交流阻抗测试技术分类及优势 ？

交流阻抗测试技术分类及优势 ？

1．  介绍

   Modulab ECS 材料测试系统采用的频率响应分析仪，使用了新的信号处理技术能够提供难以置信的高速阻抗测量，同时又保持了以往输力强频率响应分析仪的精度，重现性和解决方案。

   Solartron 以设计和制造先进的交流测试设备而著称，基于高性能的频率范围内的频率响应分析仪。Solartron 开发仪器开始于1948年，最初提供频率响仪设备用于鉴定，高精度的航空应用。经过多年的发展，公司实现了多元化，进入很多应用领域，包括电池，燃料电池，材料以及电化学测试等等，但是制造高质量，高精度和可信赖的测试设备的基本理念始终未变。

2．  阻抗分析

   阻抗分析作为通用的，且无破坏性的测试技术可以提供材料细节的诊断信息，广泛的材料-如半导体，陶瓷，聚合物，光伏，铁电材料，显示器，纳米材料，生物材料等等。

该技术是将较小的交流波形信号施加于样品，同时测量和研究样品在该激励信号下的响应。测量捕获通过样品的交流电压信号和交流电流信号，通过交流电压和交流电流的比值获得阻抗信息。由于施加的激励信号很低，因此对样品没有破坏性。典型的是将扫描频率下(单波)或者是多波作为激励信号，所以阻抗可以评价整个频率范围之内的特性。

3．  阻抗测量技术

市面上有很多类型的交流测试设备包括电压扫描电容测试仪，LCR测试仪，阻抗分析仪，次级采样FRA和软FRA。

3.1电压扫描电容测量

   该方法是施加扫描电压信号于样品，在足够高的速率下获取时域电压和电流以便于从结果中计算材料的低频电容特性。该类型的系统可以获取基本的低频率电容测量，但是不能完成整个阻抗对频率扫描并且会在数据分析中引入很大的误差，尤其是在驰豫过程与频率密切相关的情况下。该测试体系仅仅是在较窄的频率段范围内，因此对于被测样品只能给出很少的信息。通常需要使用高频分析仪来完成材料的阻抗分析，当然使用不同的技术会使所得的结果很难匹配，由不同的技术所得的结果。

3.2 LCR 测试仪／阻抗分析仪

这些设备是用来粗略的测量，材料在一些特定频率下的电子组分。这些

设备虽然成本较低，但是只能提供几个可选频率下的有限的性能，极地的频率分辨率和有限的阻抗测量范围。通常情况使用这些设备不能测到较低频率，典型的低频下限在1KHz左右。低频和高阻抗分析用于评价很多类型的材料，比如聚合物，半导体，介电材料和陶瓷等，因此ＬＣＲ测试仪在这些方面使用时有很大的局限性。同样的局限性存在于很多精贵的阻抗分析仪，同样不能够测量较低频率和较高阻抗。

   通常这些设备需要整合于电压扫描技术来使用如同３．１所述，实现材料测试由高频到低频的完整测试（我们之前曾讨论过电压扫描技术的局限性，比如数据与不同技术的匹配，对于驰豫过程与频率密切相关时分析困难，局限于电压变换时而获得的全分析等等。）

3.3  次级采样分析仪

   次级采样（低速采样）技术被用于测量较高频率下实际高采样速率特殊的模拟数字转换器。很显然，当系统指标显示快测量频率，例如，1MHz同时ADC在实际测量时为较低频率，也许是几十万或者几万Ｈｚ或者更低。能斯特采样理论需要能够测试特殊频率，该设备需要数据采集速率至少为２倍于被测频率。在某些情况下，设备有意的设计为次级采样而是用了低成本的ADC，处理器和内存等。该类型系统就好比是在电影上看到转动的车轮，经常看到车轮是在向错误的方向转动，这是由于电影中轮毂由于较低的摄影速率而造成的，相对于车轮转动的速率。这个现象就是所谓的混淆现象。

