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電化學(xué)分析儀器設(shè)計(jì)方案

云深之無跡 ? 來源:云深之無跡 ? 2023-12-04 09:36 ? 次閱讀

在做過微電流測(cè)量以后(也就是為新材料傳感器做過調(diào)理電路以后)又拿到了新的需求,設(shè)計(jì)電化學(xué)的測(cè)量儀器。

這個(gè)東西可能會(huì)是我做過集成度最高的項(xiàng)目,因?yàn)樗婕肮碳_發(fā),模擬電路,以及交叉的電化學(xué)領(lǐng)域(高中的時(shí)候最想死的課),可能還有項(xiàng)目進(jìn)度控制這些。

這篇文章呢,不會(huì)有什么特別的東西,只是看了一下午的資料,按照慣例我需要總結(jié)一下。

電化學(xué)其實(shí)就是使用一些確定的電信號(hào)去激勵(lì)一個(gè)系統(tǒng),然后再去測(cè)量系統(tǒng)的響應(yīng),接著求出一些東西。就是這么簡單。難點(diǎn)是在于集成性,就是電化學(xué)有很多的計(jì)算模型,所以導(dǎo)致電學(xué)系統(tǒng)的涉及有不一樣。

這個(gè)是4電極系統(tǒng),就是4個(gè)電極懟到瓶子里面

20509908-91f3-11ee-939d-92fbcf53809c.png

這里是上面儀器的一些參數(shù)

首先就是電壓的范圍比較寬,Vpp可以到20V,正負(fù)電壓的同時(shí)存在讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得很復(fù)雜。

電流的探測(cè)也是階數(shù)跨越的很多,這里我不知道是激勵(lì)還是測(cè)量,還沒有完全搞明白。

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這里面的一些測(cè)量方法我都會(huì)設(shè)計(jì)

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這個(gè)是一個(gè)儀器的后面的接口

2099ae18-91f3-11ee-939d-92fbcf53809c.png

上面都是瑞士萬通的儀器,這些基本上是目前很全的測(cè)量模式了

特別的需要說的是這個(gè),是一個(gè)小巧的測(cè)量系統(tǒng)

這個(gè)真的想做!其實(shí)里面就是軟件值錢,MCU=FAE+Cortex-M3,就是一個(gè)芯片已經(jīng)集成了測(cè)量功能和控制后端了。而且做的真的很精致,喜歡。

20ed5dba-91f3-11ee-939d-92fbcf53809c.png

這里面就是支持的一些算法

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如果是說要搭建分立的器件的話,這里面都得有

21160cce-91f3-11ee-939d-92fbcf53809c.png

也有專門的FAE前端,可以自己加MCU

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這個(gè)是一個(gè)經(jīng)典的恒電勢(shì)測(cè)量框圖

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這個(gè)就是上面的儀器,正好我摸過

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4電極系統(tǒng)

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下面是個(gè)載板,好喜歡

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表面的器件

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完整的樣子

21bbade6-91f3-11ee-939d-92fbcf53809c.png

這個(gè)是上面的模塊框圖

21c947c6-91f3-11ee-939d-92fbcf53809c.png

這里一個(gè)最簡單的PH測(cè)量

pH 電極連接到 EmStat Pico 開發(fā)板的 RE_0 輸入并引用 WE_0。注意:該方向給出反向電壓響應(yīng)。

RE_0 輸入由 AD8606 運(yùn)算放大器緩沖,以實(shí)現(xiàn)大于 1TΩ 的輸入阻抗。RE_0 和 WE_0 處的電位記錄 2 分鐘,同時(shí)電極每 20 秒在 pH 4 和 pH 7 緩沖液之間交替切換。從一種緩沖液中提取 ISE 后,用去離子水沖洗,然后放入另一種緩沖液中。

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測(cè)量PH

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伏安循環(huán)法,也就是上面的4個(gè)電極就是干這個(gè)事情的

循環(huán)伏安法是一種將電壓斜坡(例如,從 –1V 到 +1V)施加到溶液中的電極,然后從 +1V 回到 –1V,同時(shí)測(cè)量流經(jīng)電極的電流的技術(shù)。該循環(huán)允許測(cè)量由于電極-溶液界面處的物質(zhì)的氧化和還原而產(chǎn)生的陽極和陰極電流2 。該技術(shù)通常用于電活性物質(zhì)的檢測(cè)和定量,包括普魯士藍(lán)(一種常見染料)等金屬絡(luò)合物。

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電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 廣泛用于研究表面的界面化學(xué),例如腐蝕界面和電池電極。這通常是通過在小于 1 Hz 到 MHz 級(jí)別的頻率下施加一個(gè)小的正弦電位并測(cè)量電流響應(yīng)來完成的。 電化學(xué)界面可以通過電路元件的組合來建模。最簡單的模型是蘭德爾斯電路,它由兩個(gè)電阻器和一個(gè)電容器組成。由于沒有與代表擴(kuò)散的 Warburg 元件等效的電路元件,因此將其省略。PalmSens 虛擬電池具有三個(gè)測(cè)試電路,其中包括標(biāo)稱值如圖 8c 所示的 Randles 電池。其中,Rs是溶液(電解質(zhì))的電阻,Cdl是雙層(界面)的電容,Rct是電荷轉(zhuǎn)移(界面)電阻。 EIS 數(shù)據(jù)通常顯示為奈奎斯特圖或波特圖,進(jìn)一步的數(shù)學(xué)電路擬合確定等效電路內(nèi)的元件值。

因?yàn)楝F(xiàn)在的電化學(xué)測(cè)量模塊對(duì)于Python的支持都不好,就有上面的模塊還是一個(gè)其它人的。這里的商機(jī)完全可以自己設(shè)計(jì)一個(gè)上眾籌。

審核編輯:湯梓紅

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原文標(biāo)題:電化學(xué)分析儀器設(shè)計(jì)

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