[發(fā)明專利]一種基于無線數(shù)字電極的阻抗譜測量系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310700343.4
• 申請日: 2013-12-16
• 公開（公告）號: CN103698607A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳曉艷;黃華芳;高娜娜
• 申請（專利權(quán)）人: 天津科技大學(xué)
• 主分類號: G01R27/02
• 分類號: G01R27/02
• 代理公司: 天津盛理知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 12209
• 代理人: 王來佳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程和工業(yè)測量領(lǐng)域，具體涉及邊界閉合被測場域內(nèi)部的阻抗譜測量，尤其是一種基于無線數(shù)字電極的阻抗譜測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)

電阻抗譜測量技術(shù)（Electrical?Impedance?Spectroscopy，EIS）的基本原理是利用邊界閉合被測場域內(nèi)部的不同介質(zhì)具有不同的阻抗（電阻或電導(dǎo)）特性，通過施加驅(qū)動(dòng)電流（電壓），測量邊界響應(yīng)電壓（電流）信號，用于重建物場內(nèi)部的電阻率分布及其變化的圖像。EIS的基本原理是在邊界閉合的被測對象表面放置一圈電極，數(shù)據(jù)采集裝置輸出的電壓或者電流信號，首先通過1個(gè)電極施加到被測對象上，然后測量其他電極上的響應(yīng)電壓或者電流信號，再對測得的電壓電流信號進(jìn)行放大、AD轉(zhuǎn)換、傅里葉變換等得到場域內(nèi)部的阻抗信息，最后傳至上位機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、圖像重建等。因此，阻抗譜測量具有非侵入、無損傷、體積小、成本低廉、功能性成像等優(yōu)點(diǎn)。

但是，已有的阻抗譜測量系統(tǒng)通常由多個(gè)模塊組成，涉及信號發(fā)生器（常用的是直接數(shù)字頻率合成器DDS）、通道切換開關(guān)、可編程增益放大器（PGA）、低通濾波器（LPF）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC）以及信號解調(diào)模塊等；電極與數(shù)據(jù)采集裝置間采用電纜連接，其雜散電容不穩(wěn)定，不僅影響系統(tǒng)信噪比，而且抑制了激勵(lì)信號頻率的提高，影響測量速度；且系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)也采用有線傳輸，這些使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低、抗干擾能力差、不便于攜帶。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種高集成度、抗干擾能力強(qiáng)、便于攜帶的基于無線數(shù)字電極的阻抗譜測量系統(tǒng)。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：

一種基于無線數(shù)字電極的阻抗譜測量系統(tǒng)，由數(shù)字電極、單片機(jī)、無線模塊、上位機(jī)依次連接而成，所述數(shù)字電極由電極陣列、數(shù)字開關(guān)、AD5933及其外圍電路構(gòu)成，所述單片機(jī)采用的是Atmel公司的ATmega16單片機(jī)，無線模塊選用的是NordicVLSI公司的NRF24L01射頻收發(fā)器，工作于2.4GHz-2.5GHzISM頻段；所述上位機(jī)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、繪制曲線、圖像重建；ATmega16單片機(jī)首先通過I²C總線對AD5933進(jìn)行配置，使其產(chǎn)生所需頻率的激勵(lì)信號，然后控制數(shù)字開關(guān)，使其中一個(gè)電極作為激勵(lì)電極，其他電極作為測量電極，最后將數(shù)字電極測量得到的數(shù)據(jù)通過無線模塊無線傳輸至上位機(jī)。

而且，所述AD5933的外圍電路的結(jié)構(gòu)是：在AD5933的激勵(lì)端增加了隔直驅(qū)動(dòng)電路，由47nF電容、兩個(gè)50KΩ電阻構(gòu)成；增加了電壓跟隨電路，選用的是AD8606雙路單電源CMOS運(yùn)算放大器；在測量端增加了I-V緩沖器，選用的也是AD8606。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：

本發(fā)明設(shè)計(jì)的基于無線數(shù)字電極的阻抗譜測量系統(tǒng)，與以往系統(tǒng)相比采用了集成式阻抗測量芯片AD5933并對其進(jìn)行了電路擴(kuò)展，設(shè)計(jì)了數(shù)字式電極，采用了無線傳輸，具有結(jié)構(gòu)簡單、集成度高、穩(wěn)定性好、測量范圍廣、便于攜帶等優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明AD5933的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本發(fā)明的數(shù)字阻抗譜測量系統(tǒng)框圖；

圖3為本發(fā)明的電極結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的電極工作模式電路圖。

圖5為本發(fā)明的AD5933外圍擴(kuò)展電路。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的實(shí)施例；需要說明的是，本實(shí)施例是敘述性的，不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。

一種基于無線數(shù)字電極的阻抗譜測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)字電極、單片機(jī)、無線模塊、上位機(jī)組成，圖2中方框里的部分為數(shù)字電極框圖，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，包括電極陣列、數(shù)字開關(guān)、AD5933及其外圍電路構(gòu)成，本實(shí)施例將電極與AD5933及其外圍電路集成了一體，通過數(shù)字開關(guān)選擇電極是與AD5933激勵(lì)端（VIN端）還是測量端（VOUT端）相連，從而決定該電極是作為激勵(lì)電極還是測量電極。圖4為電極的工作模式選擇電路圖，數(shù)字開關(guān)選用的是ADI公司的ADG711芯片，當(dāng)K1閉合，K2、K3斷開時(shí)，電極作為激勵(lì)電極，當(dāng)K1斷開，K2、K3閉合時(shí)，該電極作為測量電極，且K2將激勵(lì)電源引入大地，排除了右邊電路對測量信息的干擾，在本系統(tǒng)中采用了八組該數(shù)字式電極。