專利名稱：應(yīng)用于電化學(xué)測量的便攜式阻抗譜分析儀及阻抗譜分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電化學(xué)阻抗譜分析領(lǐng)域，具體涉及一種應(yīng)用于電化學(xué)測量的便攜式阻抗譜分析儀及分析方法。
背景技術(shù)：
在電化學(xué)性能的研究過程中，多采用測量電化學(xué)阻抗譜的方法。電化學(xué)阻抗譜方法(ElectrochemicalImpedance Spectroscopy,縮寫為 EIS)是一種以小振幅的正弦波電價(或電流)為擾動信號的電化學(xué)測量方法。由于是以小振幅的電信號對電化學(xué)體系擾動，一方面可避免對體系產(chǎn)生大的影響，另一方面也使得擾動與體系的響應(yīng)之間近似呈線性關(guān)系，這就使得測量結(jié)果的數(shù)學(xué)處理變得簡單。同時，電化學(xué)阻抗譜方法又是一種頻率域的測量方法，它以測量得到的頻率范圍很寬的阻抗譜來研究電極系統(tǒng)，因而能比其他常規(guī)的電化學(xué)方法得到更多的動力學(xué)信息及電極界面結(jié)構(gòu)的信息。給電化學(xué)系統(tǒng)施加一個頻率不同的小振幅的交流電勢波，測量交流電勢與電流信號的比值(此比值即為系統(tǒng)的阻抗)隨正弦波頻率ω的變化，或者是阻抗的相位角Φ隨ω的變化。此時電極系統(tǒng)的頻響函數(shù)，就是電化學(xué)阻抗。在一系列不同頻率下測得的一組這種頻響函數(shù)值則就是電極系統(tǒng)的電化學(xué)阻抗譜。目前，市場上的能進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜測量的產(chǎn)品有電化學(xué)工作站、頻率響應(yīng)分析儀、精密LCR儀等設(shè)備。這些設(shè)備可進(jìn)行多頻點(diǎn)阻抗測量，精度高，完善的軟件設(shè)計，但是成本昂貴，體積龐大，不便于攜帶，設(shè)計復(fù)雜，使用繁瑣，非專業(yè)人員難以上手使用。還有一類測量設(shè)備體積小，但是功能較差，一般只能在少數(shù)幾個或者一個頻點(diǎn)測量阻抗信息，或者能測量的阻抗值范圍小，分析能力弱，人機(jī)交互不方便。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用于電化學(xué)測量的便攜式阻抗譜分析儀及分析方法，其是為現(xiàn)場級的電化學(xué)測量提供了一種高性能的方案，其操作簡單、快速、可靠、低成本的測量裝置及測量方法。本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于電化學(xué)測量的便攜式阻抗譜分析儀，其包括:阻抗分析芯片，其用于測量電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗數(shù)據(jù)，并將測得的數(shù)據(jù)傳送給主控制器；反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，其用于向阻抗分析芯片提供不同檔位的反饋電阻以及相應(yīng)的校準(zhǔn)電阻；測量切換電路，其包括第一切換開關(guān)和第二切換開關(guān)，第一切換開關(guān)用于在反饋電阻網(wǎng)絡(luò)中不同檔位的反饋電阻之間進(jìn)行切換，第二切換開關(guān)用于在當(dāng)前檔位的反饋電阻對應(yīng)的校準(zhǔn)電阻和待測電化學(xué)系統(tǒng)之間切換；主控制器，其用于控制所述測量切換電路中的第一切換開和第二切換開關(guān)的通斷；其還根據(jù)所述阻抗分析芯片測得的數(shù)據(jù)計算得到所述待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗譜；其中，在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間，所述阻抗分析芯片分別與不同檔位下的反饋電阻和校準(zhǔn)電阻相連，用于測量不同檔位下的增益系數(shù)；在系統(tǒng)測量階段，所述阻抗分析芯片與不同檔位下的反饋電阻和待測電化學(xué)系統(tǒng)相連，用于測量不同檔位下待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗數(shù)據(jù)，主控制器根據(jù)所述不同檔位下待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗數(shù)據(jù)和不同檔位下的增益系數(shù)，獲得待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗值。