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센서 임피던스 측정

관련 제품 : MFIA , MFLI + MF-IA

응용기술

센서는 다양한 기계적 매개변수(변형률, 위치), 환경 매개변수(온도, 압력, 습도) 그리고 샘플(재료, 조직, 유기체)을 측정하기 위해 다양한 형태로 제공됩니다. 감지된 환경의 변화는 센서 임피던스의 변화로 이어집니다. 인덕턴스, 커패시턴스 및 저항 또는 복합 임피던스 자체로 구성된 이 임피던스 변화는 센서에 적합한 짧은 시간 척도에서 높은 정밀도와 정확도로 측정됩니다. 임피던스는 종종 주파수에 따라 변하기 때문에 센서의 임피던스 스펙트럼은 측정된 샘플 또는 환경에 대한 추가 지문을 제공합니다. 현재 사용되는 다양한 센서에는 화학 센서와 바이오 센서가 포함됩니다. 화학 센서는 일반적으로 커패시턴스를 가지며, 유전체에 분석 물질이 있으면 커패시턴스가 변경됩니다. 임피던스 바이오 센서는 액체 매질(정적 또는 유동)에서 조직 또는 유기체를 측정하는 데 사용되며 대부분의 경우 비파괴적이고 라벨이 필요하지 않습니다.

Sensor characterization with the MFIA Impedance Analyzer

그림 1 : MFIA로 특성화된 센서를 보여주는 개략도. 환경 교란은 센서에 의해 MFIA가 2단자 또는 4단자 구성에서 측정할 수 있는 임피던스 변화로 변환됩니다.

측정 전략

센서를 개발하고 최적화하려면 감지된 환경의 변화가 어떻게 임피던스로 변환되는지에 대한 명확한 이해가 필요합니다. 센서의 최적 작동 주파수, 즉 센서가 가장 높은 감도를 갖는 주파수를 식별하는 것이 중요합니다(그림 1 참조). 이 최적의 작동 지점을 찾기 위한 일반적인 접근 방식은 임피던스 응답을 측정하는 동안 주파수를 스윕하고 이를 Bode 또는 Nyquist 플롯에 표시하는 것입니다(그림 2 참조). 마찬가지로 측정 전압의 진폭을 스위핑하면 최적의 작동 전압을 찾을 수 있습니다. MFIA Impedance Anayzer에 포함된 LabOne 제어 소프트웨어에는 주파수 및 전압 스위프를 모두 지원하는 Sweeper 모듈이 있습니다.

센서의 응답 속도는 전체 주파수 범위에서 특성화해야 하는 또 다른 매개변수입니다. 이는 외부 감지 환경에서 단계적 변화를 유도하거나 환경 변화를 대체하여 센서에 오프셋 전압 단계를 적용하는 방법으로 달성할 수 있습니다.

LabOne의 DAQ 모듈을 사용하면, 계단식 변화에 의해 트리거 된 임피던스 변화를 측정하여 쉽게 센서의 응답 시간을 알아낼 수 있습니다(그림 3 참조).

최적의 작동 주파수 및 전압에서의 시간 영역 측정은 달성 가능한 가장 높은 감지 분해능을 가지게됩니다. 계속 감소하는 작은 교란( 예: 직사각형 전압 펄스에 의해 유도된 환경 변화 )이 센서에 적용되고 그로 인한 임피던스 변화가 측정됩니다. 이 임피던스 측정은 교란 펄스와 동기화되어 과도현상을 평균화 할 수 있습니다. 이 기술은 분해 가능한 가장 작은 신호를 가장 큰 신호와 비교하여 센서의 동적 범위를 측정하는 데에도 사용할 수 있습니다. 동적 범위 특성화를 위해 MFIA는 프록시 전압 입력과 폐쇄 루프 시스템을 (PID 컨트롤러 옵션이 설치된 경우) 모두 지원 합니다.

Bode plot with Sweeper tool in LabOne

그림 2: 센서 공진의 Bode 플롯을 표시하는 LabOne 스위퍼 모듈. 위 차트는 센서 응답의 진폭을 나타내고 아래 차트는 테스트 신호와 측정된 응답 사이의 위상 변화를 나타냅니다.

Sensor's capacitance transient studied with the DAQ tool in LabOne

그림 3: 센서 커패시턴스 과도현상의 시간 영역 측정을 보여주는 LabOne DAQ 모듈. 주황색 트레이스는 센서의 커패시턴스를 나타냅니다. 파란색 트레이스는 절대 임피던스에 해당합니다.

취리히인스트루먼트 선택의 이점

  • 단일 도구로 센서의 작동 주파수와 측정 전압을 최적화하십시오. LabOne Sweeper를 사용하면 Bode 또는 Nyquist 플롯을 표시하고 이를 참조 프로파일과 쉽게 비교할 수 있습니다.
  • 작고 빠른 시간 단위로 발생하는 임피던스 변화를 추적할 수 있습니다.
  • 취리히인스트루먼트의 저잡음 아날로그 프론트 엔드 전자 장치는 다단계 입력 및 자동 범위 지정 기능을 갖추고 있어 락인 측정 기능을 보완하고 최대의 신호 대 잡음비와 최소 측정 시간을 충족하는 '스위트 스팟'에서 작동할 수 있게 합니다.
  • LabOne 기기 제어 소프트웨어용 5개의 API 덕분에 임피던스 측정 을 더 큰 셋업으로 쉽게 통합할 수 있습니다.

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MFIA Impedance Analyzer Overview

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