雙通道差分式阻抗譜檢測技術及儀器研究

龔應忠 管 亮* 馮新瀘 王立光 劉漢臣 朱立業

1(后勤工程學院油料應用與管理工程系，重慶 401311) 2(成都軍區聯勤部油料監督處，成都 610041)

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儀器裝置與實驗技術

雙通道差分式阻抗譜檢測技術及儀器研究

龔應忠1管 亮*1馮新瀘1王立光1劉漢臣2朱立業2

1(后勤工程學院油料應用與管理工程系，重慶 401311)2(成都軍區聯勤部油料監督處，成都 610041)

阻抗譜檢測的目的在于獲取不同物質之間微弱的介電差異信息或同一物質的介電變化信息，并據此對其組成、結構及其變化特征進行分析。常規單通道的阻抗譜檢測技術對于物質間的差異和變化信息檢測易受傳感器和樣品體系等基底信號的影響。本研究提出了一種基于AD5933阻抗轉換芯片簡化阻抗測量的雙通道差分式阻抗譜檢測技術，并研制了檢測儀器，在1～91 kHz頻率范圍內，對比分析了基底信號分別為200, 400和1000 mV，響應信號增加量0～100 mV時雙通道差分和單通道檢測的靈敏度，并考察了在激勵峰峰值為18 V的條件下，汽油、柴油、噴氣燃料及潤滑油共7個樣品在單通道，以空氣及噴氣燃料為參比的雙通道差分檢測的靈敏度差異。結果表明，單通道檢測受基底信號影響較大，隨基底信號增加，檢測靈敏度降低；雙通道差分式檢測技術的靈敏度為單通道檢測的1～2個數量級，且不受基底信號影響；以噴氣燃料為參比的差分檢測靈敏度分別是以空氣為參比的差分檢測及單通道檢測的5～10倍及9～12倍，證實了通過合理選擇參比樣品，雙通道差分檢測能夠極大地提高阻抗檢測靈敏度。

阻抗譜； 差分； 阻抗轉換芯片AD5933； 燃料油

1 引 言

阻抗譜是一種非入侵[1]、快速[2]的檢測技術[3，4]，在電化學、生物阻抗、腐蝕監測等領域發揮著重要作用。阻抗測量的自動平衡電橋法、電壓電流法、射頻電壓電流法等需多模塊集成電路，不利于小型化[5]。基于網絡分析法的AD5933阻抗轉換芯片，具有高精度、易于小型化等優點，被廣泛應用于生物阻抗[6～8]、傳感器特性[9,10]及油品質量[11,12]等分析領域。其相應的儀器設計主要集中在小型化、增大量程、提高精度和自動測量等方面[13～15]，但都局限于單通道直接測量的模式，在實際應用中對于介電及阻抗性能差異小的體系，不能有效消除傳感器和樣品體系本身等帶來的基底信號(如叉指電容傳感器基材的影響無法消除)，使得樣品之間或者樣品變化后微弱的阻抗差異信息淹沒在各種基底信號之中，降低測量精度[16]。

為提高介電及阻抗檢測精度，提出了基于AD5933阻抗測量芯片的雙通道差分式阻抗譜檢測技術，此技術能夠獲取樣品之間微弱的介電差異信息，并能有效消除傳感器和樣品體系等帶來的基底干擾信號。

2 實驗部分

2.1 雙通道差分及常規單通道檢測靈敏度理論分析

對于常規單通道檢測，當U0交流激勵作用于樣品傳感器時，則樣品被激勵后的I0及電壓電流間相位角φ由物質的介電性能(介電常數，電導率)決定，具體如下[17]：

(1)

其中，U*= U0，I*= I′ + iI″，I0= (I′2+iI″2)1/2，tan()=I″/I′。對于線性的介電響應，則測量的樣品阻抗為[17]：

(2)

包括樣品和傳感器在內的測量系統的復阻抗可以表示為：

(3)

其中，R0為測量傳感器的純電阻，ωL0為測量傳感器的純電感，1/ε*(ω)C0為測量傳感器和樣品的純電容。由于阻抗譜測量過程中采用的電容式傳感器，因此純電感ωL0可以忽略不計，純電阻R0可以認為其是一個與傳感器材質、幾何參數相關的固定值；C0為電容式傳感器的電容值，ε*為測量樣品的復介電常數。因此，式(3)又可以寫為：

