【導讀】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。患者可以根據這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。
圖2.電流測量
循環伏安法
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。
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。
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200 kHz。ARM Cortex-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10 M?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。
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，Christoph Kämmerer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。聯系方式：christoph.kaemmerer@analog.com。
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