徐 鐵， 涂亞慶， 牟澤龍， 陳 鵬

(陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事物流系，重慶 401311)

0 引 言

復(fù)阻抗檢測技術(shù)初用在物理研究中測量元器件的阻抗值，隨后日漸應(yīng)用在其他領(lǐng)域。如今多樣化的復(fù)阻抗檢測技術(shù)逐漸應(yīng)用在化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，不再一味地追求高精度，而是對檢測技術(shù)的對象、方法和過程等有著多方面的要求。

本文對國內(nèi)外復(fù)阻抗檢測技術(shù)進(jìn)行調(diào)研，對現(xiàn)用的檢測技術(shù)進(jìn)行分析比較，列舉其應(yīng)用，總結(jié)復(fù)阻抗檢測技術(shù)的存在問題，最后對復(fù)阻抗檢測技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 復(fù)阻抗檢測技術(shù)方法

目前復(fù)阻抗檢測技術(shù)方法有4臂電橋檢測法、伏安法和自由軸檢測法等。在本節(jié)中，將把復(fù)阻抗檢測方法歸納為5大類進(jìn)行分析比較。

1.1 4臂電橋檢測法

交流電橋(4臂電橋法)使用交流電源，檢測對象既可是純電阻，也可是復(fù)阻抗[1]。隨著技術(shù)進(jìn)步，經(jīng)典電橋法逐漸被精度更高且設(shè)備更簡便的改進(jìn)電橋和自動平衡電橋等代替。隨后的感應(yīng)耦合比例臂電橋、數(shù)字電橋等新型方法都是從經(jīng)典電橋改進(jìn)而來。文獻(xiàn)[2]利用4臂電橋法設(shè)計(jì)了先進(jìn)功能的電子電力變壓器。文獻(xiàn)[3]將4臂電橋法應(yīng)用在變電站故障分析當(dāng)中。

4臂電橋法的優(yōu)點(diǎn)是低頻精度高，測量范圍廣，使用方便[1～3]；缺點(diǎn)是調(diào)節(jié)電橋平衡復(fù)雜、高頻精度低，調(diào)節(jié)電橋平衡困難[1～3]。

1.2 伏安檢測法

根據(jù)矢量參考方向，伏安檢測法可以分為固定軸檢測法和自由軸檢測法兩種相位參考方法[4]。

固定軸檢測法的使用很少，文獻(xiàn)[4]中提出，如果設(shè)置固定基準(zhǔn)不精確，檢測結(jié)果將容易出現(xiàn)同向誤差。

自由軸檢測法相對于固定軸法要“自由”許多，相位參考基準(zhǔn)不需要與待檢測阻抗一致。使得自由軸檢測法在硬件上實(shí)施要更容易，精度也比固定軸檢測法高。文獻(xiàn)[4,5]均利用自由軸法設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)阻抗測量儀器。

固定軸檢測法計(jì)算簡單，方便；但實(shí)際操作困難，誤差大[4]。自由軸檢測法簡單，檢測成本低，速度快[4,5]；但精度不高，有較大的系統(tǒng)誤差[4,5]。

1.3 矢量阻抗檢測法

矢量阻抗法是以阻抗的矢量式為檢測基礎(chǔ)，根據(jù)激勵(lì)信號源的頻率可將檢測方法分為單頻率法和多頻率法。

1.3.1 單頻率法與多頻率法

單頻率矢量阻抗法即只使用某一頻率的交流信號源作激勵(lì)信號。大多數(shù)的研究者將單頻矢量阻抗檢測法應(yīng)用于人體成份的分析[6]。比如Heitmann用此方法來評估了身體成份的組成，文獻(xiàn)[7]應(yīng)用此方法進(jìn)行了對人體水分含量，人體胖瘦和肥胖癥的檢測。文獻(xiàn)[8]交流單頻阻抗法檢測傳感器的敏感機(jī)理。

