多种阻抗测量法下的液体监测系统通用设计方法分析

对于许多应用而言，确定液体的成分和质量至关重要。最典型的例子是水，水是世界上最珍贵的原生资源。净水和水过滤技术在全球发挥着重要作用，是人们生活不可或缺的部分。洁净的水资源不断减少，获取洁净用水成为日益重要的话题。液体测量的应用范围广泛，示例的范围并不止限于生活用水，还包括医疗领域的液体测量，例如血液、唾液和粪便，通过检测这些物质，确定是否患有疾病，以免影响健康。所有这些测量的基本测量原理都是相同的，即阻抗测量。

多种液体测量的阻抗测量方法分析

虽然对于所有应用，阻抗测量的基本原理都是相同的，但单次测量的功能仍然存在很大差别。下面，我们将讨论与液体测量最为相关的方法。

最基本和常用的测量原理是基于恒电势器的恒电位测量。如图1所示，恒电势器测量和控制工作电极(WE)和参考电极(RE)之间的电压。通过调节流过计数器或辅助电极的电流，工作电极的电势相对于参考电极保持恒定。

图1. 恒电势器测量的测量原理

最简单的电流测量方法是对传感器施加偏置电压并测量响应电流，即电流测量的方法。其中，在RE和WE之间施加一个恒定电压，然后使用电流-电压转换器和模数转换器(ADC)将电流剖面转换为数字信号。这个电流剖面取决于传感器和被测变量。

图2.基于ADuCM355的电流测量

基于伏安法测量为电化学测量，其中电化学电池的电势缓慢上升，然后呈线性下降。因此，测量流经WE的电流时，电位呈三角形波形变化。例如，伏安法被用于测量分析物的半细胞反应活性。这种方法是一种电解形式，产生的电流源于氧化和还原。采用这种方法可以对样本进行定性和定量研究。

以液体中确定的欧姆电阻为基础，是常用的电导率测量方法。实施这种测量时，需要将两个并行放置的惰性电极浸入液体之中，以测量交流电阻。在这个过程中，可以估算电解液的流动性、颗粒密度和氧化状态，从而得出溶液的浓度。

pH值测量则是基于半电池反应原理，半电池反应发生在电极膜上，与H+离子的浓度直接相关。这种势差导致产生电压，后者与pH值呈线性关系。对于pH值测量，存在的主要问题是pH传感器具有非常高的串联电阻，因此对分析电子设备的要求非常高。

电化学阻抗分析也是常见的测量方法之一，其中电化学电池或传感器的阻抗是在所有不同频率中测量。通过不同频率下阻抗的变化，测量传感器磨损，并自动调整信号链。采用这种测量时，传感器精度随时间(几天至几周)下降，这是个问题。这可能严重影响到各种测量值的整体精度。例如，连续血糖测量(CGM)就会出现这种问题。由于测量对健康至关重要，所以需要不断检查传感器的精度。示例电路如图3所示。

图3. 电化学阻抗分析

基于ADuCM355的通用液体电阻测量解决方案

前面描述的医疗测量在要求和参数方面有很大的不同，因此分别使用不同的测量方法。此外，还必须进行温度测量，以进行补偿并校准温度。为了补充或提高精度，必须使用多个传感器。在离散设计中，所有这些测量都需要很大的电路板面积和很高的功耗。

如今，尤其是在医疗技术领域，人们都在寻求体积小、节能和低成本的解决方案，以便将它们植入可穿戴设备和可用设备中。ADI针对这些设计挑战开发了ADuCM355。ADuCM355解决方案可以统一实施所有测量。这种高度集成的芯片包含一个节能模拟前端(AFE)和一个微控制器，后者承担管理和安全功能，例如循环冗余校验(CRC)。图4所示的框图显示了ADuCM355的关键组件。

图4：ADuCM355片上集成的丰富功能适合极低功耗的电化学和生物传感器测试

ADuCM355精密模拟微控制器带有生物传感器和化学传感器接口，是目前市场上能够在单个芯片上同时实现恒电位仪势器和电化学阻抗频谱分析仪(EIS)功能的少有的解决方案，除了本文提及的液体测量，还适合用于工业气体检测、仪器仪表、生命体征监测和疾病管理等应用。ADuCM355集成了行业先进的传感器诊断技术，具有非常低的噪声和低功耗，并且尺寸非常小。传统的分立式解决方案往往具有一些局限性，并且需要多个IC才能实现类似性能，相比之下，ADuCM355的新型微控制器平台能够提供更高的可靠性和极大灵活性，并且可以显著节约成本。

图5：ADI与PalmSens BV合作研发的微型(30.5 mm × 18 mm × 2.6 mm)恒电势器系统化模

电化学产品日趋微型化。仪器仪表从机架安装式或台式机缩小为手持式设备，以进行目标点或环境分析。下一代仪器仪表开 始将恒电势器集成到更小的设备(例如可穿戴设备、医疗设 备或气体监测仪)中。图5所示是ADI公司与PalmSens BV合作研发的 EmStat Pico 就是一款微型(30.5 mm × 18 mm × 2.6 mm)恒电势器系统化模 块(SOM)，它延续了这一尺寸缩小的趋势。该模块采用即基于ADuCM355实现性能和尺寸在同类应用中的创新升级。

图6：使用ADuCM355测量pH值、温度和电导率的电路

事实上，大多数用于所述测量的传感器可以通过ADuCM355输入直接操作。例如，用于恒电势器测量，如血糖测量。与此相对，实现更准确的测量(例如电导率和pH值)需要用到扩展信号链，所以也需要采用外部芯片，例如 LTC6078。它增加了输入阻抗，以适应传感器的高输出阻抗，从而获得准确的读数。除了前面描述的测量以外，还需要测量温度，以补偿传感器的波动。扩展测量原理如图6所示。借助较大的信号链，ADuCM355可以读取电压和电流值。在所示的电路中，可以检测到范围小于100 Ω至10 MΩ的阻抗。较大的测量范围可以覆盖医疗领域所需的整个阻抗图谱。对于电导率测量，高动态范围特别重要，如此可以测量多种浓度。