多種阻抗測(cè)量法下的液體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通用設(shè)計(jì)方法分析

對(duì)于許多應(yīng)用而言，確定液體的成分和質(zhì)量至關(guān)重要。最典型的例子是水，水是世界上最珍貴的原生資源。凈水和水過(guò)濾技術(shù)在全球發(fā)揮著重要作用，是人們生活不可或缺的部分。潔凈的水資源不斷減少，獲取潔凈用水成為日益重要的話題。液體測(cè)量的應(yīng)用范圍廣泛，示例的范圍并不止限于生活用水，還包括醫(yī)療領(lǐng)域的液體測(cè)量，例如血液、唾液和糞便，通過(guò)檢測(cè)這些物質(zhì)，確定是否患有疾病，以免影響健康。所有這些測(cè)量的基本測(cè)量原理都是相同的，即阻抗測(cè)量。

多種液體測(cè)量的阻抗測(cè)量方法分析

雖然對(duì)于所有應(yīng)用，阻抗測(cè)量的基本原理都是相同的，但單次測(cè)量的功能仍然存在很大差別。下面，我們將討論與液體測(cè)量最為相關(guān)的方法。

最基本和常用的測(cè)量原理是基于恒電勢(shì)器的恒電位測(cè)量。如圖1所示，恒電勢(shì)器測(cè)量和控制工作電極(WE)和參考電極(RE)之間的電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)計(jì)數(shù)器或輔助電極的電流，工作電極的電勢(shì)相對(duì)于參考電極保持恒定。

圖1. 恒電勢(shì)器測(cè)量的測(cè)量原理

最簡(jiǎn)單的電流測(cè)量方法是對(duì)傳感器施加偏置電壓并測(cè)量響應(yīng)電流，即電流測(cè)量的方法。其中，在RE和WE之間施加一個(gè)恒定電壓，然后使用電流-電壓轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電流剖面轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這個(gè)電流剖面取決于傳感器和被測(cè)變量。

圖2.基于ADuCM355的電流測(cè)量

基于伏安法測(cè)量為電化學(xué)測(cè)量，其中電化學(xué)電池的電勢(shì)緩慢上升，然后呈線性下降。因此，測(cè)量流經(jīng)WE的電流時(shí)，電位呈三角形波形變化。例如，伏安法被用于測(cè)量分析物的半細(xì)胞反應(yīng)活性。這種方法是一種電解形式，產(chǎn)生的電流源于氧化和還原。采用這種方法可以對(duì)樣本進(jìn)行定性和定量研究。

以液體中確定的歐姆電阻為基礎(chǔ)，是常用的電導(dǎo)率測(cè)量方法。實(shí)施這種測(cè)量時(shí)，需要將兩個(gè)并行放置的惰性電極浸入液體之中，以測(cè)量交流電阻。在這個(gè)過(guò)程中，可以估算電解液的流動(dòng)性、顆粒密度和氧化狀態(tài)，從而得出溶液的濃度。

pH值測(cè)量則是基于半電池反應(yīng)原理，半電池反應(yīng)發(fā)生在電極膜上，與H+離子的濃度直接相關(guān)。這種勢(shì)差導(dǎo)致產(chǎn)生電壓，后者與pH值呈線性關(guān)系。對(duì)于pH值測(cè)量，存在的主要問(wèn)題是pH傳感器具有非常高的串聯(lián)電阻，因此對(duì)分析電子設(shè)備的要求非常高。

電化學(xué)阻抗分析也是常見(jiàn)的測(cè)量方法之一，其中電化學(xué)電池或傳感器的阻抗是在所有不同頻率中測(cè)量。通過(guò)不同頻率下阻抗的變化，測(cè)量傳感器磨損，并自動(dòng)調(diào)整信號(hào)鏈。采用這種測(cè)量時(shí)，傳感器精度隨時(shí)間(幾天至幾周)下降，這是個(gè)問(wèn)題。這可能嚴(yán)重影響到各種測(cè)量值的整體精度。例如，連續(xù)血糖測(cè)量(CGM)就會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。由于測(cè)量對(duì)健康至關(guān)重要，所以需要不斷檢查傳感器的精度。示例電路如圖3所示。

