專利名稱：化學(xué)雷達(dá)掃描儀及其電化學(xué)頻幅響應(yīng)譜分析法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電化學(xué)分析技術(shù)、微電子技術(shù)，尤其涉及一種化學(xué)雷達(dá)掃描儀及其電化學(xué)頻幅響應(yīng)譜分析法。
背景技術(shù)：
電化學(xué)分析法是一種通過(guò)對(duì)溶液施加不同電信號(hào)同時(shí)采集溶液響應(yīng)電信號(hào)的方法，運(yùn)用電化學(xué)分析法即通過(guò)分析掃描電信號(hào)和響應(yīng)電信號(hào)的關(guān)系可以探測(cè)溶液的特性。在國(guó)內(nèi)外，電化學(xué)分析法中主要使用的掃描方式是循環(huán)伏安掃描法和恒電位法等，這些方法主要存在的問(wèn)題是分析速度慢，提供的信息量不多，檢測(cè)應(yīng)用領(lǐng)域與范圍受到一定的限制。最近瑞典、俄羅斯等國(guó)家有研究者提出了關(guān)于脈沖掃描的方法，但只是實(shí)現(xiàn)了較為簡(jiǎn)單的多電位階躍法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種輕便，高精度，低功耗，快速測(cè)定的化學(xué)雷達(dá)掃描儀及其電化學(xué)頻幅響應(yīng)譜分析法。
它具有單片機(jī)，單片機(jī)分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、USB通訊模塊、RS232串口通訊模塊，單片機(jī)依次連接有D/A轉(zhuǎn)換電路、化學(xué)電極接口、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、程控放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。
所述的程控放大濾波電路高精度運(yùn)放電路的反饋回路接有并聯(lián)的電阻網(wǎng)絡(luò)、電容網(wǎng)絡(luò)，電阻網(wǎng)絡(luò)、電容網(wǎng)絡(luò)分別與選擇邏輯電路相接。
電化學(xué)頻幅響應(yīng)譜分析法將化學(xué)雷達(dá)掃描儀輸出的各種恒頻調(diào)幅或幅頻調(diào)制的脈沖掃描信號(hào)施加到化學(xué)電極的參比電極和工作電極上，引起溶液體系的電流發(fā)生變化即產(chǎn)生溶液的響應(yīng)電流，再由化學(xué)雷達(dá)掃描儀從化學(xué)電極的輔助電極上檢測(cè)響應(yīng)電流信號(hào)，從而得到溶液體系反應(yīng)的頻幅響應(yīng)譜，對(duì)譜圖進(jìn)行分析處理，能夠得到溶液特性等結(jié)果。
本發(fā)明采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，因此功耗低、可靠性高，易于設(shè)計(jì)成便攜式儀器。特別是儀器所具有的分析速度快(1～15分鐘就能完成一次頻幅響應(yīng)譜的分析)，頻率變化范圍寬，響應(yīng)譜信息量大的特點(diǎn)是目前其它電化學(xué)分析方法及儀器所無(wú)法比擬的。作為人工智能感覺(jué)系統(tǒng)的一類重要的技術(shù)方法，通過(guò)該化學(xué)雷達(dá)掃描儀可以有效地測(cè)定物質(zhì)的總體特征以及物質(zhì)間特性的差異，檢測(cè)物質(zhì)的濃度含量等。因此適用于各種現(xiàn)場(chǎng)化學(xué)物質(zhì)及體系的快速檢測(cè)，能夠應(yīng)用于食品安全、藥品檢驗(yàn)、環(huán)境保護(hù)和化學(xué)反恐等領(lǐng)域。