多頻率法分為單頻掃描(掃頻)、混頻和多頻同步(諧波模式)三種模式[9，10]。文獻(xiàn)[11]用單頻掃描技術(shù)完成了對微流控芯片的阻抗頻譜測量，且對最大長度序列進(jìn)行了FFT，使得整個(gè)單頻掃描在毫秒的時(shí)間內(nèi)完成。英國的謝菲爾德大學(xué)醫(yī)學(xué)物理與臨床工程系設(shè)計(jì)并證明了電阻抗成像技術(shù)在肺部或腦部成像和診斷篩查應(yīng)用中的實(shí)際潛力[12]。

混頻法是產(chǎn)生多個(gè)頻率的激勵(lì)信號并混合成一個(gè)[13]。Alistair等設(shè)計(jì)了混頻法的檢測系統(tǒng)，將4個(gè)不同頻率的正交信號混合成同時(shí)多頻激勵(lì)信號，并加載至待測阻抗上，通過正交解調(diào)得出電阻抗參數(shù)[14]。

多頻同步也叫做諧波模式，利用非正弦信號所包含的諧波分量來得到待測阻抗的頻譜[15]。多頻同步模式的激勵(lì)信號源可以是方波脈沖[15]，Chirp脈沖[16]和Walsh函數(shù)[14]等。文獻(xiàn)[15]設(shè)計(jì)了一種基于Walsh函數(shù)和FPGA的理想多頻同步激勵(lì)源，能夠?qū)崿F(xiàn)多頻同步快速測量。文獻(xiàn)[16]使用基于方波脈沖的系統(tǒng)，得到了復(fù)合材料的電阻抗頻譜。文獻(xiàn)[16]中使用的chirp脈沖表現(xiàn)出了良好的頻率特性。

1.3.2 優(yōu)缺點(diǎn)

單頻率法優(yōu)點(diǎn)是在某頻率范圍內(nèi)，能使正弦波失真小、幅值穩(wěn)定且參數(shù)可調(diào)，而且穩(wěn)定度高[6～8]；缺點(diǎn)是單個(gè)頻率響應(yīng)信息量太少，不足以反映阻抗的全部信息[7,8]。多頻率法優(yōu)點(diǎn)是比單頻率法更好地反映了待測阻抗信息，得到更多信息的電阻抗頻譜，精度更高，方法更穩(wěn)定，作用范圍更加廣泛；缺點(diǎn)是掃頻模式的檢測時(shí)間較長，混頻模式的信號混合難度較高，多頻同步模式的諧波信號復(fù)雜[9～16]。

1.4 微波檢測法

微波檢測法是一種利用微波技術(shù)進(jìn)行無損傷檢測的方法。對于復(fù)阻抗檢測一般有微波諧振法、自由空間法和同軸線法等。

1.4.1 微波諧振法、自由空間法與同軸線法

微波諧振法對于復(fù)阻抗檢測，主要使用基于微帶環(huán)形的諧振法，簡稱微帶諧振法。一般將振蕩電路做成環(huán)形諧振器[17],其結(jié)構(gòu)如圖1所示。自由空間法是一種微波材料的電磁參數(shù)測試方法[18]，是一種非接觸和非破壞性的方法，對待測阻抗只要求厚度和面積。

圖1 微帶諧振環(huán)結(jié)構(gòu)[17]

文獻(xiàn)[19]用改進(jìn)的自由空間技術(shù)測量聚合物的復(fù)雜太赫茲介電性能。文獻(xiàn)[20]利用自用空間法檢測電磁波(100～110 GHz)輻射條件下的不同地域、濕度和不同類型的煤，研究了濕度等對煤的介電特性的影響。Kharkovsky S N等人利用自由空間法對砂漿試樣進(jìn)行檢測，研究了不同水灰比試樣在X波段反射下，振幅和透射系數(shù)對時(shí)間依賴性[21]。

同軸線法測量耦合阻抗通過檢測電流脈沖的形變所對應(yīng)的能量改變，可得到待測阻抗值[22]。自Sands M和Rees J R首次提出同軸線法測量耦合阻抗后，國內(nèi)外學(xué)者陸陸續(xù)續(xù)利用同軸線法或改進(jìn)方法檢測耦合阻抗[22～24]。加速器實(shí)驗(yàn)室根據(jù)同軸線法的原理和MAFIA軟件，研制了高頻接頭，此高頻接頭能夠同時(shí)完成拉緊內(nèi)導(dǎo)體細(xì)絲和阻抗匹配。文獻(xiàn)[24]在同軸線法的基礎(chǔ)上討論了開口同軸探頭技術(shù)，簡化了檢測過程。

