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應(yīng)用指南-MFIA用于傳感器的阻抗測(cè)量

2022-08-081369次

傳感器可以測(cè)量各種機(jī)械參數(shù)（例如應(yīng)變和位置），環(huán)境參數(shù)（溫度，壓力和濕度）和樣本（例如材料，組織和生物）。感測(cè)到的環(huán)境的變化會(huì)導(dǎo)致傳感器阻抗的相應(yīng)變化。該阻抗變化包括電感，電容和電阻或復(fù)數(shù)阻抗本身，且需要在傳感器的時(shí)間尺度上被高精度和高準(zhǔn)度的測(cè)量。由于阻抗通常隨頻率變化，因此傳感器的電阻抗譜也為被測(cè)樣品或環(huán)境提供了額外的信息。當(dāng)前可用的大量傳感器包括化學(xué)傳感器和生物傳感器。其中化學(xué)傳感器通常是電容性的：電介質(zhì)中分析物的存在會(huì)引起電容變化。而阻抗式生物傳感器可測(cè)量液體介質(zhì)（靜態(tài)或流動(dòng)）中的組織或生物，并且在大多數(shù)情況下可以做到無損檢測(cè)且無需標(biāo)記。

應(yīng)用指南-MFIA用于傳感器的阻抗測(cè)量

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圖1：使用MFIA表征傳感器的示意圖。傳感器將環(huán)境的干擾轉(zhuǎn)換為阻抗變化，而MFIA可以使用2端子或4端子配置進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)量策略

開發(fā)和優(yōu)化傳感器需要清楚地了解所感測(cè)環(huán)境的變化如何轉(zhuǎn)化為阻抗的變化。確定傳感器的最佳工作頻率（一個(gè)或多個(gè)）很重要。在此頻率下，傳感器具有最高靈敏度的頻率（圖1）。而為了找到此最佳工作點(diǎn)，通常的方法是在測(cè)量阻抗響應(yīng)的同時(shí)掃描頻率，并將其顯示在Bode或Nyquist圖上（圖2）。類似地，掃描電壓幅值可以找到最佳工作電壓。MFIA阻抗分析儀隨附的LabOne控制軟件具有參數(shù)掃描儀模塊，支持頻率和電壓掃描。

傳感器響應(yīng)速度是另一個(gè)需要在整個(gè)頻率范圍內(nèi)表征的參數(shù)。這可以通過在外部感測(cè)到的環(huán)境中引起階躍變化，或通過向傳感器施加偏移電壓階躍來模擬環(huán)境變化來實(shí)現(xiàn)。

使用LabOne的數(shù)據(jù)采集模塊，您可以很容易地完成上述流程（圖3）。

在最佳工作頻率和電壓下進(jìn)行時(shí)域測(cè)量可確定的最高感測(cè)分辨率。通過不斷減小的傳感器上的干擾信號(hào)（例如由矩形電壓脈沖引起的環(huán)境變化），我們就可以測(cè)量由此產(chǎn)生的阻抗變化。該阻抗測(cè)量與干擾脈沖同步，方便平均。通過比較最小分辨信號(hào)和最大分辨信號(hào)，該技術(shù)可以用來測(cè)量傳感器的動(dòng)態(tài)范圍。此外，MFIA還支持輔助電壓輸入和基于PID控制器選件的閉環(huán)系統(tǒng)。

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圖2：使用LabOne參數(shù)掃描儀器模塊測(cè)量傳感器共振的波特圖。上圖表顯示了傳感器幅值，而下圖則對(duì)應(yīng)于測(cè)試信號(hào)和測(cè)得的響應(yīng)之間的相移。

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圖3：使用LabOne數(shù)據(jù)采集模塊采集傳感器的瞬態(tài)電容。橙色代表傳感器的電容。藍(lán)色對(duì)應(yīng)于阻抗幅值。

選擇MFIA儀器的優(yōu)勢(shì)

一個(gè)工具即可優(yōu)化傳感器的工作頻率和探測(cè)電壓：使用LabOne參數(shù)掃描儀顯示Bode或Nyquist圖并將其與參考曲線進(jìn)行比較。

您可以在極短的時(shí)間窗口跟蹤極小的阻抗變化。

除了低噪聲之外，蘇黎世儀器的MFIA還具有多級(jí)輸入和自動(dòng)量程功能。并且通過鎖相檢測(cè)技術(shù)，您可以始終在最佳區(qū)域測(cè)量。即同時(shí)保證了最高信噪比和最低的測(cè)量時(shí)間。

得益于LabOne儀器控制軟件的5個(gè)API，您可以輕松將阻抗測(cè)量集成到更大的測(cè)量系統(tǒng)中。

新聞素材來源：https://www.zhinst.cn/china/cn/applications/impedance-measurements/impedance-measurement-of-sensors

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