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液体检测原理介绍——血液、唾液

2020-11-5 11:13:02  173 液体测量
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对于许多应用而言,确定液体的成分和质量至关重要。最主要的例子是水,水是世界上最珍贵的原生资源。净水和水过滤技术在全球发挥着重要作用,是人们生活不可或缺的部分。洁净的水资源不断减少,获取洁净用水成为日益重要的话题。但是,液体测量示例的范围并不止限于水,还包括医疗领域的液体测量,例如血液、唾液和粪便,通过检测这些物质,确定是否患有疾病,以免影响健康。所有这些测量的基本测量原理都是相同的,即阻抗测量。在本文中,我们将着重介绍医疗应用中的液体测量,描述单个应用以及阻抗测量的通用性。

医疗领域的液体测量
医疗领域最广为人知的液体测量是血糖测量。在试纸上滴一滴血就能够测出血液中的血糖水平。患者可以根据这个值来调节自身的药物或饮食。未来,测量会逐步从单次测量向持续测量发展,以不断监测血糖水平。因此,急需高度准确且节能的阻抗测量。

另一项液体测量应用是透析。慢性肾衰竭患者需要过滤血液。透析液体电导率测量也是通过阻抗分析来完成。通过采用这种方法,可以测量 pH 值、电导率、成分和饱和度。

最后,测量患者的粪便和尿液。通过检查人体排泄物,可以确定是否患病和出现异常。这是一个相对较新的医疗领域,可以使用多种不同的方式方法。但是,这些方法都是基于对电极实施阻抗测量,从而得出关于各种疾病的结论。例如,除了实施 pH 值测量外,还会进行电导率测量。

当然,之前描述的测量并不全面。在面向人类和动物的医疗技术中,还可使用多种液体测量,例如激素测量或药剂测量。对于这些测量,阻抗测量方法也很重要。

虽然所有测量都用于确定不同的参数,但它们始终以阻抗分析为基础。这些测量虽然各有不同,但有一点是共同的:都迫切需要节能、节省空间的解决方案,以支持可穿戴设备。下面介绍几种不同的阻抗测量方法。它们一部分组合使用,一部分单独使用,以便进行完整分析。

不同的阻抗测量原理
虽然对于所有应用,阻抗测量的基本原理都是相同的,但单次测量的功能仍然存在很大差别。下面,我们将讨论与液体测量最为相关的方法。

恒电势器
最基本和常用的测量原理是基于恒电势器。如图 1 所示,恒电势器测量和控制工作电极(WE)和参考电极(RE)之间的电压。通过调节流过计数器或辅助电极的电流,工作电极的电势相对于参考电极保持恒定。

图 1. 恒电势器测量的测量原理

电流测量
最简单的电流测量方法是对传感器施加偏置电压并测量响应电流。其中,在 RE 和 WE 之间施加一个恒定电压,然后使用电流 - 电压转换器和模数转换器(ADC)将电流剖面转换为数字信号。这个电流剖面取决于传感器和被测变量。图 2 利用 ADuCM355 描述了这个电路

图 2. 电流测量

循环伏安法
伏安法测量为电化学测量,其中电化学电池的电势缓慢上升,然后呈线性下降。因此,测量流经 WE 的电流时,电位呈三角形波形变化。例如,伏安法被用于测量分析物的半细胞反应活性。这种方法是一种电解形式,产生的电流源于氧化和还原。采用这种方法可以对样本进行定性和定量研究。

电导率测量
电导率测量以液体中确定的欧姆电阻为基础。实施这种测量时,需要将两个并行放置的惰性电极浸入液体之中,以测量交流电阻。在这个过程中,可以估算电解液的流动性、颗粒密度和氧化状态,从而得出溶液的浓度。

pH 值测量
pH 值测量基于半电池反应原理,半电池反应发生在电极膜上,与 H+离子的浓度直接相关。这种势差导致产生电压,后者与 pH 值呈线性关系。对于 pH 值测量,存在的主要问题是 pH 传感器具有非常高的串联电阻,因此对分析电子设备的要求非常高。

电化学阻抗分析
对于电化学阻抗分析,其中电化学电池或传感器的阻抗是在所有不同频率中测量。通过不同频率下阻抗的变化,测量传感器磨损,并自动调整信号链。采用这种测量时,传感器精度随时间(几天至几周)下降,这是个问题。这可能严重影响到各种测量值的整体精度。例如,连续血糖测量(CGM)就会出现这种问题。由于测量对健康至关重要,所以需要不断检查传感器的精度。示例电路如图 3 所示。

