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ADI技術文章:液體測量——從水到血液

2020年11月07日 11:57 ? 次閱讀

作者:ChristophK?mmerer,ADI現場應用工程師

簡介

對于許多應用而言,確定液體的成分和質量至關重要。最主要的例子是水,水是世界上最珍貴的原生資源。凈水和水過濾技術在全球發揮著重要作用,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,液體測量示例的范圍并不止限于水,還包括醫療領域的液體測量,例如血液、唾液和糞便,通過檢測這些物質,確定是否患有疾病,以免影響健康。所有這些測量的基本測量原理都是相同的,即阻抗測量。在本文中,我們將著重介紹醫療應用中的液體測量,描述單個應用以及阻抗測量的通用性。

醫療領域的液體測量

醫療領域最廣為人知的液體測量是血糖測量。在試紙上滴一滴血就能夠測出血液中的血糖水平?;颊呖梢愿鶕@個值來調節自身的藥物或飲食。未來,測量會逐步從單次測量向持續測量發展,以不斷監測血糖水平。因此,急需高度準確且節能的阻抗測量。

另一項液體測量應用是透析。慢性腎衰竭患者需要過濾血液。透析液體電導率測量也是通過阻抗分析來完成。通過采用這種方法,可以測量pH值、電導率、成分和飽和度。

最后,測量患者的糞便和尿液。通過檢查人體排泄物,可以確定是否患病和出現異常。這是一個相對較新的醫療領域,可以使用多種不同的方式方法。但是,這些方法都是基于對電極實施阻抗測量,從而得出關于各種疾病的結論。例如,除了實施pH值測量外,還會進行電導率測量。

當然,之前描述的測量并不全面。在面向人類和動物的醫療技術中,還可使用多種液體測量,例如激素測量或藥劑測量。對于這些測量,阻抗測量方法也很重要。

雖然所有測量都用于確定不同的參數,但它們始終以阻抗分析為基礎。這些測量雖然各有不同,但有一點是共同的:都迫切需要節能、節省空間的解決方案,以支持可穿戴設備。下面介紹幾種不同的阻抗測量方法。它們一部分組合使用,一部分單獨使用,以便進行完整分析。

不同的阻抗測量原理

雖然對于所有應用,阻抗測量的基本原理都是相同的,但單次測量的功能仍然存在很大差別。下面,我們將討論與液體測量最為相關的方法。

恒電勢器

最基本和常用的測量原理是基于恒電勢器。如圖1所示,恒電勢器測量和控制工作電極(WE)和參考電極(RE)之間的電壓。通過調節流過計數器或輔助電極的電流,工作電極的電勢相對于參考電極保持恒定。

圖1.恒電勢器測量的測量原理

電流測量

最簡單的電流測量方法是對傳感器施加偏置電壓并測量響應電流。其中,在RE和WE之間施加一個恒定電壓,然后使用電流-電壓轉換器和模數轉換器ADC)將電流剖面轉換為數字信號。這個電流剖面取決于傳感器和被測變量。圖2利用ADuCM355描述了這個電路。

ADI技術文章:液體測量——從水到血液

圖2.電流測量

循環伏安

伏安法測量為電化學測量,其中電化學電池的電勢緩慢上升,然后呈線性下降。因此,測量流經WE的電流時,電位呈三角形波形變化。例如,伏安法被用于測量分析物的半細胞反應活性。這種方法是一種電解形式,產生的電流源于氧化和還原。采用這種方法可以對樣本進行定性和定量研究。

電導率測量

電導率測量以液體中確定的歐姆電阻為基礎。實施這種測量時,需要將兩個并行放置的惰性電極浸入液體之中,以測量交流電阻。在這個過程中,可以估算電解液的流動性、顆粒密度和氧化狀態,從而得出溶液的濃度。

pH值測量

pH值測量基于半電池反應原理,半電池反應發生在電極膜上,與H+離子的濃度直接相關。這種勢差導致產生電壓,后者與pH值呈線性關系。對于pH值測量,存在的主要問題是pH傳感器具有非常高的串聯電阻,因此對分析電子設備的要求非常高。

電化學阻抗分析

對于電化學阻抗分析,其中電化學電池或傳感器的阻抗是在所有不同頻率中測量。通過不同頻率下阻抗的變化,測量傳感器磨損,并自動調整信號鏈。采用這種測量時,傳感器精度隨時間(幾天至幾周)下降,這是個問題。這可能嚴重影響到各種測量值的整體精度。例如,連續血糖測量(CGM)就會出現這種問題。由于測量對健康至關重要,所以需要不斷檢查傳感器的精度。示例電路如圖3所示。

