专利名称：应用于电化学测量的便携式阻抗谱分析仪及阻抗谱分析方法
技术领域：
本发明属于电化学阻抗谱分析领域，具体涉及一种应用于电化学测量的便携式阻抗谱分析仪及分析方法。
背景技术：
在电化学性能的研究过程中，多采用测量电化学阻抗谱的方法。电化学阻抗谱方法(ElectrochemicalImpedance Spectroscopy,缩写为 EIS)是一种以小振幅的正弦波电价(或电流)为扰动信号的电化学测量方法。由于是以小振幅的电信号对电化学体系扰动，一方面可避免对体系产生大的影响，另一方面也使得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系，这就使得测量结果的数学处理变得简单。同时，电化学阻抗谱方法又是一种频率域的测量方法，它以测量得到的频率范围很宽的阻抗谱来研究电极系统，因而能比其他常规的电化学方法得到更多的动力学信息及电极界面结构的信息。给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流电势波，测量交流电势与电流信号的比值(此比值即为系统的阻抗)随正弦波频率ω的变化，或者是阻抗的相位角Φ随ω的变化。此时电极系统的频响函数，就是电化学阻抗。在一系列不同频率下测得的一组这种频响函数值则就是电极系统的电化学阻抗谱。目前，市场上的能进行电化学阻抗谱测量的产品有电化学工作站、频率响应分析仪、精密LCR仪等设备。这些设备可进行多频点阻抗测量，精度高，完善的软件设计，但是成本昂贵，体积庞大，不便于携带，设计复杂，使用繁琐，非专业人员难以上手使用。还有一类测量设备体积小，但是功能较差，一般只能在少数几个或者一个频点测量阻抗信息，或者能测量的阻抗值范围小，分析能力弱，人机交互不方便。
发明内容
本发明的目的是提供一种应用于电化学测量的便携式阻抗谱分析仪及分析方法，其是为现场级的电化学测量提供了一种高性能的方案，其操作简单、快速、可靠、低成本的测量装置及测量方法。本发明提供了一种应用于电化学测量的便携式阻抗谱分析仪，其包括:阻抗分析芯片，其用于测量电化学系统的阻抗数据，并将测得的数据传送给主控制器；反馈电阻网络，其用于向阻抗分析芯片提供不同档位的反馈电阻以及相应的校准电阻；测量切换电路，其包括第一切换开关和第二切换开关，第一切换开关用于在反馈电阻网络中不同档位的反馈电阻之间进行切换，第二切换开关用于在当前档位的反馈电阻对应的校准电阻和待测电化学系统之间切换；主控制器，其用于控制所述测量切换电路中的第一切换开和第二切换开关的通断；其还根据所述阻抗分析芯片测得的数据计算得到所述待测电化学系统的阻抗谱；其中，在系统校准期间，所述阻抗分析芯片分别与不同档位下的反馈电阻和校准电阻相连，用于测量不同档位下的增益系数；在系统测量阶段，所述阻抗分析芯片与不同档位下的反馈电阻和待测电化学系统相连，用于测量不同档位下待测电化学系统的阻抗数据，主控制器根据所述不同档位下待测电化学系统的阻抗数据和不同档位下的增益系数，获得待测电化学系统的阻抗值。本发明还提供了一种对待测电化学系统进行阻抗谱分析的方法，其包括:步骤1:依次将不同档位的反馈电阻和校准电阻接入阻抗分析芯片；步骤2:阻抗分析芯片依次在不同档位反馈电阻下，对相应的校准电阻进行测量，得到校准数据；步骤3:根据所述校准数据计算得到不同档位反馈电阻下的增益系数；步骤4:依次将不同档位的反馈电阻和待测电化学系统接入阻抗分析芯片；步骤5:阻抗分析芯片依次在不同档位的反馈电阻下，对待测电化学系统进行测量，得到测量数据；步骤6:根据所述测量数据和步骤3中计算得到的相同档位反馈电阻下的增益系数，计算得到不同档位反馈电阻下所述待测电化学系统的阻抗数据；步骤7:根据所计算得到的待测电化学系统阻抗数据和相应地反馈电阻进行比较，最终得到待测电化学系统的阻抗值。本发明提供的上述方案具有以下优点:通过电阻反馈网络来改变反馈电阻档位，实现较大地阻抗值测量范围，主控制通过设置阻抗分析芯片的起始频率、频率增量和增量数等参数来进行多频点扫频，该便携式阻抗谱分析仪体积小适合用于现场级、有实时检测需求的疫病防控领域，同时本发明在研究操作简单、快速、低成本、非标记和非侵入的电化学测量方法以及在分析化学、材料化学、生物、医学、临床检验、工业分析、环境监测和农业分析等领域具有巨大的应用潜力。