本發(fā)明還提供了一種對待測電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行阻抗譜分析的方法，其包括:步驟1:依次將不同檔位的反饋電阻和校準(zhǔn)電阻接入阻抗分析芯片；步驟2:阻抗分析芯片依次在不同檔位反饋電阻下，對相應(yīng)的校準(zhǔn)電阻進(jìn)行測量，得到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)；步驟3:根據(jù)所述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計算得到不同檔位反饋電阻下的增益系數(shù)；步驟4:依次將不同檔位的反饋電阻和待測電化學(xué)系統(tǒng)接入阻抗分析芯片；步驟5:阻抗分析芯片依次在不同檔位的反饋電阻下，對待測電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測量，得到測量數(shù)據(jù)；步驟6:根據(jù)所述測量數(shù)據(jù)和步驟3中計算得到的相同檔位反饋電阻下的增益系數(shù)，計算得到不同檔位反饋電阻下所述待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗數(shù)據(jù)；步驟7:根據(jù)所計算得到的待測電化學(xué)系統(tǒng)阻抗數(shù)據(jù)和相應(yīng)地反饋電阻進(jìn)行比較，最終得到待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗值。本發(fā)明提供的上述方案具有以下優(yōu)點(diǎn):通過電阻反饋網(wǎng)絡(luò)來改變反饋電阻檔位，實(shí)現(xiàn)較大地阻抗值測量范圍，主控制通過設(shè)置阻抗分析芯片的起始頻率、頻率增量和增量數(shù)等參數(shù)來進(jìn)行多頻點(diǎn)掃頻，該便攜式阻抗譜分析儀體積小適合用于現(xiàn)場級、有實(shí)時檢測需求的疫病防控領(lǐng)域，同時本發(fā)明在研究操作簡單、快速、低成本、非標(biāo)記和非侵入的電化學(xué)測量方法以及在分析化學(xué)、材料化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、臨床檢驗(yàn)、工業(yè)分析、環(huán)境監(jiān)測和農(nóng)業(yè)分析等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。


圖1是本發(fā)明中應(yīng)用于電化學(xué)測量的便攜式阻抗譜分析儀的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明中阻抗譜測量原理示意圖；圖3是本發(fā)明中反饋電阻網(wǎng)絡(luò)原理示意圖；圖4是本發(fā)明中阻抗譜分析方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖1示出了本發(fā)明中應(yīng)用于電化學(xué)測量的便攜式阻抗譜分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于電化學(xué)測量的便攜式阻抗譜分析儀，其包括:主控制器I，其使系統(tǒng)各個部件協(xié)調(diào)一致地工作；輸出設(shè)備2，其輸入端與主控制器I的第一輸出端連接，其用于顯示系統(tǒng)測量處理結(jié)果，所顯示的內(nèi)容由主控制器的輸出控制信號控制；
輸入設(shè)備3，其輸出端與主控制器I的第一輸入端連接，用戶通過該輸入設(shè)備3向主控制器I輸入對待測電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行阻抗測量時的系統(tǒng)參數(shù)，所述系統(tǒng)參數(shù)包括對待測電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行阻抗測量時阻抗譜的頻譜范圍和頻譜分辨率，以及其它相關(guān)的參數(shù)，如起始頻率、掃描點(diǎn)數(shù)和頻率增量等；其中，所述掃頻點(diǎn)數(shù)表示用于測量的不同頻率次數(shù)。主機(jī)接口 4，其輸入端與主控制器I的第二輸出端連接，其將系統(tǒng)已保存的測量數(shù)據(jù)通過主機(jī)接口上傳給上位機(jī)，計算機(jī)或者智能設(shè)備；阻抗分析芯片5，其第一輸入端與主控制器I的第二輸入端連接，用于從主控制器I接收對待測電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測量時的系統(tǒng)參數(shù)，并利用所接收到的所述系統(tǒng)參數(shù)來設(shè)定對待測電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測量時的激勵信號的輸出頻率；并通過系統(tǒng)參數(shù)中的起始頻率和頻率增量等不斷改變頻率，以實(shí)現(xiàn)頻率譜下待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗測量；其第二輸入端與測量切換電路9連接；并通過測量切換電路9中的切換開關(guān)連接反饋電阻網(wǎng)絡(luò)8中不用檔位下的反饋電阻，同時連接所述待測電化學(xué)系統(tǒng)或者與所連通的當(dāng)前檔位下的反饋電阻對應(yīng)設(shè)置的校準(zhǔn)電阻，以測量待測電化學(xué)系統(tǒng)和校準(zhǔn)電阻在相同反饋電阻下的阻抗測量數(shù)據(jù)，并將所述測量數(shù)據(jù)傳送給主控制器I ;電源6,其第一輸出端與主控制器I的第三輸入端連接,其用于向主控制器提供電源；開關(guān)驅(qū)動電路7，其第一輸入端與主控制器I的第三輸出端連接，第二輸入端與電源6的第二輸出端連接，主控制器I利用管腳的高低電平實(shí)現(xiàn)控制開關(guān)驅(qū)動電路7的通斷，電源6為開關(guān)驅(qū)動電路7供電；開關(guān)驅(qū)動電路7為測量切換電路9提供驅(qū)動電壓，以根據(jù)主控制器I的控制切換所述測量切換電路9中各組開關(guān)的通斷；反饋電阻網(wǎng)絡(luò)8，其是基于自動平衡電橋法的測量原理而設(shè)計的，其包括多種檔位的反饋電阻，每種檔位的反饋電阻對應(yīng)設(shè)置有一個阻抗值相等的校準(zhǔn)電阻，其輸入端與測量切換電路9的第一輸出端連接；測量切換電路9，其第一輸出端與反饋電阻網(wǎng)絡(luò)8的輸入端連接，第二輸出端與阻抗分析芯片5的第二輸入端連接；其包括第一切換開關(guān)和第二切換開關(guān)，第一切換開關(guān)包括多組，每組第一切換開關(guān)與反饋電阻網(wǎng)絡(luò)8中的不同檔位的反饋電阻相連，第二切換開關(guān)用于在待測電化學(xué)系統(tǒng)或者校準(zhǔn)電阻之間進(jìn)行切換；該測量切換電路9在開關(guān)驅(qū)動電路7的控制下，選擇接入所述不同檔位的反饋電阻，并同時在待測電化學(xué)系統(tǒng)或者該檔位下與反饋電阻對應(yīng)的校準(zhǔn)電阻之間切換，以使它們接入阻抗分析芯片5 ;該測量切換電路9中的切換開關(guān)為轉(zhuǎn)換型開關(guān)，可以是繼電器開關(guān)或模擬開關(guān)；待測電化學(xué)系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓源10，其輸入端與電源6的第二輸出端連接，其輸出端與阻抗分析芯片5的第三輸入端連接，電源6為基準(zhǔn)電壓源10供電，而基準(zhǔn)電壓源10為阻抗分析芯片5提供基準(zhǔn)電壓。其中，主控制器1、輸出設(shè)備2、輸入設(shè)備3、主機(jī)接口 4、阻抗分析芯片5、基準(zhǔn)電壓源10、電源6和開關(guān)驅(qū)動電路7構(gòu)成主控單元。本發(fā)明測量切換電路9中的切換開關(guān)由繼電器來實(shí)現(xiàn)的，也可以由導(dǎo)通電阻小的模擬開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例中，選擇繼電器來實(shí)現(xiàn)，每個繼電器對應(yīng)一個反饋電阻檔位。表I中示出了 6個不同檔位下的反饋電阻以及與其對應(yīng)的校準(zhǔn)電阻，則此時測量切換電路9需要7個繼電器，其中6個繼電器用于切換6個檔位的反饋電阻，另一繼電器用于在待測電化學(xué)系統(tǒng)和校準(zhǔn)電阻之間進(jìn)行切換，如圖2以及圖3所示。表I反饋電阻網(wǎng)絡(luò)檔位設(shè)定
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用于電化學(xué)測量的便攜式阻抗譜分析儀，其包括: 阻抗分析芯片，其用于測量電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗數(shù)據(jù)，并將測得的數(shù)據(jù)傳送給主控制器； 反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，其用于向阻抗分析芯片提供不同檔位的反饋電阻以及相應(yīng)的校準(zhǔn)電阻； 測量切換電路，其包括第一切換開關(guān)和第二切換開關(guān)，第一切換開關(guān)用于在反饋電阻網(wǎng)絡(luò)中不同檔位的反饋電阻之間進(jìn)行切換，第二切換開關(guān)用于在當(dāng)前檔位的反饋電阻對應(yīng)的校準(zhǔn)電阻和待測電化學(xué)系統(tǒng)之間切換； 主控制器，其用于控制所述測量切換電路中的第一切換開和第二切換開關(guān)的通斷；其還根據(jù)所述阻抗分析芯片測得的數(shù)據(jù)計算得到所述待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗譜； 其中，在系統(tǒng)校準(zhǔn)期間，所述阻抗分析芯片分別與不同檔位下的反饋電阻和校準(zhǔn)電阻相連，用于測量不同檔位下的增益系數(shù)；在系統(tǒng)測量階段，所述阻抗分析芯片與不同檔位下的反饋電阻和待測電化學(xué)系統(tǒng)相連，用于測量不同檔位下待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗數(shù)據(jù)，主控制器根據(jù)所述不同檔位下待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗數(shù)據(jù)和不同檔位下的增益系數(shù)，獲得待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗值。
2.如權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，所述分析儀用于測量所述待測電化學(xué)系統(tǒng)在不同頻率下的阻抗值，以分析得到所述待測電化學(xué)系統(tǒng)在頻率譜下的阻抗譜。