1.4.2 優(yōu)缺點(diǎn)

微波諧振法:優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，易于測試微波板，無損傷檢測；缺點(diǎn)是諧振頻率易受影響，無法大面積檢測，諧振環(huán)的中間鏤空區(qū)是檢測盲區(qū)[17～19]。

自由空間法的優(yōu)缺點(diǎn):優(yōu)點(diǎn)是對待測阻抗要求低，且具有非接觸性和非破壞性；缺點(diǎn)是對測量環(huán)境和裝置要求高，校準(zhǔn)需校準(zhǔn)件，天線產(chǎn)生的多余反射易產(chǎn)生誤差[19～22]。

同軸線法:優(yōu)點(diǎn)是檢測速度快，非破壞性，操作簡便；缺點(diǎn)是參考面需要校準(zhǔn)，精度受限制，計(jì)算復(fù)雜[23，24]。

1.5 脈沖反射檢測法

脈沖反射檢測法用反射波來計(jì)算出阻抗的變化[25]，其主要器件是時(shí)域反射計(jì)(time domain reflectometry，TDR)，它是現(xiàn)在PCB特性阻抗測試領(lǐng)域中主要的測試儀器。時(shí)域反射計(jì)基本結(jié)構(gòu)是由一個(gè)高速脈沖發(fā)生器、高速取樣電路和示波器等組成[25]。由Cristi F等人利用時(shí)域反射計(jì)間接地測量土壤含水量，分析了傳統(tǒng)TDR的存在誤差并提出了改進(jìn)方法[26]。文獻(xiàn)[27]提出了一種用于描述非飽和土層含水率剖面的空間時(shí)域反射法。

脈沖反射檢測法的優(yōu)點(diǎn)是檢測阻抗的范圍廣，一次性檢測全部信息，方法簡單，無損傷且便于觀察；缺點(diǎn)是易發(fā)生功率損耗和失真，易受工藝水平限制[25～27]。

2 應(yīng) 用

2.1 生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

在生物科學(xué)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，生物組織及器官的電生理阻抗特性可以作為醫(yī)學(xué)中與疾病或健康狀況相關(guān)的檢測信息[28]。比如生物電阻抗譜(bioimpedance spectroscopy，BIS)是多頻率的生物復(fù)阻抗檢測技術(shù)，應(yīng)用于組織檢測，病變檢測，體內(nèi)各種成分的檢測等[29～31]。其檢測系統(tǒng)架構(gòu)如圖2(a)所示，對生物組織加載激勵(lì)電源，然后采集激勵(lì)響應(yīng)并處理，得到檢測信息。電阻抗成像技術(shù)(electrical impedance tomography，EIT)，是一種電學(xué)成像理論與電學(xué)斷層成像算法結(jié)合產(chǎn)生的對人體無損傷的成像技術(shù)[12，32]。

2.2 材料領(lǐng)域與電化學(xué)領(lǐng)域

在材料與化學(xué)領(lǐng)域中，有電阻抗譜(electrical impedance spectroscopy,EIS)方法(交流阻抗譜方法或頻響分析法)，一種通過各頻率的響應(yīng)信號來分析材料微觀結(jié)構(gòu)變化的一種電化學(xué)測試技術(shù)[32]，因?yàn)槠錅?zhǔn)確、便捷、高效與可移植等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[33]。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2(b)所示，要得到待測材料的電阻抗譜，通過壓控電流源(voltage-controlled current source,VCCS)將多頻信號加載至材料，再信號處理和數(shù)據(jù)處理。通過復(fù)阻抗譜的測量還可以研究電極過程[34]、金屬材料腐蝕機(jī)理和耐蝕性能等[35]。

