复阻抗检测技术研究现状分析及展望*

2019-06-05涂亚庆牟泽龙

传感器与微系统 2019年6期

关键词：电桥检测法谐振

徐铁，涂亚庆，牟泽龙，陈鹏

(陆军勤务学院军事物流系，重庆 401311)

0 引言

复阻抗检测技术初用在物理研究中测量元器件的阻抗值，随后日渐应用在其他领域。如今多样化的复阻抗检测技术逐渐应用在化学、生物和医学等领域，不再一味地追求高精度，而是对检测技术的对象、方法和过程等有着多方面的要求。

本文对国内外复阻抗检测技术进行调研，对现用的检测技术进行分析比较，列举其应用，总结复阻抗检测技术的存在问题，最后对复阻抗检测技术的发展进行展望。

1 复阻抗检测技术方法

目前复阻抗检测技术方法有4臂电桥检测法、伏安法和自由轴检测法等。在本节中，将把复阻抗检测方法归纳为5大类进行分析比较。

1.1 4臂电桥检测法

交流电桥(4臂电桥法)使用交流电源，检测对象既可是纯电阻，也可是复阻抗[1]。随着技术进步，经典电桥法逐渐被精度更高且设备更简便的改进电桥和自动平衡电桥等代替。随后的感应耦合比例臂电桥、数字电桥等新型方法都是从经典电桥改进而来。文献[2]利用4臂电桥法设计了先进功能的电子电力变压器。文献[3]将4臂电桥法应用在变电站故障分析当中。

4臂电桥法的优点是低频精度高，测量范围广，使用方便[1～3]；缺点是调节电桥平衡复杂、高频精度低，调节电桥平衡困难[1～3]。

1.2 伏安检测法

根据矢量参考方向，伏安检测法可以分为固定轴检测法和自由轴检测法两种相位参考方法[4]。

固定轴检测法的使用很少，文献[4]中提出，如果设置固定基准不精确，检测结果将容易出现同向误差。

自由轴检测法相对于固定轴法要“自由”许多，相位参考基准不需要与待检测阻抗一致。使得自由轴检测法在硬件上实施要更容易，精度也比固定轴检测法高。文献[4,5]均利用自由轴法设计并实现阻抗测量仪器。

固定轴检测法计算简单，方便；但实际操作困难，误差大[4]。自由轴检测法简单，检测成本低，速度快[4,5]；但精度不高，有较大的系统误差[4,5]。

1.3 矢量阻抗检测法

矢量阻抗法是以阻抗的矢量式为检测基础，根据激励信号源的频率可将检测方法分为单频率法和多频率法。

1.3.1 单频率法与多频率法

单频率矢量阻抗法即只使用某一频率的交流信号源作激励信号。大多数的研究者将单频矢量阻抗检测法应用于人体成份的分析[6]。比如Heitmann用此方法来评估了身体成份的组成，文献[7]应用此方法进行了对人体水分含量，人体胖瘦和肥胖症的检测。文献[8]交流单频阻抗法检测传感器的敏感机理。

多频率法分为单频扫描(扫频)、混频和多频同步(谐波模式)三种模式[9，10]。文献[11]用单频扫描技术完成了对微流控芯片的阻抗频谱测量，且对最大长度序列进行了FFT，使得整个单频扫描在毫秒的时间内完成。英国的谢菲尔德大学医学物理与临床工程系设计并证明了电阻抗成像技术在肺部或脑部成像和诊断筛查应用中的实际潜力[12]。

混频法是产生多个频率的激励信号并混合成一个[13]。Alistair等设计了混频法的检测系统，将4个不同频率的正交信号混合成同时多频激励信号，并加载至待测阻抗上，通过正交解调得出电阻抗参数[14]。

多频同步也叫做谐波模式，利用非正弦信号所包含的谐波分量来得到待测阻抗的频谱[15]。多频同步模式的激励信号源可以是方波脉冲[15]，Chirp脉冲[16]和Walsh函数[14]等。文献[15]设计了一种基于Walsh函数和FPGA的理想多频同步激励源，能够实现多频同步快速测量。文献[16]使用基于方波脉冲的系统，得到了复合材料的电阻抗频谱。文献[16]中使用的chirp脉冲表现出了良好的频率特性。

1.3.2 优缺点

单频率法优点是在某频率范围内，能使正弦波失真小、幅值稳定且参数可调，而且稳定度高[6～8]；缺点是单个频率响应信息量太少，不足以反映阻抗的全部信息[7,8]。多频率法优点是比单频率法更好地反映了待测阻抗信息，得到更多信息的电阻抗频谱，精度更高，方法更稳定，作用范围更加广泛；缺点是扫频模式的检测时间较长，混频模式的信号混合难度较高，多频同步模式的谐波信号复杂[9～16]。

1.4 微波检测法

微波检测法是一种利用微波技术进行无损伤检测的方法。对于复阻抗检测一般有微波谐振法、自由空间法和同轴线法等。

1.4.1 微波谐振法、自由空间法与同轴线法

微波谐振法对于复阻抗检测，主要使用基于微带环形的谐振法，简称微带谐振法。一般将振荡电路做成环形谐振器[17],其结构如图1所示。自由空间法是一种微波材料的电磁参数测试方法[18]，是一种非接触和非破坏性的方法，对待测阻抗只要求厚度和面积。