3.如權(quán)利要求2所述的分析儀，其特征在于，所述分析儀還包括輸入設(shè)備，用于輸入測量分析所述待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗譜時的系統(tǒng)參數(shù)，所述系統(tǒng)參數(shù)包括起始頻率、掃描點(diǎn)數(shù)和頻率增量。
4.如權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，所述主控制器通過電流驅(qū)動控制所述測量切換電路中切換開關(guān)的通斷。
5.如權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，所述第一切換開關(guān)和第二切換開關(guān)均為繼電器，所述第一切換開關(guān)包括多組，所述多組第一切換開關(guān)分別與多個不同檔位的反饋電阻和校準(zhǔn)電阻相連。
6.如權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，所述增益系數(shù)根據(jù)所述阻抗分析芯片在接入校準(zhǔn)電阻時測得的數(shù)據(jù)和當(dāng)前檔位下反饋電阻值計算得到。
7.如權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，所述待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗值根據(jù)所述阻抗分析芯片在接入待測電化學(xué)系統(tǒng)時測得的數(shù)據(jù)和當(dāng)前檔位下反饋電阻的增益系數(shù)計算得到。
8.如權(quán)利要求1所述的分析儀，其特征在于，同一檔位的反饋電阻和校準(zhǔn)電阻的阻抗值相同。
9.一種對待測電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行阻抗譜分析的方法，其包括: 步驟1:依次將不同檔位的反饋電阻和校準(zhǔn)電阻接入阻抗分析芯片； 步驟2:阻抗分析芯片依次在不同檔位反饋電阻下，對相應(yīng)的校準(zhǔn)電阻進(jìn)行測量，得到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)； 步驟3:根據(jù)所述校準(zhǔn)數(shù)據(jù)計算得到不同檔位反饋電阻下的增益系數(shù)； 步驟4:依次將不同檔位的反饋電阻和待測電化學(xué)系統(tǒng)接入阻抗分析芯片； 步驟5:阻抗分析芯片依次在不同檔位的反饋電阻下，對待測電化學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行測量，得到測量數(shù)據(jù)； 步驟6:根據(jù)所述測量數(shù)據(jù)和步驟3中計算得到的相同檔位反饋電阻下的增益系數(shù)，計算得到不同檔位反饋電阻下所述待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗數(shù)據(jù)； 步驟7:根據(jù)所計算得到的待測電化學(xué)系統(tǒng)阻抗數(shù)據(jù)和相應(yīng)地反饋電阻進(jìn)行比較，最終得到待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗值。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法還包括: 步驟8:增加所述阻抗分析芯片的掃頻頻率，重復(fù)步驟1-7，獲得不同頻率下所述待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗值 ，以得到頻率譜下待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗譜分析結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于電化學(xué)測量的便攜式阻抗譜分析儀，其主要包括阻抗分析芯片，其用于測量增益系數(shù)和待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗數(shù)據(jù)，并將測得的結(jié)果傳送給主控制器；反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，其用于向阻抗分析芯片提供不同檔位的反饋電阻以及相應(yīng)的校準(zhǔn)電阻；測量切換電路，用于在多個檔位的反饋電阻和校準(zhǔn)電阻之間切換，還用于在校準(zhǔn)電阻和待測電化學(xué)系統(tǒng)之間切換；主控制器，其用于控制所述測量切換電路中的第一切換開和第二切換開關(guān)的通斷；其還根據(jù)所述阻抗分析芯片測得的數(shù)據(jù)計算得到所述待測電化學(xué)系統(tǒng)的阻抗譜。本發(fā)明通過電阻反饋網(wǎng)絡(luò)來改變反饋電阻檔位，實(shí)現(xiàn)較大地阻抗值測量范圍。
文檔編號G01R27/02GK103149441SQ20131007783
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月12日
發(fā)明者蔣莉娟, 俞海龍, 韓偉靜 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所