2.3 電氣與電力領(lǐng)域

電氣與電力領(lǐng)域中，常要檢測輸電網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點(diǎn)之間或高壓輸送電線的阻抗[10]。通過檢測復(fù)阻抗，能夠定位電力網(wǎng)絡(luò)的故障[36]。其阻抗測量系統(tǒng)架構(gòu)如圖2(c)所示，對電網(wǎng)系統(tǒng)注入諧波，模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換后信號處理，再接入電網(wǎng)系統(tǒng)分析模塊。通過電力網(wǎng)絡(luò)的阻抗，有利于控制功率因數(shù)和輸入均壓、均流的控制，以保證系統(tǒng)的控制策略正常有效[37]，有利于解決電力系統(tǒng)中的電源電壓暫降問題[38]。通過復(fù)阻抗檢測，能夠間接檢測電氣系統(tǒng)中的電能質(zhì)量，以保障電氣化鐵路系統(tǒng)的高效運(yùn)行[39]。

圖2 生物復(fù)阻抗、EIS、電網(wǎng)阻抗和微流控芯片檢測系統(tǒng)的架構(gòu)

2.4 微流控芯片領(lǐng)域

不同領(lǐng)域的交融，復(fù)阻抗檢測技術(shù)也已經(jīng)融入更多領(lǐng)域。比如一個(gè)生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、電子、材料和機(jī)械等多學(xué)科交叉的新研究領(lǐng)域——微流控芯片技術(shù)[40]。其架構(gòu)圖如圖2(d)所示，通過分光分度計(jì)(光譜儀)得到光譜線，然后在無光盒中對微流控芯片進(jìn)行光激勵(lì)，再對微流控芯片進(jìn)行復(fù)阻抗譜檢測。它將復(fù)阻抗檢測應(yīng)用于毒理學(xué)研究、細(xì)菌研究、材料檢測、環(huán)境檢測、快速疫病檢測等方面。

3 問題與展望

3.1 問 題

1)高精度檢測技術(shù)的成本很高?，F(xiàn)在的復(fù)阻抗檢測技術(shù)的一個(gè)普遍現(xiàn)象，精度越高的方法其檢測成本也越高。如自由空間法和同軸線法檢測精度很高，但都使用了昂貴的網(wǎng)絡(luò)分析儀,微帶諧振環(huán)的成本同樣高,脈沖反射檢測法則需要昂貴的探頭。

2)大多檢測設(shè)備體型大、操作復(fù)雜。一般在都滿足高精度檢測要求的條件下，檢測技術(shù)所用到的設(shè)備一般體積較大且操作專業(yè)性強(qiáng)。比如脈沖反射檢測法則需要使用脈沖發(fā)射器和示波器等操作復(fù)雜的設(shè)備。

3.2 展 望

1)新興復(fù)阻抗檢測技術(shù)呈現(xiàn)增長趨勢。起初多用電流—電壓或電橋檢測法，但隨著各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了頻率檢測法、微波檢測法和脈沖檢測法等不同原理的檢測方法，不再局限于傳統(tǒng)的檢測方法。

2)復(fù)阻抗檢測技術(shù)及設(shè)備需求呈現(xiàn)操作更簡便和成本更低趨勢。正如上述問題中，現(xiàn)在的檢測技術(shù)及設(shè)備很難將成本和精度兼顧。在滿足精度的條件之下，設(shè)備的設(shè)計(jì)越來越需要小型化、簡便化。

3)應(yīng)用領(lǐng)域多方向發(fā)展趨勢。阻抗檢測技術(shù)已從傳統(tǒng)的物理、電、化學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到其它領(lǐng)域。例如用于生物醫(yī)學(xué)的生物組織檢測的生物電阻抗譜檢測，用于化學(xué)反應(yīng)的電化學(xué)阻抗普檢測，和用于試劑、污染或疫病檢測的生物芯片實(shí)驗(yàn)室等。

4 結(jié)束語

復(fù)阻抗檢測技術(shù)正應(yīng)用在化學(xué)、材料、生物醫(yī)藥和微流控芯片等不同以往的領(lǐng)域。大多數(shù)復(fù)阻抗檢測方法的性價(jià)比不高，而且所用設(shè)備較專業(yè)，操作復(fù)雜。在滿足精度的條件下，復(fù)阻抗檢測設(shè)備也越來越需要小型化、簡便化。未來新的復(fù)阻抗檢測技術(shù)將越來越多，且將應(yīng)用于更多的方向和領(lǐng)域。