一种高通量准同步电化学信号采集装置

1.本发明属于电化学技术领域，尤其设计一种高通量准同步电化学采集装置。


背景技术：

2.材料的各项性能多年来一直是各领域专家学者共同关心的问题，也是科研领域的热点 问题。而自然界中的材料性能数据具有多源，异构，类型多样等特点，如果仅仅对不同材料 逐一测试而不讨论共性问题，不仅会阻滞材料领域的深入研究更会延缓科技的发展。因此各 国相继启动了“材料基因工程”的研究计划。该计划侧重于大数据的采集与深度挖掘，旨在 如何通过高通量实验与获得不同材料各项性能的复杂数据，并通过高通量计算解析转换存储 于材料基因数据库中近一步挖掘。同时为不同材料的不同属性提出共性的解决方法，为材料 基因工程专项中的其它项目提供数据采集与融合的技术支持，因此需要开发适用于材料电化 学信号的采集与分析研究领域的高通量仪器。
3.但是，传统的电化学信号测试仪器只能采集单一电极的电化学信号，不能对多根电极 同步测量，因此当材料的测试体量较大时，需耗费较长的测试时间；多通道电化学工作站是 基于不同电极间电流
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电位独立测量的电化学采集装置，通常配备4通道，8通道或者16通道， 且增加通道数会大幅增加仪器的购置成本。如瑞士万通autolab的pgstat多通道工作站、 荷兰lvium的iviumstat系列工作站等，均存在通道数量有限，且价格昂贵等特点。对此，本 领域技术人员也尝试从多个方面对其进行改进。
4.如cn112098480a、一种通道数量可调的电化学传感器切换开关。该技术方案通过设 置多通道传感器转换装置，将传感器并发的多通道信号按顺序分时依次传送至电化学检测仪 器，通过芯片调控和逻辑运算实现了传统单通道电化学工作站上的多通道切换检测，并可根 据实际电极通道数量改变测试通道数量。其缺点在于记载最大通道数量仅为8通道，且同步 性较差，多通道测试时存在一定延迟性。


技术实现要素：

5.为解决现有的多通道电化学工作站普遍存在的一些列问题，如价格高昂、拓展性差、 实际可测量通道数量有限，通常最多仅约为16通道，而进一步拓展通道数量则会导致成本急 剧上升，同时无法实现准同步测试，整体测试效率低下等问题，本发明提供了一种高通量准 同步电化学信号采集装置。
6.本发明的目的在于：一、提高电化学信号采集通道上限；二、实现电化学测试装置通道数量可控可调；三、提高多通道采集测试的同步性；四、确保多通道采集测试的准确性。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案。
8.一种高通量准同步电化学信号采集装置，
包括：信号采集与输入模块，信号的转换与实时分析存储模块，和信号的显示与同步输出模块；所述信号采集与输入模块包括数字万用表；所述信号的转换与实时分析存储模块包括能够用于接受和执行labview分析程序的控制器 和矩阵开关；所述信号的显示与同步输出模块包括显示器和嵌入有labview平台的上位机；所述数字万用表的输入端电连接包含有一个或多个待测电极和/或参比电极的待测多电极体 系、输出端分别连接控制器和矩阵开关，待测多电极体系产生初始电化学信号输入信号采集 与输入模块，即完成信号采集，所述初始电化学信号包括电位和/或电流；所述控制器与矩阵开关电连接，矩阵开关与待测电化学体系通过继电器电连接；所述嵌入有labview平台的上位机基于所需的采集模式形成并输出设定信号对控制器进行 设定、在控制器中形成主控信号，控制器将主控信号输送至矩阵开关，矩阵开关根据主控信 号产生相应的切换模式，待测多电极体系根据采集模式构成相应的电化学体系并根据切换模 式进行电化学体系的切换，切换过程为控制与待测多电极体系电连接的继电器形成通路或断 路或短接，通路和/或短接的待测电极和/或参比电极构成电化学体系向数字万用表输入初始电 化学信号，初始电化学信号包括电位和/或电流；所述数字万用表完成对初始电化学信号的接收后转化为可识别的电学信号储存于控制器中， 产生次反馈信号给予矩阵开关，矩阵开关进行下一次切换工作，直至全部切换和采集工作完 成，矩阵开关完成主控信号任务并发送主反馈信号至控制器，控制器接受主反馈信号后将所 有该次主控信号任务内形成的电学信号发送至嵌入有labview平台的上位机，上位机将所 接受的电学信号转化为可显示的数字信号输出至显示器。
9.上述的万用数字表、控制器和矩阵开关采用独立设备或者national instruments硬件子 模块。