圖3. 電化學(xué)阻抗分析

基于ADuCM355的通用液體電阻測(cè)量解決方案

前面描述的醫(yī)療測(cè)量在要求和參數(shù)方面有很大的不同，因此分別使用不同的測(cè)量方法。此外，還必須進(jìn)行溫度測(cè)量，以進(jìn)行補(bǔ)償并校準(zhǔn)溫度。為了補(bǔ)充或提高精度，必須使用多個(gè)傳感器。在離散設(shè)計(jì)中，所有這些測(cè)量都需要很大的電路板面積和很高的功耗。

如今，尤其是在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域，人們都在尋求體積小、節(jié)能和低成本的解決方案，以便將它們植入可穿戴設(shè)備和可用設(shè)備中。ADI針對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)開(kāi)發(fā)了ADuCM355。ADuCM355解決方案可以統(tǒng)一實(shí)施所有測(cè)量。這種高度集成的芯片包含一個(gè)節(jié)能模擬前端(AFE)和一個(gè)微控制器，后者承擔(dān)管理和安全功能，例如循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)。圖4所示的框圖顯示了ADuCM355的關(guān)鍵組件。

圖4：ADuCM355片上集成的豐富功能適合極低功耗的電化學(xué)和生物傳感器測(cè)試

ADuCM355精密模擬微控制器帶有生物傳感器和化學(xué)傳感器接口，是目前市場(chǎng)上能夠在單個(gè)芯片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)恒電位儀勢(shì)器和電化學(xué)阻抗頻譜分析儀(EIS)功能的少有的解決方案，除了本文提及的液體測(cè)量，還適合用于工業(yè)氣體檢測(cè)、儀器儀表、生命體征監(jiān)測(cè)和疾病管理等應(yīng)用。ADuCM355集成了行業(yè)先進(jìn)的傳感器診斷技術(shù)，具有非常低的噪聲和低功耗，并且尺寸非常小。傳統(tǒng)的分立式解決方案往往具有一些局限性，并且需要多個(gè)IC才能實(shí)現(xiàn)類似性能，相比之下，ADuCM355的新型微控制器平臺(tái)能夠提供更高的可靠性和極大靈活性，并且可以顯著節(jié)約成本。

圖5：ADI與PalmSens BV合作研發(fā)的微型(30.5 mm × 18 mm × 2.6 mm)恒電勢(shì)器系統(tǒng)化模

電化學(xué)產(chǎn)品日趨微型化。儀器儀表從機(jī)架安裝式或臺(tái)式機(jī)縮小為手持式設(shè)備，以進(jìn)行目標(biāo)點(diǎn)或環(huán)境分析。下一代儀器儀表開(kāi) 始將恒電勢(shì)器集成到更小的設(shè)備(例如可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè) 備或氣體監(jiān)測(cè)儀)中。圖5所示是ADI公司與PalmSens BV合作研發(fā)的 EmStat Pico 就是一款微型(30.5 mm × 18 mm × 2.6 mm)恒電勢(shì)器系統(tǒng)化模 塊(SOM)，它延續(xù)了這一尺寸縮小的趨勢(shì)。該模塊采用即基于ADuCM355實(shí)現(xiàn)性能和尺寸在同類應(yīng)用中的創(chuàng)新升級(jí)。

圖6：使用ADuCM355測(cè)量pH值、溫度和電導(dǎo)率的電路

事實(shí)上，大多數(shù)用于所述測(cè)量的傳感器可以通過(guò)ADuCM355輸入直接操作。例如，用于恒電勢(shì)器測(cè)量，如血糖測(cè)量。與此相對(duì)，實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的測(cè)量(例如電導(dǎo)率和pH值)需要用到擴(kuò)展信號(hào)鏈，所以也需要采用外部芯片，例如 LTC6078。它增加了輸入阻抗，以適應(yīng)傳感器的高輸出阻抗，從而獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。除了前面描述的測(cè)量以外，還需要測(cè)量溫度，以補(bǔ)償傳感器的波動(dòng)。擴(kuò)展測(cè)量原理如圖6所示。借助較大的信號(hào)鏈，ADuCM355可以讀取電壓和電流值。在所示的電路中，可以檢測(cè)到范圍小于100 Ω至10 MΩ的阻抗。較大的測(cè)量范圍可以覆蓋醫(yī)療領(lǐng)域所需的整個(gè)阻抗圖譜。對(duì)于電導(dǎo)率測(cè)量，高動(dòng)態(tài)范圍特別重要，如此可以測(cè)量多種濃度。