ADI技術文章:液體測量——從水到血液

圖3.電化學阻抗分析

前面描述的醫療測量在要求和參數方面有很大的不同,因此分別使用不同的測量方法。此外,還必須進行溫度測量,以進行補償并校準溫度。為了補充或提高精度,必須使用多個傳感器。在離散設計中,所有這些測量都需要很大的電路板面積和很高的功耗。

如今,尤其是在醫療技術領域,人們都在尋求體積小、節能和低成本的解決方案,以便將它們植入可穿戴設備和可用設備中。ADI針對這些設計挑戰開發了ADuCM355。

ADuCM355—通用解決方案

ADuCM355解決方案可以統一實施所有測量。這種高度集成的芯片包含一個節能模擬前端(AFE)和一個微控制器,后者承擔管理和安全功能,例如循環冗余校驗(CRC)。圖4所示的框圖顯示了ADuCM355的關鍵組件。

ADI技術文章:液體測量——從水到血液

圖4.ADuCM355框圖

它以極低的功耗控制電化學和生物傳感器。這款基于ARM?Cortex?-M3處理器技術的芯片具有電流、電壓和電阻測量功能。除了一個具有帶輸入緩沖器的16位400kSPS多通道SARADC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載電阻,支持不同的傳感器類型。AFE還包含專門針對恒電勢器設計的放大器,以相對于外部電化學傳感器保持恒定的偏置電壓??梢酝ㄟ^ADC上游的輸入多路選擇模塊選擇相應的輸入通道。這些輸入通道包括三個外部電流輸入、多個外部電壓輸入和內部通道。三個電壓DAC中有兩個是雙輸出DAC。DAC的第一個輸出可控制恒電勢器放大器的同相輸入,另一個控制TIA的同相輸入。第三個DAC(有時被稱為高速DAC)針對用于阻抗測量的高性能TIA而設計。此DAC的輸出頻率范圍高達200kHz。ARMCortex-M3處理器還具有靈活的多通道直接存儲器訪問(DMA)控制器,支持兩個獨立的串行外設接口(SPI)端口、通用異步接收器/發射器(UART)和I2C通信外設??梢愿鶕枰獮樘囟☉门渲靡幌盗型ㄐ磐庠O。這些外設包括UART、I2C、兩個SPI端口和通用輸入/輸出(GPIO)端口。這些GPIO可以與通用定時器相結合,生成脈沖寬度調制(PWM)輸出。

進一步測量

大多數用于所述測量的傳感器可以通過ADuCM355輸入直接操作。例如,用于恒電勢器測量,如血糖測量。與此相對,實現更準確的測量(例如電導率和pH值)需要用到擴展信號鏈,所以也需要采用外部芯片,例如LTC6078。它增加了輸入阻抗,以適應傳感器的高輸出阻抗,從而獲得準確的讀數。除了前面描述的測量以外,還需要測量溫度,以補償傳感器的波動。擴展測量原理如圖5所示。借助較大的信號鏈,ADuCM355可以讀取電壓和電流值。在所示的電路中,可以檢測到范圍小于100?至10M?的阻抗。較大的測量范圍可以覆蓋醫療領域所需的整個阻抗圖譜。對于電導率測量,高動態范圍特別重要,如此可以測量多種濃度。

ADI技術文章:液體測量——從水到血液

圖5.使用ADuCM355測量pH值、溫度和電導率的電路

結論

雖然不同的液體測量都以阻抗測量為基本原理,但它們之間仍然存在差異。例如,必須連接不同的傳感器來記錄不同的參數。一方面要滿足這種通用性,另一方面又要適應采用小型節能設備的發展趨勢,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,還可以在醫療領域用來測量阻抗,就像瑞士軍刀一樣,具備多種用途。事實上,這個IC除了進行液體測量外,還支持在醫療領域進行其他阻抗測量,例如,體脂分析或皮膚阻抗。此外,因為具有通用性,它還可以測量電化學氣體,例如采用正確的傳感器測量CO或CO2。因此,ADI公司的ADuCM355是一款實施阻抗測量的通用解決方案。

作者簡介

自2015年2月至今,ChristophK?mmerer一直在德國ADI公司任職。他于2014年畢業于埃爾朗根-紐倫堡大學,獲得物理學碩士學位。他曾在利默里克市ADI公司擔任工藝開發實習生。2016年12月培訓生項目結束后,Christoph正式成為ADI公司的現場應用工程師,專門針對新興應用領域。