10.本发明装置实现对含有若干待测电极的待测多电极体系进行高通量准同步采样，待测 多电极体系所含的待测电极以及参比电极都皆可拆卸更换，整体待测电极的数量自由可控， 在高通量测试时，免去了手工操作切换开关的繁琐过程，采用矩阵开关控制待测电极的通断、 短接，能够实现毫秒级的超高精度切换控制，进而可实现超高同步率的高通量电化学测试。 经试验，当设置采集频率为5hz时，1s内可完成对121根待测电极的准同步信号采集，即 完成五次循环，在每次循环内依次对每根待测电极进行一次电化学信号采集总计605次采样， 以此类推，并且在确保较高精度的前提下能够进行更高频的信号采集。在保障多通道采集近 乎准同步的条件下，还能够避免环境因素的负面影响，极大的提高了高通量测试的测量精度。
11.此外，配合嵌入式的labview平台能够实现采集模式的预先设置，并调整相应矩阵 开关对于待测多电极体系的切换模式，方便日常的操作使用。数据经采集、分析存储以及输 送后，有效保存于上位机中并同步转换成数字信号输出至显示器，有助于使用者获取数据并 对数据进行进一步处理与挖掘。实现高通量数据的准同步采集、分析处理一体化。
12.并且，本发明装置测试过程中的电流由电位转换而得，因此对电极可选择任意非作为 工作电极的金属单丝作为对电极，并无需考虑两根金属单丝之间因距离不同而导致
的扩散， 传质，电迁移等因素的影响。
13.作为优选，所述信号的转换与实时分析存储模块还包括放大器；所述放大器设置在数字万用表与待测多电极体系之间，其输入端和输出端分别与待测多电极 体系和数字万用表的输入测量端电连接；所述待测多电极体系向放大器的输入端输入初始电化学信号，放大器对初始电化学信号进行 放大后由输出端输送至数字万用表。
14.通过设置放大器能够增大测试体系的初始电化学信号特征，如电位或电流，提高电位， 能够减少测量的机械误差，降低测量的百分比误差，对于提高测量精度而言具有意义。
15.作为优选，所述信号采集和输入模块还包括转接电路板；所述转接电路板的分线端口与待测多电极体系的待测电极和/或参比电极电连接；所述转接电路板的总线端口与矩阵开关和数字万用表电连接。
16.转接电路板能够提高整体装置的精简性。方便操作者在使用过程中调整待测多电极体 系中的待测电极的数量，并且方便整体装置的收纳整理。
17.作为优选，所述采集模式包括：电位连续采集模式，电流顺序采集模式，电位短接瞬时采集模式，电位短接长时采集模式和 电位电流同时采集模式。
18.其中电位连续采集模式，电流顺序采集模式，电位短接瞬时采集模式，电位短接长时 采集模式均为现有设备能够实现的采集模式，本发明装置的优势在于提高了采集的效率和通 道数量，能够实现准同步采集，而电位电流同时采集模式则是本发明所独有的，现有装置仅 有少部分能够实现同时采集，并且完全无法实现多通道连续采集。
19.作为优选，所述电位连续采集模式为：依次设定待测多电极体系中的待测电极为目标电极，矩阵开关控制待测多电极体系中除目标 电极外的所有待测电极断路，并控制参比电极保持通路、目标电极短接，或控制参比电极和 目标电极同时短接，以获得待测多电极体系中的任一待测电极相较于参比电极的电位，所形 成的电位通过数字万用表转换为可识别的电学信号输出至控制器进行储存。
20.作为优选，所述电流顺序采集模式为：设定待测多电极体系中任意编号的待测电极为目标电极，待测多电极体系中除目标电极外的 其余所有待测电极依次设为对电极，矩阵开关控制待测多电极体系中除目标电极和对电极外 的所有待测电极和参比电极断路，矩阵开关控制目标电极保持通路、对电极短接，或控制目 标电极和对电极同时短接，以获得目标电极对于待测多电极体系中的其余任一待测电极的电 位，电位通过数字万用表转换为电流并形成相应可识别的电学信号
输出至控制器中储存。
21.作为优选，所述电位短接瞬时采集模式为：依次设定待测多电极体系中的待测电极为目标电极，设定并切换目标电极的时间≤0.1s，矩 阵开关通过继电器控制待测多电极体系中除目标电极外的所有待测电极断路、参比电极通路， 控制目标电极短接，以获得待测多电极体系中所有待测电极对于参比电极的电位并通过数字 万用表转换为可识别的电学信号输出至控制器中储存。
22.作为优选，所述电位短接长时采集模式为：依次设定待测多电极体系中的待测电极为目标电极，设定并切换目标电极的时间≥1s，矩阵 开关通过继电器控制待测多电极体系中除目标电极外的所有待测电极断路、参比电极通路， 控制目标电极短接，以获得待测多电极体系中所有待测电极对于参比电极的电位并通过数字 万用表转换为可识别的电学信号输出至控制器中储存。
23.作为优选，所述电位电流同时采集模式为：依次设定待测多电极体系中的待测电极分别为目标电极，待测多电极体系中除目标电极外的 所有待测电极均为对电极，矩阵开关通过继电器控制待测多电极体系中除目标电极和对电极 外的所有待测电极断路，控制参比电极和目标电极通路，并控制对电极依次短接，以获得待 测多电极体系中任意待测电极对于参比电极的电位；以及任意待测电极对于其余待测电极的 电位，并通过数字万用表转换为电流，数字万用表转化电位和电流形成可识别的电学信号输 出至控制器中储存。