图1是本发明中应用于电化学测量的便携式阻抗谱分析仪的结构框图；图2是本发明中阻抗谱测量原理示意图；图3是本发明中反馈电阻网络原理示意图；图4是本发明中阻抗谱分析方法的流程图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。图1示出了本发明中应用于电化学测量的便携式阻抗谱分析仪的结构示意图。如图1所示，本发明公开了一种应用于电化学测量的便携式阻抗谱分析仪，其包括:主控制器I，其使系统各个部件协调一致地工作；输出设备2，其输入端与主控制器I的第一输出端连接，其用于显示系统测量处理结果，所显示的内容由主控制器的输出控制信号控制；
输入设备3，其输出端与主控制器I的第一输入端连接，用户通过该输入设备3向主控制器I输入对待测电化学系统进行阻抗测量时的系统参数，所述系统参数包括对待测电化学系统进行阻抗测量时阻抗谱的频谱范围和频谱分辨率，以及其它相关的参数，如起始频率、扫描点数和频率增量等；其中，所述扫频点数表示用于测量的不同频率次数。主机接口 4，其输入端与主控制器I的第二输出端连接，其将系统已保存的测量数据通过主机接口上传给上位机，计算机或者智能设备；阻抗分析芯片5，其第一输入端与主控制器I的第二输入端连接，用于从主控制器I接收对待测电化学系统进行测量时的系统参数，并利用所接收到的所述系统参数来设定对待测电化学系统进行测量时的激励信号的输出频率；并通过系统参数中的起始频率和频率增量等不断改变频率，以实现频率谱下待测电化学系统的阻抗测量；其第二输入端与测量切换电路9连接；并通过测量切换电路9中的切换开关连接反馈电阻网络8中不用档位下的反馈电阻，同时连接所述待测电化学系统或者与所连通的当前档位下的反馈电阻对应设置的校准电阻，以测量待测电化学系统和校准电阻在相同反馈电阻下的阻抗测量数据，并将所述测量数据传送给主控制器I ;电源6,其第一输出端与主控制器I的第三输入端连接,其用于向主控制器提供电源；开关驱动电路7，其第一输入端与主控制器I的第三输出端连接，第二输入端与电源6的第二输出端连接，主控制器I利用管脚的高低电平实现控制开关驱动电路7的通断，电源6为开关驱动电路7供电；开关驱动电路7为测量切换电路9提供驱动电压，以根据主控制器I的控制切换所述测量切换电路9中各组开关的通断；反馈电阻网络8，其是基于自动平衡电桥法的测量原理而设计的，其包括多种档位的反馈电阻，每种档位的反馈电阻对应设置有一个阻抗值相等的校准电阻，其输入端与测量切换电路9的第一输出端连接；测量切换电路9，其第一输出端与反馈电阻网络8的输入端连接，第二输出端与阻抗分析芯片5的第二输入端连接；其包括第一切换开关和第二切换开关，第一切换开关包括多组，每组第一切换开关与反馈电阻网络8中的不同档位的反馈电阻相连，第二切换开关用于在待测电化学系统或者校准电阻之间进行切换；该测量切换电路9在开关驱动电路7的控制下，选择接入所述不同档位的反馈电阻，并同时在待测电化学系统或者该档位下与反馈电阻对应的校准电阻之间切换，以使它们接入阻抗分析芯片5 ;该测量切换电路9中的切换开关为转换型开关，可以是继电器开关或模拟开关；待测电化学系统基准电压源10，其输入端与电源6的第二输出端连接，其输出端与阻抗分析芯片5的第三输入端连接，电源6为基准电压源10供电，而基准电压源10为阻抗分析芯片5提供基准电压。其中，主控制器1、输出设备2、输入设备3、主机接口 4、阻抗分析芯片5、基准电压源10、电源6和开关驱动电路7构成主控单元。本发明测量切换电路9中的切换开关由继电器来实现的，也可以由导通电阻小的模拟开关来实现。本发明一优选实施例中，选择继电器来实现，每个继电器对应一个反馈电阻档位。表I中示出了 6个不同档位下的反馈电阻以及与其对应的校准电阻，则此时测量切换电路9需要7个继电器，其中6个继电器用于切换6个档位的反馈电阻，另一继电器用于在待测电化学系统和校准电阻之间进行切换，如图2以及图3所示。表I反馈电阻网络档位设定
权利要求