图 3. 电化学阻抗分析

前面描述的医疗测量在要求和参数方面有很大的不同,因此分别使用不同的测量方法。此外,还必须进行温度测量,以进行补偿并校准温度。为了补充或提高精度,必须使用多个传感器。在离散设计中,所有这些测量都需要很大的电路板面积和很高的功耗。

如今,尤其是在医疗技术领域,人们都在寻求体积小、节能和低成本的解决方案,以便将它们植入可穿戴设备和可用设备中。ADI 针对这些设计挑战开发了 ADuCM355。

ADuCM355—通用解决方案
ADuCM355 解决方案可以统一实施所有测量。这种高度集成的芯片包含一个节能模拟前端(AFE)和一个微控制器,后者承担管理和安全功能,例如循环冗余校验(CRC)。图 4 所示的框图显示了 ADuCM355 的关键组件。

图 4.ADuCM355 框图

它以极低的功耗控制电化学和生物传感器。这款基于 ARM® Cortex®-M3 处理器技术的芯片具有电流、电压和电阻测量功能。除了一个具有带输入缓冲器的 16 位 400 kSPS 多通道 SAR ADC 以外,还具有集成式抗混叠滤波器(AAF)和可编程增益放大器(PGA)。电流输入中的跨阻放大器(tiA)具有可编程增益和负载电阻,支持不同的传感器类型。AFE 还包含专门针对恒电势器设计的放大器,以相对于外部电化学传感器保持恒定的偏置电压。可以通过 ADC 上游的输入多路选择模块选择相应的输入通道。这些输入通道包括三个外部电流输入、多个外部电压输入和内部通道。三个电压 DAC 中有两个是双输出 DAC。DAC 的第一个输出可控制恒电势器放大器的同相输入,另一个控制 TIA 的同相输入。第三个 DAC(有时被称为高速 DAC)针对用于阻抗测量的高性能 TIA 而设计。此 DAC 的输出频率范围高达 200 kHz。ARM Cortex-M3 处理器还具有灵活的多通道直接存储器访问(DMA)控制器,支持两个独立的串行外设接口(SPI)端口、通用异步接收器 / 发射器(UART)和 I2C 通信外设。可以根据需要为特定应用配置一系列通信外设。这些外设包括 UART、I2C、两个 SPI 端口和通用输入 / 输出(GPIO)端口。这些 GPIO 可以与通用定时器相结合,生成脉冲宽度调制(PWM)输出。

进一步测量
大多数用于所述测量的传感器可以通过 ADuCM355 输入直接操作。例如,用于恒电势器测量,如血糖测量。与此相对,实现更准确的测量(例如电导率和 pH 值)需要用到扩展信号链,所以也需要采用外部芯片,例如 LTC6078。它增加了输入阻抗,以适应传感器的高输出阻抗,从而获得准确的读数。除了前面描述的测量以外,还需要测量温度,以补偿传感器的波动。扩展测量原理如图 5 所示。借助较大的信号链,ADuCM355 可以读取电压和电流值。在所示的电路中,可以检测到范围小于 100 Ω至 10 MΩ的阻抗。较大的测量范围可以覆盖医疗领域所需的整个阻抗图谱。对于电导率测量,高动态范围特别重要,如此可以测量多种浓度。

图 5. 使用 ADuCM355 测量 pH 值、温度和电导率的电路

结论
虽然不同的液体测量都以阻抗测量为基本原理,但它们之间仍然存在差异。例如,必须连接不同的传感器来记录不同的参数。一方面要满足这种通用性,另一方面又要适应采用小型节能设备的发展趋势,所以迫切需要一种智能解决方案。ADuCM355 不仅满足所有这些要求,还可以在医疗领域用来测量阻抗,就像瑞士军刀一样,具备多种用途。事实上,这个 IC 除了进行液体测量外,还支持在医疗领域进行其他阻抗测量,例如,体脂分析或皮肤阻抗。此外,因为具有通用性,它还可以测量电化学气体,例如采用正确的传感器测量 CO 或 CO2。因此,ADI 公司的 ADuCM355 是一款实施阻抗测量的通用解决方案。

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