24.本发明的有益效果是：1)已可实现121通道电化学信号的采集，并可通过调控待测多电极体系中待测电极的数目和 /或矩阵开关数目，近一步增加信号采集过程中的通道数量；2)高通量电化学信号测试中能够实现目标电极的电位
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电流信号同时采集以及待测电极间电 化学信号准同步采集，测量精度高，最低采集间隔达到毫秒级；3)可通过单装置实现多模式的电化学信号采集获取；4)数据采集存储效率高，并能够配合上位机快速实现分析和处理。
附图说明
25.图1为本发明装置的示意图；图2为电位连续采集模式的labview程序框图；图3为电流顺序采集模式的labview程序框图；图4为电位短接瞬时采集模式的labview程序框图；图5为电位短接长时采集模式的labview程序框图；图6为电位电流同时采集模式的labview程序框图；图7为本发明实施例电位连续采集模式试验结果图；图中：m10 信号采集与输入模块，100数字万用表，m20 信号的转换与实时分析存储模块，200控制器，300矩阵开关，m30 信号的显示与同步输出模块，400上位机，500显示
器，600待测多电极体系，601待测电极，602参比电极，700继电器，800放大器，900转接电路板。
具体实施方式
26.以下结合具体实施例和说明书附图对本发明作出进一步清楚详细的描述说明。本领域 普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。此外，下述说明中涉及到的本发 明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都 应当属于本发明保护的范围。
27.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、
ꢀ“
内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为 了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的 含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定，“若干”的含义是表示一个 或者多个。
28.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定
”ꢀ
等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机 械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连， 可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域 的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
29.如无特殊说明，本发明实施例所用原料均为市售或本领域技术人员可获得的原料；如 无特殊说明，本发明实施例所用方法均为本领域技术人员所掌握的方法。
30.实施例一种如图1所示的高通量准同步电化学信息采集装置，其具体包括：信号采集与输入模块m10，信号的转换与实时分析存储模块m20，和信号的显示与同步输出 模块m30；所述信号采集与输入模块m10包括数字万用表100，数字万用表100输入端通过转接线和继 电器700连接待测多电极体系600；所述待测多电极体系600包括若干待测电极601和/或参比电极602，和转接电路板900，若 干待测电极601相互绝缘，本实施例设置11
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11总计121个待测电极601，具体的待测电极 601为任意形态材质的金属材料，如金属丝、金属板、金属片等，本实施例中采用金属丝， 除与转接线连接的连接点外其余暴露部分均通过环氧树脂包封进行绝缘化处理；所述信号的转换与实时分析存储模块m20包括能够用于接收和执行labview分析程序的控 制器200和矩阵开关300；所述信号的显示与同步输出模块m30包括显示器500和嵌入有labview平台的上位机400。
31.具体如图1所示， 所述待测多电极体系600中的待测电极601和参比电极602均可拆卸地与转接电路板900的 分线端口电连接，且待测电极601和参比电极602与转接电路板900的转接线上接设有继电 器700；