圖1是化學(xué)雷達(dá)掃描儀硬件組成示意圖；圖2程控放大、濾波電路示意圖；圖3是運(yùn)用化學(xué)雷達(dá)掃描儀獲取頻幅響應(yīng)譜的示意圖；圖4是化學(xué)雷達(dá)掃描儀的軟件流程圖；圖5是單向遞減脈沖激勵(lì)信號(hào)示意圖；圖6是某品牌白酒單向遞減脈沖頻幅響應(yīng)譜圖；圖7是單向遞增脈沖激勵(lì)信號(hào)示意圖；圖8是某品牌黃酒單向遞增脈沖頻幅響應(yīng)譜圖；圖9是鋸齒脈沖激勵(lì)信號(hào)示意圖；圖10是某品牌干紅葡萄酒鋸齒脈沖頻幅響應(yīng)譜圖；圖11是雙向遞減脈沖激勵(lì)信號(hào)示意圖；圖12是某品牌白蘭地酒雙向遞減脈沖頻幅響應(yīng)譜圖；圖13是雙向遞增脈沖激勵(lì)信號(hào)示意圖；圖14是某品牌橙汁飲料雙向遞增脈沖頻幅響應(yīng)譜圖；圖15是正弦脈沖激勵(lì)信號(hào)示意圖；圖16是某品牌酸奶正弦脈沖頻幅響應(yīng)譜圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的頻幅響應(yīng)圖譜是一種以頻率和幅度均周期變化的脈沖掃描信號(hào)作為激發(fā)信號(hào)，由各個(gè)工作電極得到的體系響應(yīng)脈沖電流信號(hào)組合在一起，成為反映被測(cè)物質(zhì)單體或總體特征的一種新的化學(xué)分析圖譜。
本發(fā)明的頻幅響應(yīng)圖譜的具體實(shí)現(xiàn)裝置——化學(xué)雷達(dá)掃描儀，能夠產(chǎn)生恒頻調(diào)幅或幅頻調(diào)制的多種掃描脈沖，其創(chuàng)新在于由單周期激勵(lì)向變頻多周期激勵(lì)拓展，自動(dòng)減頻或增頻掃描，連續(xù)頻幅周期掃描從而構(gòu)成完整的響應(yīng)頻幅譜。恒頻調(diào)幅和幅頻調(diào)制的脈沖掃描方法包括單向遞減脈沖法，單向遞增脈沖法，鋸齒脈沖法，雙向遞減脈沖法，雙向遞增脈沖法，正弦脈沖法，以及快速(5.4分鐘)、中速(7.7分鐘)、慢速(14分鐘)三種特定的寬頻帶幅頻調(diào)制脈沖?；瘜W(xué)雷達(dá)掃描儀能夠產(chǎn)生這些激勵(lì)脈沖，同時(shí)能夠快速得到反映被測(cè)物質(zhì)特征的頻幅響應(yīng)譜，通過(guò)特征提取和分析，可以分析物質(zhì)的特性和濃度等。
運(yùn)用先進(jìn)的微控制器芯片和集成芯片，結(jié)合程控放大和程控濾波技術(shù)，有效提高了化學(xué)雷達(dá)掃描儀的檢測(cè)靈敏性(1納安級(jí))。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低功耗和高可靠，能夠滿足便攜的設(shè)計(jì)要求。
如圖1所示，化學(xué)雷達(dá)掃描儀具有單片機(jī)，單片機(jī)分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、USB通訊模塊、RS232串口通訊模塊，單片機(jī)依次連接有D/A轉(zhuǎn)換電路、化學(xué)電極接口、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、程控放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路?；瘜W(xué)雷達(dá)掃描儀通過(guò)單片機(jī)控制各種脈沖掃描電位的輸出和響應(yīng)電流信號(hào)的采集過(guò)程，控制D/A轉(zhuǎn)換模塊向化學(xué)電極接口輸出脈沖掃描信號(hào)，同時(shí)輸入響應(yīng)電流信號(hào)并通過(guò)電流電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)化為電壓，經(jīng)過(guò)程控放大和程控濾波，將電壓調(diào)整到合適的大小后，再通過(guò)A/D模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量提供給單片機(jī)電路。