(4)

阻抗譜測量的實質是獲取不同樣品之間由于介電常數的不同帶來的阻抗測量信號的差異，測量所得響應信號為Z*(ω)，由填充于電容式傳感器電極之間的材料的復介電常數的變化引起。對A、B兩個樣品常規單通道阻抗譜測量模式，能夠獲取的兩者之間的阻抗譜差異信號為：

(5)

根據靈敏度的定義可知，此時阻抗譜檢測的靈敏度為[18]：

(6)

(7)

此時，傳感器電容和樣品本身復介電常數基底對測量結果的影響得到了較好的抑制，同樣的將樣品A和B都在參比C下進行差分式測量，則類似的：

(8)

其相應的靈敏度為：

(9)

由式(9)可知，差分式阻抗檢測的靈敏度僅受樣品與參比的介電性能差異的影響，通過選擇合適的參比(其介電性能與待測樣品相差較小)，可將差異降至最低；與常規單通道阻抗檢測相比，此方法能有效提高檢測靈敏度，且檢測不受傳感器基底的影響。

2.2 差分檢測儀器整體設計

所提出的雙通道差分式阻抗譜檢測技術是將雙通道差分檢測技術和AD5933阻抗譜檢測芯片結合，既有效利用了AD5933阻抗檢測芯片高效的阻抗檢測功能，又利用雙通道差分式檢測對基底信號的去除效果。其整體設計如圖1所示。

圖1 基于AD5933阻抗檢測芯片的雙通道差分式阻抗譜檢測儀系統框圖Fig.1 System block diagram of two-channel and differential impedance spectroscopic instrument based on AD5933

AD5933阻抗檢測芯片的作用在于：發生激勵信號，并對放大、調理后的采集信號進行阻抗譜解析處理，充分利用了AD5933阻抗檢測芯片的阻抗譜檢測功能，避免了復雜的阻抗譜信號發生，及調理硬件電路設計。利用雙DAC芯片MAX532內部的一組電阻網絡和運算放大器，實現激勵信號的可變增益放大，從而達到數字動態調節激勵信號峰峰值、適應高阻抗體系的目的。激勵信號同時作用于樣品傳感器和參比傳感器，然后用具有寬帶寬差分輸入、單端輸出、電壓控制可變增益放大器LMH6503實現參比傳感器和樣品傳感器信號的差分運算，從硬件設計上去除傳感器等帶來的基底信號的影響。利用雙DAC芯片MAX532內部的另外一組電阻網絡和運算放大器，實現采集信號的放大、調理，并使之適應于AD5933阻抗檢測芯片對采集信號的要求。OP37運算放大器實現對AD5933輸入信號的直流偏置，以適應AD5933芯片對采集信號的要求。單片機選用NXP公司的LPC1756芯片，通過I2C通訊接口與AD5933通訊，實現設置采集參數，發送采集指令和采集數據等；通過SPI通訊接口實現對MAX532芯片的設置，從而實現對激勵信號增益和采集信號增益的設置。上位機軟件在Visual Studio 2010平臺上用Visual Basic.net語言實現。

2.3 差分設計關鍵電路

上述設計中，用于實現差分式設計的關鍵電路如圖2所示。經過待測、參比樣品后的信號通過MAX4203緩沖器，為后續的處理提供高速、低噪的響應信號。此響應信號通過LMH6503進行差分扣除基底信號。經差分后的信號為幅值較小的交流信號，不適應ADC量程，因此通過MAX532對響應信號進行增益放大，放大方式與AD5933輸出信號的調理放大一致。AD5933輸入信號需要VDD/2的直流偏置，設計用OP37將該增益后的差分信號疊加直流偏置，以適應AD5933對輸入信號的要求及ADC量程，從硬件電路設計上消除了傳感器基底信號的影響。

圖2 差分信號調理電路Fig.2 Schematic circuit of differential module

表1 儀器總體性能指標

Table 1 Two-channel and differential impedance spectroscopy instrument performance index

指標Performanceindex范圍Range精度Precision頻率Frequency(kHz)1～1000.0005激勵峰峰值Excitationvoltage(V)0.2～230.0001差分芯片輸入Differential(LMH6503)inputvoltage(V)0.02～2.30.0001輸入峰峰值Input(toAD5933)voltage(V)0.1～50.0001

