专利名称：化学雷达扫描仪及其电化学频幅响应谱分析法的制作方法
技术领域：
本发明涉及电化学分析技术、微电子技术，尤其涉及一种化学雷达扫描仪及其电化学频幅响应谱分析法。
背景技术：
电化学分析法是一种通过对溶液施加不同电信号同时采集溶液响应电信号的方法，运用电化学分析法即通过分析扫描电信号和响应电信号的关系可以探测溶液的特性。在国内外，电化学分析法中主要使用的扫描方式是循环伏安扫描法和恒电位法等，这些方法主要存在的问题是分析速度慢，提供的信息量不多，检测应用领域与范围受到一定的限制。最近瑞典、俄罗斯等国家有研究者提出了关于脉冲扫描的方法，但只是实现了较为简单的多电位阶跃法。
发明内容
本发明的目的是提供一种轻便，高精度，低功耗，快速测定的化学雷达扫描仪及其电化学频幅响应谱分析法。
它具有单片机，单片机分别与数据存储电路、USB通讯模块、RS232串口通讯模块，单片机依次连接有D/A转换电路、化学电极接口、电流电压转换电路、程控放大滤波电路、A/D转换电路。
所述的程控放大滤波电路高精度运放电路的反馈回路接有并联的电阻网络、电容网络，电阻网络、电容网络分别与选择逻辑电路相接。
电化学频幅响应谱分析法将化学雷达扫描仪输出的各种恒频调幅或幅频调制的脉冲扫描信号施加到化学电极的参比电极和工作电极上，引起溶液体系的电流发生变化即产生溶液的响应电流，再由化学雷达扫描仪从化学电极的辅助电极上检测响应电流信号，从而得到溶液体系反应的频幅响应谱，对谱图进行分析处理，能够得到溶液特性等结果。
本发明采用低功耗设计技术，因此功耗低、可靠性高，易于设计成便携式仪器。特别是仪器所具有的分析速度快(1～15分钟就能完成一次频幅响应谱的分析)，频率变化范围宽，响应谱信息量大的特点是目前其它电化学分析方法及仪器所无法比拟的。作为人工智能感觉系统的一类重要的技术方法，通过该化学雷达扫描仪可以有效地测定物质的总体特征以及物质间特性的差异，检测物质的浓度含量等。因此适用于各种现场化学物质及体系的快速检测，能够应用于食品安全、药品检验、环境保护和化学反恐等领域。
图1是化学雷达扫描仪硬件组成示意图；图2程控放大、滤波电路示意图；图3是运用化学雷达扫描仪获取频幅响应谱的示意图；图4是化学雷达扫描仪的软件流程图；图5是单向递减脉冲激励信号示意图；图6是某品牌白酒单向递减脉冲频幅响应谱图；图7是单向递增脉冲激励信号示意图；图8是某品牌黄酒单向递增脉冲频幅响应谱图；图9是锯齿脉冲激励信号示意图；图10是某品牌干红葡萄酒锯齿脉冲频幅响应谱图；图11是双向递减脉冲激励信号示意图；图12是某品牌白兰地酒双向递减脉冲频幅响应谱图；图13是双向递增脉冲激励信号示意图；图14是某品牌橙汁饮料双向递增脉冲频幅响应谱图；图15是正弦脉冲激励信号示意图；图16是某品牌酸奶正弦脉冲频幅响应谱图。
具体实施例方式
本发明的频幅响应图谱是一种以频率和幅度均周期变化的脉冲扫描信号作为激发信号，由各个工作电极得到的体系响应脉冲电流信号组合在一起，成为反映被测物质单体或总体特征的一种新的化学分析图谱。
本发明的频幅响应图谱的具体实现装置——化学雷达扫描仪，能够产生恒频调幅或幅频调制的多种扫描脉冲，其创新在于由单周期激励向变频多周期激励拓展，自动减频或增频扫描，连续频幅周期扫描从而构成完整的响应频幅谱。恒频调幅和幅频调制的脉冲扫描方法包括单向递减脉冲法，单向递增脉冲法，锯齿脉冲法，双向递减脉冲法，双向递增脉冲法，正弦脉冲法，以及快速(5.4分钟)、中速(7.7分钟)、慢速(14分钟)三种特定的宽频带幅频调制脉冲。化学雷达扫描仪能够产生这些激励脉冲，同时能够快速得到反映被测物质特征的频幅响应谱，通过特征提取和分析，可以分析物质的特性和浓度等。
运用先进的微控制器芯片和集成芯片，结合程控放大和程控滤波技术，有效提高了化学雷达扫描仪的检测灵敏性(1纳安级)。同时实现了低功耗和高可靠，能够满足便携的设计要求。
如图1所示，化学雷达扫描仪具有单片机，单片机分别与数据存储电路、USB通讯模块、RS232串口通讯模块，单片机依次连接有D/A转换电路、化学电极接口、电流电压转换电路、程控放大滤波电路、A/D转换电路。化学雷达扫描仪通过单片机控制各种脉冲扫描电位的输出和响应电流信号的采集过程，控制D/A转换模块向化学电极接口输出脉冲扫描信号，同时输入响应电流信号并通过电流电压转换模块转化为电压，经过程控放大和程控滤波，将电压调整到合适的大小后，再通过A/D模块转换成数字量提供给单片机电路。单片机进行采样数据的保存，并在测量结束后，将数据通过RS232或USB串行接口上传给上位机做进一步的分析。程控放大和滤波电路可实现放大范围1E-3到1E-9的选择，低通滤波器截止频率为300Hz。采用的A/D和D/A模块的转换精度为12位，能满足扫描仪高精度的要求。
