阻抗测量方法在传感器技术中的应用

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图3. 用于腐蚀分析的常用等效电路

　　数据分析和等效电路模型都应当非常小心的对待，而且要进行尽可能多的模型验证。虽然通过增加元件几乎总可以建立一个非常合适的模型，但是这样并不能认为它就代表了系统的电化学工艺。一般说来，经验模型应该采用尽可能少的元件，而且应当尽可能采用基于系统电化学工艺理论基础的物理模型。

　　另外，通常可以建立具有相同阻抗特性的许多不同的经验模型。虽然可能得到一个很好的最小二乘法匹配模型，但仍然有可能得到不能代表该物理系统的不恰当模型。还有可能NLLS拟合算法对测量特性有部分遗漏或者没有收敛。这是因为很多算法都试图在整个频谱范围内优化拟合曲线，所以有可能漏掉了频谱中某些特定频率点上不好的拟合数据。

　　腐蚀分析是采用IS法表征系统特性的常见应用，也是一个很好的实例。金属的腐蚀(例如铝和钢)是许多行业中的重大安全考虑因素。如果不重视的话，它会导致金属寿命过早结束。自动监视腐蚀的能力能显著节省成本，具有安全和可靠性优势，而且有助于最佳化预防性地维护系统。

　　除了确定腐蚀的程度，通过监测腐蚀的速率还有可能预测金属疲劳。产生金属疲劳后，在小裂缝出现的地方会从有弹性变为没有弹性。这些裂缝是新的，但是腐蚀速率相当地快，而且裂纹扩展的速率以及随后的腐蚀代表了金属疲劳的程度。早期鉴定腐蚀的方法，特别是在很难达到且无法看到的位置，可以防止或者减慢严重腐蚀的破坏。它还可以用于帮助在现实条件下鉴定不同的保护涂层。

　　下面是根据物理学知识和腐蚀期间发生的电化学工艺过程建立的一种腐蚀过程等效电路模型。常用于腐蚀监视的等效电路用一个电阻器(Rp)和电容器(Cp)相并联再与一个电阻器Rs相串联表示。

　　在模型A中电阻器Rs表示金属所在的溶液，而电容Cc表示金属表面的保护涂层或涂料，这表示初始涂层的电容。经过一段时间后，水渗入涂层中形成新的液体和金属界面。随着金属的腐蚀，通过溶液与金属之间的保护涂层形成离子导电路径。这可以用Rx与Cc并联模型来表示。另外，有些模型(模型B)还有一个附加的R和C并联起来再与Rx串联的电路来表示金属保护涂层随着时间变化的分层模型。

　　金属所在的溶液的电阻率或电导率通常是已知的或者很容易获得，所以可以得到Rs。还可以得到Cp的值，因为可以由保护涂层的介电常数(通常由厂商提供)及其覆盖的面积计算得到。然后就是求解RX以便确定腐蚀的程度。通常通过曲线拟合算法得到测量阻抗特性数据的最佳拟合来解决这个问题。波特图也是很常用的方法，它根据其阻抗频率响应和相位频率响应来检测腐蚀传感器的特性。

　　IS法不仅仅限于腐蚀分析，还可以用于表征多种电化学系统。例如，它可以用于优化燃料电池性能，预测电池健康状况，检查液体中某种成分的浓度以便确定其质量，还可以表征某种材料的电化学性能。

优化电路设计

　　等效电路模型一旦确定，就必须设计电子数据采集系统来完成频率扫描和获取数据。这通常是一项既复杂又费时的工作，需要不可或缺的电子学知识以便优化电路设计。

　　设计的电路必须能在有用的范围内以要求的分辨率产生频率扫描。在许多电化学系统中必须避免采集到的数据受到电化学工艺本身的干扰。所以通常采用小的AC信号，并且还很重要的一点就是不能在系统中引入DC电位差，因为它会导致进一步的电化学反应。然后必须用ADC采集系统对激励频率的响应。在有些设计中需要两个ADC分别用于捕获激励信号和响应信号。这是很复杂的，因为需要两个ADC同步采样以便检测出信号之间的相位变化。

　　AD5933就是一种典型的集成电路芯片，它提供可编程频率扫描发生器和集成的ADC，该ADC可以与激励频率一起工作来获取响应信号。另外，整个系统必须保持线性。换句话说就是系统的总带宽必须足够而且信号大小也要足够才能得到好的测量结果，但是信号又不能太大以至于超过ADC或其它元件的量程而引起失真。因为待测元件阻抗范围通常未知，所以通常最开始需要做一些反复试验来优化系统并且确保它的线性特性。将响应信号转换为数字形式后，通常将数字信号送入计算机进行下一步的分析。

　　最新的解决方案，例如AD5933，在送给计算机进行处理之前提取了响应信号的实部和虚部，在芯片内完成了大量的分析。这样大大减轻了计算机的运算负担，并且提高了数据采集的质量，因为模拟信号处理电路经过优化与其它的功能模块配合工作。应当特别注意的是，在使整个系统保持线性的同时，模拟信号的测量结果要经过验证，否则尽管计算机能轻易提供4位或高于4位的精度，最终结果还是会有偏差。精心的系统设计和验证以获得有效的测量是提高最终结果精度的关键。

作者：James Caffrey

美国模拟器件公司

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