【導(dǎo)讀】對(duì)于許多應(yīng)用而言,確定液體的成分和質(zhì)量至關(guān)重要。最主要的例子是水,水是世界上最珍貴的原生資源。凈水和水過(guò)濾技術(shù)在全球發(fā)揮著重要作用,是人們生活不可或缺的部分。潔凈的水資源不斷減少,獲取潔凈用水成為日益重要的話題。但是,液體測(cè)量示例的范圍并不止限于水,還包括醫(yī)療領(lǐng)域的液體測(cè)量,例如血液、唾液和糞便,通過(guò)檢測(cè)這些物質(zhì),確定是否患有疾病,以免影響健康。所有這些測(cè)量的基本測(cè)量原理都是相同的,即阻抗測(cè)量。在本文中,我們將著重介紹醫(yī)療應(yīng)用中的液體測(cè)量,描述單個(gè)應(yīng)用以及阻抗測(cè)量的通用性。
醫(yī)療領(lǐng)域的液體測(cè)量
醫(yī)療領(lǐng)域最廣為人知的液體測(cè)量是血糖測(cè)量。在試紙上滴一滴血就能夠測(cè)出血液中的血糖水平?;颊呖梢愿鶕?jù)這個(gè)值來(lái)調(diào)節(jié)自身的藥物或飲食。未來(lái),測(cè)量會(huì)逐步從單次測(cè)量向持續(xù)測(cè)量發(fā)展,以不斷監(jiān)測(cè)血糖水平。因此,急需高度準(zhǔn)確且節(jié)能的阻抗測(cè)量。
另一項(xiàng)液體測(cè)量應(yīng)用是透析。慢性腎衰竭患者需要過(guò)濾血液。透析液體電導(dǎo)率測(cè)量也是通過(guò)阻抗分析來(lái)完成。通過(guò)采用這種方法,可以測(cè)量pH值、電導(dǎo)率、成分和飽和度。
最后,測(cè)量患者的糞便和尿液。通過(guò)檢查人體排泄物,可以確定是否患病和出現(xiàn)異常。這是一個(gè)相對(duì)較新的醫(yī)療領(lǐng)域,可以使用多種不同的方式方法。但是,這些方法都是基于對(duì)電極實(shí)施阻抗測(cè)量,從而得出關(guān)于各種疾病的結(jié)論。例如,除了實(shí)施pH值測(cè)量外,還會(huì)進(jìn)行電導(dǎo)率測(cè)量。
當(dāng)然,之前描述的測(cè)量并不全面。在面向人類和動(dòng)物的醫(yī)療技術(shù)中,還可使用多種液體測(cè)量,例如激素測(cè)量或藥劑測(cè)量。對(duì)于這些測(cè)量,阻抗測(cè)量方法也很重要。
雖然所有測(cè)量都用于確定不同的參數(shù),但它們始終以阻抗分析為基礎(chǔ)。這些測(cè)量雖然各有不同,但有一點(diǎn)是共同的:都迫切需要節(jié)能、節(jié)省空間的解決方案,以支持可穿戴設(shè)備。下面介紹幾種不同的阻抗測(cè)量方法。它們一部分組合使用,一部分單獨(dú)使用,以便進(jìn)行完整分析。
不同的阻抗測(cè)量原理
雖然對(duì)于所有應(yīng)用,阻抗測(cè)量的基本原理都是相同的,但單次測(cè)量的功能仍然存在很大差別。下面,我們將討論與液體測(cè)量最為相關(guān)的方法。
恒電勢(shì)器
最基本和常用的測(cè)量原理是基于恒電勢(shì)器。如圖1所示,恒電勢(shì)器測(cè)量和控制工作電極(WE)和參考電極(RE)之間的電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)計(jì)數(shù)器或輔助電極的電流,工作電極的電勢(shì)相對(duì)于參考電極保持恒定。
圖1.恒電勢(shì)器測(cè)量的測(cè)量原理
電流測(cè)量
最簡(jiǎn)單的電流測(cè)量方法是對(duì)
傳感器施加偏置電壓并測(cè)量響應(yīng)電流。其中,在RE和WE之間施加一個(gè)恒定電壓,然后使用電流-電壓轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將電流剖面轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。這個(gè)電流剖面取決于傳感器和被測(cè)變量。圖2利用ADuCM355描述了這個(gè)電路。
圖2.電流測(cè)量
循環(huán)伏安法