如图2所示，程控放大滤波电路高精度运放电路的反馈回路接有并联的电阻网络、电容网络，电阻网络、电容网络分别与选择逻辑电路相接。
如图3所示，化学雷达扫描仪通过化学电极接口与化学电极相连，扫描仪输出的脉冲扫描信号施加在参比电极和工作电极上，引起溶液体系的电流变化即产生溶液的响应电流，再由化学雷达扫描仪从化学电极的辅助电极上检测响应电流信号，从而得到溶液体系反应的频幅响应谱。
化学雷达扫描仪结构小巧轻便，同时具有交流电供电接口和电池供电接口。满足低功耗要求，普通6节干电池可以连续使用160小时以上。
如图4所示，仪器上电后先进行初始化，然后根据选择的脉冲扫描方式调用不同方式的脉冲输出子程序，输出不同类型的扫描脉冲，同时检测被测溶液体系的响应电流并进行数据的保存，再将采集的数据通过串行接口传送到计算机做进一步的分析处理。
如图5-图16所示，为化学雷达扫描仪提供的六种脉冲扫描激励信号波形及示例检测样品对应的频幅响应谱图。化学雷达扫描仪和频幅响应谱的快速性和大信息量，以及它具有微型化，智能化，网络化的巨大潜力，将使这种新型电化学分析方法成为食品安全、药品检验，环境保护和化学反恐等领域现场快速检测和监测的重要技术手段。
电化学雷达扫描仪由硬件和软件两部分组成。硬件部分主要包括单片机电路和程控放大、滤波等模拟电路；软件部分主要完成恒频调幅或幅频调制脉冲扫描信号的输出，为检测体系提供脉冲激励信号；同时检测与采集该体系的响应电流信号，得到频幅响应谱图。
本化学雷达扫描仪能够提供单向递减脉冲，单向递增脉冲，锯齿脉冲，双向递减脉冲，双向递增脉冲，正弦脉冲等新型电化学脉冲扫描方式；提供快速(5.4分钟)、中速(7.7分钟)、慢速(14分钟)三种特定的宽频带幅频调制脉冲。这些脉冲的起始电位、终止电位、电位增量、脉冲频率、频率增量、脉冲周期数等均可以设置，即能够产生多种恒频调幅或幅频调制的脉冲扫描激励信号，相应地能够得到丰富的反映被测物质特性的频幅响应谱。检测灵敏度范围为1E-3到1E-9，达到1纳安的高精度要求。通过电路中的两级滤波电路，其中一级为程控滤波，能够有效的滤去电路中的多种噪声，提高分析精度。采用低功耗设计技术，具有功耗低、可靠性高等特点，外观设计轻巧灵便。提供电池供电和交流电源供电两种方式，适用于野外和室内的测量。具有方式选择、参数设置结果保存和查询等功能，同时能够将图形数据转化为文本方式，方便其他分析处理软件的调用。
权利要求
1.一种化学雷达扫描仪，其特征在于，单片机分别与数据存储电路、USB通讯模块、RS232串口通讯模块相连，单片机依次连接有D/A转换电路、化学电极接口、电流电压转换电路、程控放大滤波电路、A/D转换电路。
2.根据权利要求1所述的一种化学雷达扫描仪，其特征在于，所述的程控放大、滤波电路高精度运放电路的反馈回路接有并联的电阻网络、电容网络，电阻网络、电容网络分别与选择逻辑电路相接。
3.一种使用如权利要求1所述化学雷达扫描仪的电化学频幅响应谱分析法，其特征在于，将化学雷达扫描仪输出的各种恒频调幅或幅频调制的脉冲扫描信号施加到化学电极的参比电极和工作电极上，引起溶液体系的电流变化即产生溶液的响应电流，再由化学雷达扫描仪从化学电极的辅助电极上检测响应电流信号，从而得到溶液体系反应的频幅响应谱，对谱图进行分析处理，能够得到溶液特性等结果。
全文摘要
本发明公开了一种化学雷达扫描仪及其电化学频幅响应谱分析法。它将化学雷达扫描仪输出的各种恒频调幅或幅频调制的脉冲扫描信号施加到化学电极的参比电极和工作电极上，引起溶液体系的电流变化即产生溶液的响应电流，再由化学雷达扫描仪从化学电极的辅助电极上检测响应电流信号，从而得到溶液体系反应的频幅响应谱，对谱图进行分析处理，能够得到溶液特性等结果。本发明化学雷达扫描仪采用低功耗设计技术，因此功耗低、可靠性高，易于设计成便携式仪器。特别是仪器所具有的分析速度快(1～15分钟就能完成一次频幅响应谱的分析)，频率变化范围宽，响应谱信息量大的特点是目前其它电化学分析方法及仪器所无法比拟的。
文档编号G06F19/00GK1740783SQ20051006076
公开日2006年3月1日 申请日期2005年9月14日 优先权日2005年9月14日
发明者王晓萍, 吕述纲, 邓少平, 张夏宾, 林伟欣, 田师一 申请人:浙江大学