Fig1图像化的显示了次级采样的模拟波形。较高频率波形是需要测试的信号，类似于电影中汽车的车轮。箭头所所指的点是测量系统实际测试到的波形，这相当于是电影中的单个轮毂。并且低频曲线显示了次级采样所产生的波形。从叠加的低频波形可以很清晰的看到，由于次级采样速率，信号在这两个频率显示了相同的测量响应，尽管他们是不同的频率，这就是次级采样系统所造成的。

   然而，实际上这里有很多额外的频率同样能够产生相同的辐值在数据采集点上。进入结果当中。在以上情况当中，为了说明该技术，样品只能在低于被分析的频率下进行。实际上，样品的测试频率至少要10倍或100倍的低于分析频率，比如1MHz的信号实际采样在10kHz左右，测量频率和次级采样频率的比率越高，则引入结果的干扰和噪音越大，所测量的信号则越含糊，从而降低了结果的重现性和可信度。次级采样系统的组分价格很低，但是要付出很大代价。

   另外，该类型的体系没有太多的灵活性，在同一时间只能分析一个频率(模拟频率)，当测量频率高于ADC的采样频率时。这将极大地限制频率范围，比如多频率分析技术诸如多波/快速傅立叶转换和谐波等技术的应用。该体系或许提供多波快/速傅立叶转换技术(在一个较窄的频率范围之内，或者是不提供)。我们将在本文的第四部分当中来阐述多波快速傅立叶转换技术，因为该技术十分有用，尤其是恰当的与高速采样测量系统使用时。

3.4 “软"FRA

有这样一类FRA测量体系被用于在高频采集数据，同时采集的数据回传给电脑后进行快速傅立叶转换(FFT)以获得阻抗信息。这将为电脑极大地节约时间，因为在每个频率下将分析大量的数据。另外，材料分析仪中ADC的固定采样速率意味着存在巨大缺口, 在可利用的分析频率和(尤其是可以看到在中频到高频分析结束)，这将限制该设备用于细节研究。这一类型体系通常使用次级采样技术会导致如3.2部分所描述的问题。

4．阻抗测量的新概念

如我们所看到的，在之前所讨论的这些阻抗测试方法都有各种局限性。Solartron 所采用的新测量技术去除了这些局限性，仪器在全频率范围内同时提供单波，谐波和多波/FFT分析技术。这在测量的频率范围，分析速度和结果的重现性等方面提供了巨大的优势。

Modulab FRA使用了高性能的数字处理技术来实现高精度的阻抗测量。FRA当中的模拟到数字转换(ADC)和数字到模拟转换器(DACs)同时提供40 MHz的采样测量，这意味着在分析高的1MHz频率时，ADC实际超过40倍的速率采集数据。因为测量是超高速采集(与次级采集相对)。使用任何的阻抗技术，单波分析，谐波分析或者多波/FFT技术，在设备的全频率范围之内。这提供了其他测试系统所无法达到的精度，重现性和灵活性。

4.1　单波相关阻抗测试技术

单波相关技术被研究者广泛使用于各种材料的阻抗精确测量，例如聚合物，陶瓷，半导体，光伏，显示技术和纳米材料等。其他技术被尝试用于阻抗分析，但是没有一个能够提供如此好的噪音，干扰和失真抑制效果。Modulab ECS的FRA使得这一技术更进一步，提供了难以置信的高速性能，同时又保持了之前Solartron 分析仪的高精度，高重现性和高分辨率。

4.2 多波/FFT阻抗分析技术

Modulab FRA所使用的高采样速率，使得多波/FFT技术能够在整个频率范围内得以执行，从10uHz-1MHz。Solartron 设备的这一独特特征，不同于市面上的其他分析仪，没有限制特定的技术只能运用于特定的频率范围或者根本无法使用。

多波/FFT分析技术的主要优点是测量的速度。反之，单波相关技术需要在每个频率下单独分析，因此整个测试花费的时间是单个测量时间的总和），而多波/FFT技术可以在同一时间内分析多个频率的波形。多波/FFT技术可以节省大量的时间，尤其是在低频测量时。通过对比，在1mHz-1MHz测量的范围之内，多波/FFT技术仅仅使用了单波技术测量1/4的时间，这对于不稳定体系的阻抗测量是至关重要的。