图1 微带谐振环结构[17]

文献[19]用改进的自由空间技术测量聚合物的复杂太赫兹介电性能。文献[20]利用自用空间法检测电磁波(100～110 GHz)辐射条件下的不同地域、湿度和不同类型的煤，研究了湿度等对煤的介电特性的影响。Kharkovsky S N等人利用自由空间法对砂浆试样进行检测，研究了不同水灰比试样在X波段反射下，振幅和透射系数对时间依赖性[21]。

同轴线法测量耦合阻抗通过检测电流脉冲的形变所对应的能量改变，可得到待测阻抗值[22]。自Sands M和Rees J R首次提出同轴线法测量耦合阻抗后，国内外学者陆陆续续利用同轴线法或改进方法检测耦合阻抗[22～24]。加速器实验室根据同轴线法的原理和MAFIA软件，研制了高频接头，此高频接头能够同时完成拉紧内导体细丝和阻抗匹配。文献[24]在同轴线法的基础上讨论了开口同轴探头技术，简化了检测过程。

1.4.2 优缺点

微波谐振法:优点是结构简单，易于测试微波板，无损伤检测；缺点是谐振频率易受影响，无法大面积检测，谐振环的中间镂空区是检测盲区[17～19]。

自由空间法的优缺点:优点是对待测阻抗要求低，且具有非接触性和非破坏性；缺点是对测量环境和装置要求高，校准需校准件，天线产生的多余反射易产生误差[19～22]。

同轴线法:优点是检测速度快，非破坏性，操作简便；缺点是参考面需要校准，精度受限制，计算复杂[23，24]。

1.5 脉冲反射检测法

脉冲反射检测法用反射波来计算出阻抗的变化[25]，其主要器件是时域反射计(time domain reflectometry，TDR)，它是现在PCB特性阻抗测试领域中主要的测试仪器。时域反射计基本结构是由一个高速脉冲发生器、高速取样电路和示波器等组成[25]。由Cristi F等人利用时域反射计间接地测量土壤含水量，分析了传统TDR的存在误差并提出了改进方法[26]。文献[27]提出了一种用于描述非饱和土层含水率剖面的空间时域反射法。

脉冲反射检测法的优点是检测阻抗的范围广，一次性检测全部信息，方法简单，无损伤且便于观察；缺点是易发生功率损耗和失真，易受工艺水平限制[25～27]。

2 应用

2.1 生物科学与医学领域

在生物科学与医学领域，生物组织及器官的电生理阻抗特性可以作为医学中与疾病或健康状况相关的检测信息[28]。比如生物电阻抗谱(bioimpedance spectroscopy，BIS)是多频率的生物复阻抗检测技术，应用于组织检测，病变检测，体内各种成分的检测等[29～31]。其检测系统架构如图2(a)所示，对生物组织加载激励电源，然后采集激励响应并处理，得到检测信息。电阻抗成像技术(electrical impedance tomography，EIT)，是一种电学成像理论与电学断层成像算法结合产生的对人体无损伤的成像技术[12，32]。

2.2 材料领域与电化学领域

在材料与化学领域中，有电阻抗谱(electrical impedance spectroscopy,EIS)方法(交流阻抗谱方法或频响分析法)，一种通过各频率的响应信号来分析材料微观结构变化的一种电化学测试技术[32]，因为其准确、便捷、高效与可移植等优点，得到了广泛应用[33]。其系统架构如图2(b)所示，要得到待测材料的电阻抗谱，通过压控电流源(voltage-controlled current source,VCCS)将多频信号加载至材料，再信号处理和数据处理。通过复阻抗谱的测量还可以研究电极过程[34]、金属材料腐蚀机理和耐蚀性能等[35]。

2.3 电气与电力领域

电气与电力领域中，常要检测输电网络中两节点之间或高压输送电线的阻抗[10]。通过检测复阻抗，能够定位电力网络的故障[36]。其阻抗测量系统架构如图2(c)所示，对电网系统注入谐波，模/数(A/D)转换后信号处理，再接入电网系统分析模块。通过电力网络的阻抗，有利于控制功率因数和输入均压、均流的控制，以保证系统的控制策略正常有效[37]，有利于解决电力系统中的电源电压暂降问题[38]。通过复阻抗检测，能够间接检测电气系统中的电能质量，以保障电气化铁路系统的高效运行[39]。

图2 生物复阻抗、EIS、电网阻抗和微流控芯片检测系统的架构

2.4 微流控芯片领域

不同领域的交融，复阻抗检测技术也已经融入更多领域。比如一个生物、化学、医学、电子、材料和机械等多学科交叉的新研究领域——微流控芯片技术[40]。其架构图如图2(d)所示，通过分光分度计(光谱仪)得到光谱线，然后在无光盒中对微流控芯片进行光激励，再对微流控芯片进行复阻抗谱检测。它将复阻抗检测应用于毒理学研究、细菌研究、材料检测、环境检测、快速疫病检测等方面。