2.4 檢測儀器總體性能指標

設計并制造的差分式阻抗譜檢測儀器總體性能指標如表1所示。總體性能指標的激勵峰峰值通過控制AD5933激勵峰峰值檔位及MAX532輸出增益碼實現；差分芯片輸入是單通道或差分檢測時輸入差分芯片LMH6503的交流響應信號，受差分芯片LMH6503輸入電壓、電流限制，其值在表1所述范圍內；輸入峰峰值受AD5933量程限制，0.1 V是能穩定檢測響應信號的最低輸入電壓。

2.5 實驗樣品及方法

2.5.1 靈敏度分析 介電性能不同的樣品受激勵后引起輸入響應信號的峰峰值和(或)相位的變化，AD5933內部將該獲取的響應信號通過離散傅里葉變換轉換成阻抗的實部、虛部響應。若需獲取確切的阻抗實部、虛部值時，需要通過已知阻抗預先校準確定增益系數，未知阻抗用獲取的阻抗響應乘以該增益系數得到，由靈敏度的定義可知，增益系數不影響對儀器靈敏度的分析。因此，為便于分析靈敏度，假設被測樣品僅引起輸入響應信號峰峰值變化，以200，400及1000 mV表示傳感器引起的基底信號，不同介電性能的樣品引起的輸入信號增加量V在0～100 mV的單通道及差分式檢測阻抗響應差異對靈敏度進行分析。

2.5.2 實際油品分析 以1個汽油(Gasoline)、1個噴氣燃料(Jet Fuel)、2個柴油(Diesel 1和 2)及3個潤滑油(Lubricant 1～3)共7個油樣為對象，在單通道(Single channel)檢測，以空氣(Reference by air)及噴氣燃料(Reference by jet fuel)為參比的差分式檢測方法下進行阻抗檢測，驗證差分式檢測在提高檢測靈敏度中的效果。采樣時，激勵電壓峰峰值為18 V，采樣頻率范圍1～91 kHz，采樣間隔 200 Hz。

3 結果與討論

3.1 單通道及差分檢測靈敏度分析

以200，400和1000 mV為基底，輸入信號增加量為0～100 mV時，單通道及差分采集的阻抗實部及虛部響應分別如圖3所示。在同一基底信號下，實部及虛部阻抗響應隨輸入信號增加量的增大呈規律性增大(減小)。差分檢測在不同的基底時，阻抗響應的變化量基本一致，即基底信號不影響差分式檢測的靈敏度。而單通道則隨著基底信號的增大，實部及虛部阻抗響應變化量呈明顯較小的趨勢，且明顯小于差分檢測的阻抗響應變化量。由2.5.1節可知，可直接通過阻抗響應的變化確定檢測靈敏度，用阻抗響應的變化除以介電常數引起的輸入信號變化V即為靈敏度，因V一致，則阻抗響應變化越大，靈敏度越高。

圖4 80 kHz阻抗實部響應信號變化量Fig.4 Effective variation of impedance spectroscopy real data at 80 kHz

通常，分析阻抗靈敏度時，單獨對實部及虛部進行分析，且以實部分析為主[18]，根據圖3中單通道阻抗實部響應變化在80 kHz左右最為靈敏，提取不同基底，80 kHz時隨著輸入信號增大的阻抗實部響應有效變化量，根據檢出限的定義，超出3倍標準差的信號為有效變化信號Real data，結果見圖4。差分檢測有效信號變化量大，且不同基底檢測結果幾乎一致；而單通道檢測不僅響應靈敏度低，且受基底影響大，隨著基底信號的增大，輸入信號增加引起的響應信號明顯減小。以上分析結果表明，單通道檢測受基底影響，輸入信號增加量引起的阻抗響應明顯減小，即隨著基底信號的增大靈敏度降低。差分檢測效果明顯優于單通道檢測，輸入信號增加量引起的阻抗響應變化相差在1～2個數量級，且不受基底的影響，能夠提取輸入信號本身的差異，從而提高檢測靈敏度。

3.2 實際樣品分析

7個油樣分別在單通道，以空氣及噴氣燃料為參比的差分測量時，采集的阻抗實部響應如圖5所示。幾乎在整個頻率范圍內，以噴氣燃料為參比的差分式檢測采集得到的樣品間的阻抗實部響應差異明顯大于單通道及以空氣為參比的差分式檢測，現提取全頻段范圍內其余油樣與噴氣燃料阻抗實部響應的差異，以該頻率范圍內阻抗實部響應差異的均值Meandiff表示，計算公式如下：