伏安法測(cè)量為電化學(xué)測(cè)量,其中電化學(xué)電池的電勢(shì)緩慢上升,然后呈線性下降。因此,測(cè)量流經(jīng)WE的電流時(shí),電位呈三角形波形變化。例如,伏安法被用于測(cè)量分析物的半細(xì)胞反應(yīng)活性。這種方法是一種電解形式,產(chǎn)生的電流源于氧化和還原。采用這種方法可以對(duì)樣本進(jìn)行定性和定量研究。
電導(dǎo)率測(cè)量
電導(dǎo)率測(cè)量以液體中確定的歐姆電阻為基礎(chǔ)。實(shí)施這種測(cè)量時(shí),需要將兩個(gè)并行放置的惰性電極浸入液體之中,以測(cè)量交流電阻。在這個(gè)過(guò)程中,可以估算電解液的流動(dòng)性、顆粒密度和氧化狀態(tài),從而得出溶液的濃度。
pH值測(cè)量
pH值測(cè)量基于半電池反應(yīng)原理,半電池反應(yīng)發(fā)生在電極膜上,與H+離子的濃度直接相關(guān)。這種勢(shì)差導(dǎo)致產(chǎn)生電壓,后者與pH值呈線性關(guān)系。對(duì)于pH值測(cè)量,存在的主要問(wèn)題是pH傳感器具有非常高的串聯(lián)電阻,因此對(duì)分析電子設(shè)備的要求非常高。
電化學(xué)阻抗分析
對(duì)于電化學(xué)阻抗分析,其中電化學(xué)電池或傳感器的阻抗是在所有不同頻率中測(cè)量。通過(guò)不同頻率下阻抗的變化,測(cè)量傳感器磨損,并自動(dòng)調(diào)整信號(hào)鏈。采用這種測(cè)量時(shí),傳感器精度隨時(shí)間(幾天至幾周)下降,這是個(gè)問(wèn)題。這可能嚴(yán)重影響到各種測(cè)量值的整體精度。例如,連續(xù)血糖測(cè)量(CGM)就會(huì)出現(xiàn)這種問(wèn)題。由于測(cè)量對(duì)健康至關(guān)重要,所以需要不斷檢查傳感器的精度。示例電路如圖3所示。
圖3.電化學(xué)阻抗分析
前面描述的醫(yī)療測(cè)量在要求和參數(shù)方面有很大的不同,因此分別使用不同的測(cè)量方法。此外,還必須進(jìn)行溫度測(cè)量,以進(jìn)行補(bǔ)償并校準(zhǔn)溫度。為了補(bǔ)充或提高精度,必須使用多個(gè)傳感器。在離散設(shè)計(jì)中,所有這些測(cè)量都需要很大的電路板面積和很高的功耗。
如今,尤其是在醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域,人們都在尋求體積小、節(jié)能和低成本的解決方案,以便將它們植入可穿戴設(shè)備和可用設(shè)備中。ADI針對(duì)這些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)開發(fā)了ADuCM355。
ADuCM355—通用解決方案
ADuCM355解決方案可以統(tǒng)一實(shí)施所有測(cè)量。這種高度集成的芯片包含一個(gè)節(jié)能模擬前端(AFE)和一個(gè)微控制器,后者承擔(dān)管理和安全功能,例如循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)。圖4所示的框圖顯示了ADuCM355的關(guān)鍵組件。
圖4.ADuCM355框圖
它以極低的功耗控制電化學(xué)和生物傳感器。這款基于ARM® Cortex®-M3處理器技術(shù)的芯片具有電流、電壓和電阻測(cè)量功能。除了一個(gè)具有帶輸入緩沖器的16位400 kSPS多通道SAR ADC以外,還具有集成式抗混疊濾波器(AAF)和可編程增益放大器(PGA)。電流輸入中的跨阻放大器(TIA)具有可編程增益和負(fù)載電阻,支持不同的傳感器類型。AFE還包含專門針對(duì)恒電勢(shì)器設(shè)計(jì)的放大器,以相對(duì)于外部電化學(xué)傳感器保持恒定的偏置電壓??梢酝ㄟ^(guò)ADC上游的輸入多路選擇模塊選擇相應(yīng)的輸入通道。這些輸入通道包括三個(gè)外部電流輸入、多個(gè)外部電壓輸入和內(nèi)部通道。三個(gè)電壓DAC中有兩個(gè)是雙輸出DAC。