1.一种应用于电化学测量的便携式阻抗谱分析仪，其包括: 阻抗分析芯片，其用于测量电化学系统的阻抗数据，并将测得的数据传送给主控制器； 反馈电阻网络，其用于向阻抗分析芯片提供不同档位的反馈电阻以及相应的校准电阻； 测量切换电路，其包括第一切换开关和第二切换开关，第一切换开关用于在反馈电阻网络中不同档位的反馈电阻之间进行切换，第二切换开关用于在当前档位的反馈电阻对应的校准电阻和待测电化学系统之间切换； 主控制器，其用于控制所述测量切换电路中的第一切换开和第二切换开关的通断；其还根据所述阻抗分析芯片测得的数据计算得到所述待测电化学系统的阻抗谱； 其中，在系统校准期间，所述阻抗分析芯片分别与不同档位下的反馈电阻和校准电阻相连，用于测量不同档位下的增益系数；在系统测量阶段，所述阻抗分析芯片与不同档位下的反馈电阻和待测电化学系统相连，用于测量不同档位下待测电化学系统的阻抗数据，主控制器根据所述不同档位下待测电化学系统的阻抗数据和不同档位下的增益系数，获得待测电化学系统的阻抗值。
2.如权利要求1所述的分析仪，其特征在于，所述分析仪用于测量所述待测电化学系统在不同频率下的阻抗值，以分析得到所述待测电化学系统在频率谱下的阻抗谱。
3.如权利要求2所述的分析仪，其特征在于，所述分析仪还包括输入设备，用于输入测量分析所述待测电化学系统的阻抗谱时的系统参数，所述系统参数包括起始频率、扫描点数和频率增量。
4.如权利要求1所述的分析仪，其特征在于，所述主控制器通过电流驱动控制所述测量切换电路中切换开关的通断。
5.如权利要求1所述的分析仪，其特征在于，所述第一切换开关和第二切换开关均为继电器，所述第一切换开关包括多组，所述多组第一切换开关分别与多个不同档位的反馈电阻和校准电阻相连。
6.如权利要求1所述的分析仪，其特征在于，所述增益系数根据所述阻抗分析芯片在接入校准电阻时测得的数据和当前档位下反馈电阻值计算得到。
7.如权利要求1所述的分析仪，其特征在于，所述待测电化学系统的阻抗值根据所述阻抗分析芯片在接入待测电化学系统时测得的数据和当前档位下反馈电阻的增益系数计算得到。
8.如权利要求1所述的分析仪，其特征在于，同一档位的反馈电阻和校准电阻的阻抗值相同。
9.一种对待测电化学系统进行阻抗谱分析的方法，其包括: 步骤1:依次将不同档位的反馈电阻和校准电阻接入阻抗分析芯片； 步骤2:阻抗分析芯片依次在不同档位反馈电阻下，对相应的校准电阻进行测量，得到校准数据； 步骤3:根据所述校准数据计算得到不同档位反馈电阻下的增益系数； 步骤4:依次将不同档位的反馈电阻和待测电化学系统接入阻抗分析芯片； 步骤5:阻抗分析芯片依次在不同档位的反馈电阻下，对待测电化学系统进行测量，得到测量数据； 步骤6:根据所述测量数据和步骤3中计算得到的相同档位反馈电阻下的增益系数，计算得到不同档位反馈电阻下所述待测电化学系统的阻抗数据； 步骤7:根据所计算得到的待测电化学系统阻抗数据和相应地反馈电阻进行比较，最终得到待测电化学系统的阻抗值。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法还包括: 步骤8:增加所述阻抗分析芯片的扫频频率，重复步骤1-7，获得不同频率下所述待测电化学系统的阻抗值 ，以得到频率谱下待测电化学系统的阻抗谱分析结果。
全文摘要
本发明公开了一种应用于电化学测量的便携式阻抗谱分析仪，其主要包括阻抗分析芯片，其用于测量增益系数和待测电化学系统的阻抗数据，并将测得的结果传送给主控制器；反馈电阻网络，其用于向阻抗分析芯片提供不同档位的反馈电阻以及相应的校准电阻；测量切换电路，用于在多个档位的反馈电阻和校准电阻之间切换，还用于在校准电阻和待测电化学系统之间切换；主控制器，其用于控制所述测量切换电路中的第一切换开和第二切换开关的通断；其还根据所述阻抗分析芯片测得的数据计算得到所述待测电化学系统的阻抗谱。本发明通过电阻反馈网络来改变反馈电阻档位，实现较大地阻抗值测量范围。
文档编号G01R27/02GK103149441SQ20131007783
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月12日 优先权日2013年3月12日
发明者蒋莉娟, 俞海龙, 韩伟静 申请人:中国科学院半导体研究所