單片機(jī)進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的保存，并在測(cè)量結(jié)束后，將數(shù)據(jù)通過(guò)RS232或USB串行接口上傳給上位機(jī)做進(jìn)一步的分析。程控放大和濾波電路可實(shí)現(xiàn)放大范圍1E-3到1E-9的選擇，低通濾波器截止頻率為300Hz。采用的A/D和D/A模塊的轉(zhuǎn)換精度為12位，能滿足掃描儀高精度的要求。
如圖2所示，程控放大濾波電路高精度運(yùn)放電路的反饋回路接有并聯(lián)的電阻網(wǎng)絡(luò)、電容網(wǎng)絡(luò)，電阻網(wǎng)絡(luò)、電容網(wǎng)絡(luò)分別與選擇邏輯電路相接。
如圖3所示，化學(xué)雷達(dá)掃描儀通過(guò)化學(xué)電極接口與化學(xué)電極相連，掃描儀輸出的脈沖掃描信號(hào)施加在參比電極和工作電極上，引起溶液體系的電流變化即產(chǎn)生溶液的響應(yīng)電流，再由化學(xué)雷達(dá)掃描儀從化學(xué)電極的輔助電極上檢測(cè)響應(yīng)電流信號(hào)，從而得到溶液體系反應(yīng)的頻幅響應(yīng)譜。
化學(xué)雷達(dá)掃描儀結(jié)構(gòu)小巧輕便，同時(shí)具有交流電供電接口和電池供電接口。滿足低功耗要求，普通6節(jié)干電池可以連續(xù)使用160小時(shí)以上。
如圖4所示，儀器上電后先進(jìn)行初始化，然后根據(jù)選擇的脈沖掃描方式調(diào)用不同方式的脈沖輸出子程序，輸出不同類型的掃描脈沖，同時(shí)檢測(cè)被測(cè)溶液體系的響應(yīng)電流并進(jìn)行數(shù)據(jù)的保存，再將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)串行接口傳送到計(jì)算機(jī)做進(jìn)一步的分析處理。
如圖5-圖16所示，為化學(xué)雷達(dá)掃描儀提供的六種脈沖掃描激勵(lì)信號(hào)波形及示例檢測(cè)樣品對(duì)應(yīng)的頻幅響應(yīng)譜圖?；瘜W(xué)雷達(dá)掃描儀和頻幅響應(yīng)譜的快速性和大信息量，以及它具有微型化，智能化，網(wǎng)絡(luò)化的巨大潛力，將使這種新型電化學(xué)分析方法成為食品安全、藥品檢驗(yàn)，環(huán)境保護(hù)和化學(xué)反恐等領(lǐng)域現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)和監(jiān)測(cè)的重要技術(shù)手段。
電化學(xué)雷達(dá)掃描儀由硬件和軟件兩部分組成。硬件部分主要包括單片機(jī)電路和程控放大、濾波等模擬電路；軟件部分主要完成恒頻調(diào)幅或幅頻調(diào)制脈沖掃描信號(hào)的輸出，為檢測(cè)體系提供脈沖激勵(lì)信號(hào)；同時(shí)檢測(cè)與采集該體系的響應(yīng)電流信號(hào)，得到頻幅響應(yīng)譜圖。
本化學(xué)雷達(dá)掃描儀能夠提供單向遞減脈沖，單向遞增脈沖，鋸齒脈沖，雙向遞減脈沖，雙向遞增脈沖，正弦脈沖等新型電化學(xué)脈沖掃描方式；提供快速(5.4分鐘)、中速(7.7分鐘)、慢速(14分鐘)三種特定的寬頻帶幅頻調(diào)制脈沖。這些脈沖的起始電位、終止電位、電位增量、脈沖頻率、頻率增量、脈沖周期數(shù)等均可以設(shè)置，即能夠產(chǎn)生多種恒頻調(diào)幅或幅頻調(diào)制的脈沖掃描激勵(lì)信號(hào)，相應(yīng)地能夠得到豐富的反映被測(cè)物質(zhì)特性的頻幅響應(yīng)譜。檢測(cè)靈敏度范圍為1E-3到1E-9，達(dá)到1納安的高精度要求。