DAC的第一個(gè)輸出可控制恒電勢(shì)器放大器的同相輸入,另一個(gè)控制TIA的同相輸入。第三個(gè)DAC(有時(shí)被稱為高速DAC)針對(duì)用于阻抗測(cè)量的高性能TIA而設(shè)計(jì)。此DAC的輸出頻率范圍高達(dá)200 kHz。ARM Cortex-M3處理器還具有靈活的多通道直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)控制器,支持兩個(gè)獨(dú)立的串行外設(shè)接口(SPI)端口、通用異步接收器/發(fā)射器(UART)和I2C通信外設(shè)??梢愿鶕?jù)需要為特定應(yīng)用配置一系列通信外設(shè)。這些外設(shè)包括UART、I2C、兩個(gè)SPI端口和通用輸入/輸出(GPIO)端口。這些GPIO可以與通用定時(shí)器相結(jié)合,生成脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出。
進(jìn)一步測(cè)量
大多數(shù)用于所述測(cè)量的傳感器可以通過(guò)ADuCM355輸入直接操作。例如,用于恒電勢(shì)器測(cè)量,如血糖測(cè)量。與此相對(duì),實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的測(cè)量(例如電導(dǎo)率和pH值)需要用到擴(kuò)展信號(hào)鏈,所以也需要采用外部芯片,例如LTC6078。它增加了輸入阻抗,以適應(yīng)傳感器的高輸出阻抗,從而獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)。除了前面描述的測(cè)量以外,還需要測(cè)量溫度,以補(bǔ)償傳感器的波動(dòng)。擴(kuò)展測(cè)量原理如圖5所示。借助較大的信號(hào)鏈,ADuCM355可以讀取電壓和電流值。在所示的電路中,可以檢測(cè)到范圍小于100 ?至10 M?的阻抗。較大的測(cè)量范圍可以覆蓋醫(yī)療領(lǐng)域所需的整個(gè)阻抗圖譜。對(duì)于電導(dǎo)率測(cè)量,高動(dòng)態(tài)范圍特別重要,如此可以測(cè)量多種濃度。
圖5.使用ADuCM355測(cè)量pH值、溫度和電導(dǎo)率的電路
結(jié)論
雖然不同的液體測(cè)量都以阻抗測(cè)量為基本原理,但它們之間仍然存在差異。例如,必須連接不同的傳感器來(lái)記錄不同的參數(shù)。一方面要滿足這種通用性,另一方面又要適應(yīng)采用小型節(jié)能設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì),所以迫切需要一種智能解決方案。ADuCM355不僅滿足所有這些要求,還可以在醫(yī)療領(lǐng)域用來(lái)測(cè)量阻抗,就像瑞士軍刀一樣,具備多種用途。事實(shí)上,這個(gè)IC除了進(jìn)行液體測(cè)量外,還支持在醫(yī)療領(lǐng)域進(jìn)行其他阻抗測(cè)量,例如,體脂分析或皮膚阻抗。此外,因?yàn)榫哂型ㄓ眯?,它還可以測(cè)量電化學(xué)氣體,例如采用正確的傳感器測(cè)量CO或CO2。因此,ADI公司的ADuCM355是一款實(shí)施阻抗測(cè)量的通用解決方案。
作者簡(jiǎn)介
自2015年2月至今,Christoph Kämmerer一直在德國(guó)ADI公司任職。他于2014年畢業(yè)于埃爾朗根-紐倫堡大學(xué),獲得物理學(xué)碩士學(xué)位。他曾在利默里克市ADI公司擔(dān)任工藝開發(fā)實(shí)習(xí)生。2016年12月培訓(xùn)生項(xiàng)目結(jié)束后,Christoph正式成為ADI公司的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師,專門針對(duì)新興應(yīng)用領(lǐng)域。聯(lián)系方式:christoph.kaemmerer@analog.com。
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