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應用指南-MFIA用于傳感器的阻抗測量

2022-08-081567次

傳感器可以測量各種機械參數（例如應變和位置），環境參數（溫度，壓力和濕度）和樣本（例如材料，組織和生物）。感測到的環境的變化會導致傳感器阻抗的相應變化。該阻抗變化包括電感，電容和電阻或復數阻抗本身，且需要在傳感器的時間尺度上被高精度和高準度的測量。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樣品或環境提供了額外的信息。當前可用的大量傳感器包括化學傳感器和生物傳感器。其中化學傳感器通常是電容性的：電介質中分析物的存在會引起電容變化。而阻抗式生物傳感器可測量液體介質（靜態或流動）中的組織或生物，并且在大多數情況下可以做到無損檢測且無需標記。

應用指南-MFIA用于傳感器的阻抗測量

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圖1：使用MFIA表征傳感器的示意圖。傳感器將環境的干擾轉換為阻抗變化，而MFIA可以使用2端子或4端子配置進行測量。

測量策略

開發和優化傳感器需要清楚地了解所感測環境的變化如何轉化為阻抗的變化。確定傳感器的最佳工作頻率（一個或多個）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，通常的方法是在測量阻抗響應的同時掃描頻率，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控制軟件具有參數掃描儀模塊，支持頻率和電壓掃描。

傳感器響應速度是另一個需要在整個頻率范圍內表征的參數。這可以通過在外部感測到的環境中引起階躍變化，或通過向傳感器施加偏移電壓階躍來模擬環境變化來實現。

使用LabOne的數據采集模塊，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行時域測量可確定的最高感測分辨率。通過不斷減小的傳感器上的干擾信號（例如由矩形電壓脈沖引起的環境變化），我們就可以測量由此產生的阻抗變化。該阻抗測量與干擾脈沖同步，方便平均。通過比較最小分辨信號和最大分辨信號，該技術可以用來測量傳感器的動態范圍。此外，MFIA還支持輔助電壓輸入和基于PID控制器選件的閉環系統。

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圖2：使用LabOne參數掃描儀器模塊測量傳感器共振的波特圖。上圖表顯示了傳感器幅值，而下圖則對應于測試信號和測得的響應之間的相移。

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圖3：使用LabOne數據采集模塊采集傳感器的瞬態電容。橙色代表傳感器的電容。藍色對應于阻抗幅值。

選擇MFIA儀器的優勢

一個工具即可優化傳感器的工作頻率和探測電壓：使用LabOne參數掃描儀顯示Bode或Nyquist圖并將其與參考曲線進行比較。

您可以在極短的時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還具有多級輸入和自動量程功能。并且通過鎖相檢測技術，您可以始終在最佳區域測量。即同時保證了最高信噪比和最低的測量時間。

得益于LabOne儀器控制軟件的5個API，您可以輕松將阻抗測量集成到更大的測量系統中。

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

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