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用于電壓轉換的開關穩壓器使用電感來臨時存儲能量。這些電感的尺寸通常非常大,必須在開關穩壓器的印刷電路....
發表于 2020-11-05 13:11? 182次閱讀
關于在開關模式電源印刷電路板上放置電感的指南

灰塵傳感器工作原理及安裝注意事項詳解

傳感器是我們生活中最常見的一種,也是對我們生活影響非常大的,尤其是現在的灰塵傳感器,在我們生活的環境....
發表于 2020-11-05 11:57? 224次閱讀
灰塵傳感器工作原理及安裝注意事項詳解

PXI 41-765系列模擬輸出/電流環仿真模塊...

Pickering Interfaces公司作為生產用于電子測試及驗證的信號開關與仿真解決方案的領導....
發表于 2020-11-05 11:53? 52次閱讀
PXI 41-765系列模擬輸出/電流環仿真模塊...

傳感器的迭代升級,將成為物聯網發展的關鍵

物聯網(IoT)是把任何物品與互聯網連接起來,進行信息交換和通訊,以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控....
發表于 2020-11-05 11:21? 131次閱讀
傳感器的迭代升級,將成為物聯網發展的關鍵

光纖傳感器的應用前景,它將有著廣泛的應用

光纖傳感器是近年來勢頭正猛的科技新貴,因為它有極高的靈敏度和精度、抗電磁干擾、高絕緣強度、耐腐蝕、能....
發表于 2020-11-05 11:00? 113次閱讀
光纖傳感器的應用前景,它將有著廣泛的應用

意法半導體和三墾聯合開發車規智能功率模塊

1.整合雙方的電力器件專業知識,打造性能一流的功率模塊 2.提高客戶產品的能效、設計簡便性和可靠性 ....
發表于 2020-11-05 10:54? 215次閱讀
意法半導體和三墾聯合開發車規智能功率模塊

如何使用I2C來控制BMP180壓強傳感器?

  今天我們繼續使用I2C來控制BMP180壓強傳感器。BMP180壓強傳感器操作原理比較簡單,開機先通過I2C讀取出...
發表于 2020-11-05 06:05? 0次閱讀
如何使用I2C來控制BMP180壓強傳感器?

比率特性解析:器件輸出與待測量和其他電壓或電流的比例

本文中所說的比率特性是指器件輸出與待測量和其他電壓或電流的比例有關。 傳感器和阻性檢測元件 許多傳感器的輸出...
發表于 2020-11-04 09:26? 202次閱讀
比率特性解析:器件輸出與待測量和其他電壓或電流的比例

高性能的傳感器怎么選購及注意事項

 現代傳感器的原理和結構差異很大。在測量一定數量時,首先要解決的問題是如何根據特定的測量目的,測量對象和測量環...
發表于 2020-10-30 13:52? 56次閱讀
高性能的傳感器怎么選購及注意事項

EMI短板如何突破創新?

技術的進步將尺寸不斷壓縮,曾經用一個大房間才能存放的大型計算機性能今天一臺筆記本就可以做到,的集成度已經達到單...
發表于 2020-10-30 09:29? 0次閱讀
EMI短板如何突破創新?

物聯網不可或缺的傳感器有哪些?

     現如今,物聯網能如火如荼的發展,離不開方方面面的支持和幫助。本文就說說傳感器方面,無論...
發表于 2020-10-30 06:39? 0次閱讀
物聯網不可或缺的傳感器有哪些?

ADF4350評估板上的環路濾波器參數是如何確定的?

如題,ADF4350評估板上的環路濾波器參數是如何確定的?我知道用ADIsimPLL程序可以按照自己的需求生成LF的參...
發表于 2020-10-29 12:03? 417次閱讀
ADF4350評估板上的環路濾波器參數是如何確定的?

智能壓力傳感器的特點和優點

  1、測量范圍和功能都得到了擴展,符合參數的測量及各種不同要求的測量都可以實現。   2、靈敏度和測量精度得到...
發表于 2020-10-29 10:37? 0次閱讀
智能壓力傳感器的特點和優點

霍爾電流傳感器的應用

電信整流器和服務器電源單元(PSU)中的功率因數校正(PFC)和逆變電路都需要將高壓側的信號檢測到位于低壓側的...
發表于 2020-10-29 07:48? 0次閱讀
霍爾電流傳感器的應用
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