(10)

式中，i為采樣時的頻率點序號，n為采樣頻率總點數，ISi sample, method為油樣sample在檢測方法下第i個頻率點的阻抗實部響應。根據上述公式計算得到的Meandiff結果如圖6所示。

圖5 油樣實部數據Fig.5 Real data of impedance spectroscopy for 7 samples

圖6 樣品與噴氣燃料間的差異信號Fig.6 Real data of mean differential impedance spectroscopy between jet fuel and other samples

由圖6可知，以空氣為參比的差分式采集整體優于單通道直接測量，而以噴氣燃料為參比的差分采集阻抗實部響應明顯優于單通道及以空氣為參比，差異均值是單通道測量的9～12倍，是以空氣為參比的5～10倍。由3個潤滑油樣品的測量結果可知，在單通道測量時，幾乎無法區分3個潤滑油，而差分式檢測能有效區分。以上結果表明，差分式設計能有效提高檢測靈敏度，對于差異較小的樣品有較好的區分作用；空氣與油品介電性能相差較大，差分信號本身較大，即差分檢測時的基底差較大，因此以空氣為參比的差分檢測對樣品區分性不如以噴氣燃料為參比的差分檢測，與理論分析及靈敏度實驗分析結果一致，證實了合理參比下的差分式檢測能有效提高檢測靈敏度。

4 結 論

基于AD5933阻抗檢測芯片的雙通道差分式阻抗譜檢測技術能夠較大地提高阻抗譜檢測靈敏度，并有效去除傳感器、樣品體系本身等基底信號帶來的影響，檢測效果明顯優于單通道檢測方法；靈敏度試驗結果表明，單通道檢測靈敏度受基底影響較大，隨基底增大阻抗響應變化量明顯減小，差分式設計能有效減小基底差從而顯著提高檢測靈敏度。實際油樣的分析結果證實了差分式設計在提高檢測靈敏度的效果，為其在介電性能相差較小的體系中的應用奠定基礎。

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(Received 8 July 2015; accepted 20 August 2015)

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (No.21205136)

Research on Two-channel and Differential Impedance Spectroscopy Measurement Technology and Instrument

GONG Ying-Zhong1, GUAN Liang*1, FENG Xin-Lu1, WANG Li-Guang1, LIU Han-Cheng2, ZHU Li-Ye2

1(DepartmentofOilApplicationandManagementEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311,China)2(OilTechnicalSupervisionOffice,LogisticsDepartmentofChengduMilitaryArea,Chengdu610041,China)

Dielectric difference analysis is important for impedance spectroscopy, which is the basis of dielectric materials composition, structure and performance characteristics analysis. As for normal single channel impedance spectroscopy measurement technique, substrate signals resulting from sensor substrate and so on will weaken the dielectric difference dramatically. In this work, a new impedance spectroscopic technique has been proposed, which is characterized by two-channel and differential detection methods and based on AD5933 impedance converter chip. In the frequency range of 1-91 kHz, experiments have been performed with the excitation signal differences from 0 mV to 100 mV under the substrate signal of 200, 400 and 1000 mV for new two-channel and differential and normal single channel impedance spectroscopic methods. Seven oil samples including gasoline, diesel fuel, jet fuel and lubricating oils have also been tested by the methods of single channel detection, differential detection with the

of air and jet fuel under the excitation voltage of 18 Vpp. The results showed that the impedance response sensitivity of two-channel and differential detection was 1-2 orders of magnitude of the normal single channel detection and free from the influence of substrate signal. For the oil samples, the impedance response sensitivity of differential detection with reference by jet fuel was 5-10 times of differential detection reference by air and 9-12 times of single channel detection, respectively, which proved that the differential detection could improve impedance detection sensitivity and eliminate the effect of substrate signal significantly.

Impedance spectroscopy; Differential; Impedance converter chip AD5933; Fuels and lubricants

10.11895/j.issn.0253-3820.150546

本文系國家自然科學基金青年基金 (No. 21205136)、重慶市應用基礎與前沿研究(一般)項目(No. cstc2014jcyjA0592)、重慶市研究生科研創新項目(No. CYB14101)資助

2015-07-08收稿；2015-08-20接受

* E-mail: gl_200122@163.com