通過(guò)電路中的兩級(jí)濾波電路，其中一級(jí)為程控濾波，能夠有效的濾去電路中的多種噪聲，提高分析精度。采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，具有功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，外觀設(shè)計(jì)輕巧靈便。提供電池供電和交流電源供電兩種方式，適用于野外和室內(nèi)的測(cè)量。具有方式選擇、參數(shù)設(shè)置結(jié)果保存和查詢等功能，同時(shí)能夠?qū)D形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為文本方式，方便其他分析處理軟件的調(diào)用。
權(quán)利要求
1.一種化學(xué)雷達(dá)掃描儀，其特征在于，單片機(jī)分別與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、USB通訊模塊、RS232串口通訊模塊相連，單片機(jī)依次連接有D/A轉(zhuǎn)換電路、化學(xué)電極接口、電流電壓轉(zhuǎn)換電路、程控放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種化學(xué)雷達(dá)掃描儀，其特征在于，所述的程控放大、濾波電路高精度運(yùn)放電路的反饋回路接有并聯(lián)的電阻網(wǎng)絡(luò)、電容網(wǎng)絡(luò)，電阻網(wǎng)絡(luò)、電容網(wǎng)絡(luò)分別與選擇邏輯電路相接。
3.一種使用如權(quán)利要求1所述化學(xué)雷達(dá)掃描儀的電化學(xué)頻幅響應(yīng)譜分析法，其特征在于，將化學(xué)雷達(dá)掃描儀輸出的各種恒頻調(diào)幅或幅頻調(diào)制的脈沖掃描信號(hào)施加到化學(xué)電極的參比電極和工作電極上，引起溶液體系的電流變化即產(chǎn)生溶液的響應(yīng)電流，再由化學(xué)雷達(dá)掃描儀從化學(xué)電極的輔助電極上檢測(cè)響應(yīng)電流信號(hào)，從而得到溶液體系反應(yīng)的頻幅響應(yīng)譜，對(duì)譜圖進(jìn)行分析處理，能夠得到溶液特性等結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種化學(xué)雷達(dá)掃描儀及其電化學(xué)頻幅響應(yīng)譜分析法。它將化學(xué)雷達(dá)掃描儀輸出的各種恒頻調(diào)幅或幅頻調(diào)制的脈沖掃描信號(hào)施加到化學(xué)電極的參比電極和工作電極上，引起溶液體系的電流變化即產(chǎn)生溶液的響應(yīng)電流，再由化學(xué)雷達(dá)掃描儀從化學(xué)電極的輔助電極上檢測(cè)響應(yīng)電流信號(hào)，從而得到溶液體系反應(yīng)的頻幅響應(yīng)譜，對(duì)譜圖進(jìn)行分析處理，能夠得到溶液特性等結(jié)果。本發(fā)明化學(xué)雷達(dá)掃描儀采用低功耗設(shè)計(jì)技術(shù)，因此功耗低、可靠性高，易于設(shè)計(jì)成便攜式儀器。特別是儀器所具有的分析速度快(1～15分鐘就能完成一次頻幅響應(yīng)譜的分析)，頻率變化范圍寬，響應(yīng)譜信息量大的特點(diǎn)是目前其它電化學(xué)分析方法及儀器所無(wú)法比擬的。
文檔編號(hào)G06F19/00GK1740783SQ20051006076
公開(kāi)日2006年3月1日 申請(qǐng)日期2005年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月14日
發(fā)明者王曉萍, 呂述綱, 鄧少平, 張夏賓, 林偉欣, 田師一 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)