gè)很好的最小二乘法匹配模型，但是它仍然有一個(gè)不能代表該物理系統(tǒng)的不恰當(dāng)模型。還有可能NLLS擬合算法或者對(duì)測(cè)量特性有漏掉的部分或者沒有收斂。這是因?yàn)楹芏嗨惴ǘ荚噲D在整個(gè)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(diǎn)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(yīng)用，也是一個(gè)很好的實(shí)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，它可以導(dǎo)致過早損失。自動(dòng)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(shì)，而且有助于最佳化預(yù)防性地維護(hù)系統(tǒng)。

　　除了確定腐蝕的程度，通過監(jiān)測(cè)腐蝕的速率還有可能預(yù)測(cè)金屬疲勞。產(chǎn)生金屬疲勞后，在小裂縫出現(xiàn)的地方會(huì)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(dāng)?shù)乜欤伊鸭y擴(kuò)展的速率以及并發(fā)的腐蝕代表了金屬疲勞的程度。早期鑒定腐蝕的方法，特別是在無法看到的很難達(dá)到的位置，可以防止或者減慢嚴(yán)重腐蝕的破壞。它還可以用于幫助在現(xiàn)實(shí)條件下鑒定不同的保護(hù)涂層。

　　下面是根據(jù)物理學(xué)知識(shí)和腐蝕期間發(fā)生的電化學(xué)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(gè)電阻器(Rp)和電容器(Cp)相并聯(lián)再與一個(gè)電阻器Rs相串聯(lián)表示。

　　圖3. 用于腐蝕分析的常用等效電路

　　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(hù)涂層或涂料。這表示初始涂層的電容。經(jīng)過一段時(shí)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，穿過溶液與金屬之間的保護(hù)涂層形成離子導(dǎo)電路徑。這可以用R? 與Cc并聯(lián)模型表示來。另外，有些模型(模型B)還有一個(gè)附加的R和C并聯(lián)起來再與R?串聯(lián)來表示金屬保護(hù)涂層隨著時(shí)間變化的分層模型。

　　金屬所在的溶液的電阻率或電導(dǎo)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?yàn)榭梢杂杀Ｗo(hù)涂層的介電常數(shù)(通常由廠商提供)及其覆蓋的面積計(jì)算得到。然后就是求解R?以便確定腐蝕的程度。通常通過曲線擬合算法得到測(cè)量阻抗特性數(shù)據(jù)的最佳擬合來解決這個(gè)問題。采用波特圖也是很常用的方法，它根據(jù)其阻抗頻率響應(yīng)和相位頻率響應(yīng)來檢測(cè)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(xué)系統(tǒng)。例如，它可以用于優(yōu)化燃料電池性能，預(yù)測(cè)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(xué)性能。

　　電路設(shè)計(jì)

　　等效電路模型一旦確定，就必須設(shè)計(jì)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(xiàng)既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)的工作，需要不可或缺的電子學(xué)知識(shí)以便優(yōu)化電路設(shè)計(jì)。

　　設(shè)計(jì)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(xué)系統(tǒng)中必須避免采集到的數(shù)據(jù)受到電化學(xué)過程本身的干擾。所以通常采用小的AC信號(hào)，并且還很重要的一點(diǎn)就是不能在系統(tǒng)中引入DC電位差，因?yàn)樗鼤?huì)導(dǎo)致進(jìn)一步的電化學(xué)反應(yīng)。然后必須用ADC采集系統(tǒng)對(duì)激勵(lì)頻率的響應(yīng)。在有些設(shè)計(jì)中需要兩個(gè)ADC分別用于捕獲激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)。這是很復(fù)雜的，因?yàn)樾枰獌蓚€(gè)ADC同步采樣以便檢測(cè)出信號(hào)之間的相位變化。AD5933就是一種典型的集成電路(IC)芯片，它提供可編程頻率掃描發(fā)生器和集成的ADC，該ADC可以激勵(lì)頻率配合工作來獲取響應(yīng)信號(hào)。另外，整個(gè)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(hào)大小也要足夠才能得到好的測(cè)量結(jié)果，但是信號(hào)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?yàn)榇郎y(cè)元件通常具有未知的阻抗范圍，所以通常最開始需要做一些反復(fù)試驗(yàn)法來優(yōu)化系統(tǒng)并且確保它的線性特性。將響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式后，通常將數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行下一步的分析。最新的解決方案，例如AD5933，在送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理之前提取了響應(yīng)信號(hào)的實(shí)部和虛部，在芯片內(nèi)就完成了大量的分析。這樣大大減輕了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算負(fù)擔(dān)，并且提高了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量，因?yàn)槟M信號(hào)處理電路適合與其它的功能模塊配合工作。應(yīng)當(dāng)記住的是，盡管計(jì)算機(jī)很容易能提供4位或高于4位的結(jié)果(除非測(cè)量的模擬信號(hào)是無效的)，而且注意到保證整個(gè)系統(tǒng)保持線性，但最終結(jié)果還是會(huì)有誤差的。精心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證以便獲得有效的測(cè)量是提高最終結(jié)果精度的關(guān)鍵。