所述转接电路板900的总线端口还分别与放大器800的输入端和矩阵开关300电连接，矩阵 开关300通过转接电路板900和继电器700对待测多电极体系600的待测电极601和参比电 极602进行控制，控制待测电极601和/或参比电极602保持通断或进行短接，实现切换控制， 以通过各式排列组合的方式形成若干种不同的电化学测试体系，电化学测试体系产生的初始 电化学信息通过转接电路板900输送至放大器800进行信号加强放大后，进行后续的传输输 送，初始电化学信号包含电位或电流等控制器200无法直接识别读取的信号特征；所述放大器800的输出端电连接数字万用表100的测量输入端，数字万用表100将无法直接 识别读取的初始电化学信号转换为可识别读取的电学信号并进行传输，数字万用表100以及 信号的转换与实时分析存储模块m20所包含的控制器200和矩阵开关300三者之间均两两相 互电连接，数字万用表100将电学信号传输至控制器200储存并产生此反馈信号给予矩阵开 关300，矩阵开关300接收控制器200发出的主控信号并在任务完成后形成主反馈信号发送 至控制器200；所述控制器200与嵌入有labview平台的上位机400电连接，而嵌入有labview平台的上 位机400进一步电连接显示器500。
32.具体的，本实施例的各个模块中，数字万用表100的具体型号为为pxie
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4081，放大 器800的具体型号为ni pxi
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4022，矩阵开关300的具体型号为ni pxi
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2535，控制器200的 具体型号为pxie
‑
8840。
33.具体的，在使用前，将待测多电极体系600的所有待测电极601和参比电极602置于 电解液中，并依照常规的设置方式进行，在具体选定所用的待测电极601和/或参比电极602 后构成预设的电化学测试体系，进行高通量测试。
34.具体的，本发明装置对电化学测试体系的信息采集步骤包括：s1.使用前，通过嵌入有labview平台的上位机400设定采集模式，对控制器200发出设定 信号；s2.控制器200接收设定信号，提取设定信号中关于切换模式任务设定的部分形成主控信号， 将主控信号输出至矩阵开关300；s3.矩阵开关300接收主控信号，提取任务内容规定切换模式，并根据具体切换模式，通过转 接电路板900和继电器700，对待测多电极体系600的待测电极601和/或参比电极602进行 控制；s4.设定目标电极；s5.设定对电极和/或参比电极602，形成电化学测试体系；s6.矩阵开关300通过继电器700控制电化学测试体系中的目标电极，参比电极602和/或对电 极保持通路或短接；s7.电化学测试体系形成初始电化学信号；s8.数字万用表100通过转接电路板900接收初始电化学信号完成采集；s9.数字万用表100转化初始电化学信号为可识别的电学信号并产生反馈信号；s10.数字万用表100将电学信号输送至控制器200存储，同时传输次反馈信号至矩阵开关300；s11.矩阵开关300进行下一次切换采集工作，若无需切换目标电极，则重复s5～
电极和对电极外的所有待测电极601断路，控制参比电极602和目标电极通路，并控制对电 极依次短接，以获得待测多电极体系600中任意待测电极601对于参比电极602的电位；以 及任意待测电极601对于其余待测电极601的电位，并通过数字万用表100转换为电流，数 字万用表100转化电位和电流形成可识别的电学信号输出至控制器200中储存。
41.进一步，具体地进行采集试验。
42.选用耐候钢作为待测多电极体系600的单丝用材，选用模式中的电位连续采集模式， 设置11
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11总计121根金属丝束依次作为目标电极，并以ag/agcl(3m kcl)为参比电极 602进行试验，结果如图7所示，121根金属电极单次采集一个循环时间总计为0.5s(采样频 率为2hz)，形成一个数据点。
43.随后以chi760电化学工作站进行同等试验，进行一个循环采集所需时间为2h，并且 对测试数据进行整理，与上述电位连续采集模式所得的试验数据进行对比，对比结果表明实 际误差＜0.1％，具有极高的精度。
44.如进行121电极、1024数据点采集，设置采集频率为5hz。
45.则本发明装置所需的采集时长为1024/5＝204.8s。
46.而多采用常规的电化学工作站，如parstat mc电化学工作站进行采集，需要至少 1024/5*121＝24780.8s＝6.88h。
47.从采集测试结果和对比结果可以明显看出，本发明装置具有高通量、高同步率采集的 特点，能够高效、高精度、高通量准同步采集电化学信号。