4.2.1选择激励/分析频率

   多波/FFT技术使用波形发生器和快速傅立叶转换技术。FFT是数学运算法，可以将时域数据（一段时间内的电压和电流数据采集）转换为频域（分析信号的频率成分，显示阻抗对频率的结果）。

   该技术的出发点是能够产生平滑的波形，一系列不同频率的单波叠加后产生复合波形。Fig 2显示了三个波形（三个频率）的叠加效果图，每个波形的幅值是0（例如三个独立的波形每个开始于正弦波的0相角点）。产生的波形包含3个频率，基准频率加上两个谐波频率，1倍，3倍，5倍于基准频率。如果该波形施加于样品，将会测量样品在这三个频率下的阻抗。这种特殊的测量将会超出严格的频率范围，仅仅使用三个接近的隔开的频率范围，比如10 Hz, 30Hz 和50 Hz，而通常则需要更多的频率和更宽的频率范围，只是用这个简单的波形显示该技术的原理。

Figure 2: 三个相位为0的谐波的叠加

Fig 2中产生的波形有一个问题是，叠加产生的很高的峰型施加于很多被测样品时会产生，会激发非线性响应。理想的是，峰值需要弱化，以至于使样品中的任何非线性最小化。

通常样品中的非线性是被认为是谐波干扰，这将会导致低频时与其他测量频率产生干扰。通过测量一些未激发的频率，这样就可以甄别材料产生的失真程度，以此来决定施加信号的辐值是否合适(稍候将阐述这个问题)。在任何情况下，测量都需要避免非线性，因为非现性的存在，阻抗测试而变得无效。

   通过三个波形相角的调整，即三个频率的相角辐值不从0开始，甚至开始于不同方向，有明显不同，越随机的波形，无限可能的叠加波形会产生，有一些会看起来更随机或者是峰型更强或者是更平滑。通过选择合适相角的波形叠加可以很大程度上降低原波形的峰高。

Fig 3 三个随机相角单波的叠加图　

Modulab ECS 的FRA 提供较高灵活性, 并且可以使用户在需要时选择所有频率(尽管这会导致在最终的波形中超过一千个频率，会在每个频率下产生极小的信号辐值，因此结果中噪音更大)。在实际过程中减少波形中的频率，因此在每个频率下保持较高的信号水平。另外，通常建议选择频率列表，因为阻抗结果这些频率接近对数间隔，当看到频率对数图形时，将会出现对数间隔。系统提供的默认的频率列表中，31个对数频率分布于超过三个频率段范围之内，将所有考虑的因素计算在内，因此可以很好的开始于定制化的试验。这通常提供了平滑的阻抗曲线，将结果中的噪声最小化。

4.2.2选择AC信号水平和非线性检查

对于多波/FFT分析而言，似乎使用较高的AC信号更有利，因为多波中一系列的频率被激发，每个频率下的信号水平较低，这倾向于在阻抗结果中产生更多的噪音。然而，应该谨慎的来增加信号水平，以确保被测样品不被过度激发，进入非线性区。

检测结果非线性水平的方法是，施加辐值合适的多波波形，不要仅仅捕捉受激发的频率，通过在Modulab ECS软件中选择＂测量非激发频率＂模式捕捉所有频率。在这种情况下，所有的频率都被测量，然后将结果输出到Excel当中来检测非激发频率。如果非激发频率相对于激发频率处在较低水平，那么被测样品则处于线性区，如果非激发频率的信号水平高于激发频率的，那么样品处于非线性模式，激励水平需要降低。这对于非线性信号检测是一个十分有用的诊断方法。谐波分析同样可应用于材料中非线性信息的失真分析，就如同他们研究击穿电位一样。

Modulab ECS的FRA可以使用户在测试范围之内选择任意的频率列表，但结果通常是选择的频率与一个频率谐波，但又尽可能少的去干扰其他所选频率。Modulab MTS 系统可以帮助用户，如果需要可提供默认的频率列表。通过选择一系列频率（例如默认频率列表），这可能会产生一个波形，看起来像随机噪音，但事实上仍然仅仅包含了所选的频率，通过优化相角来产生合理的较低峰值的波形(见Fig 4)。

Fig 4  31个有谐波性的单波的叠加图

4.3阻抗测试系统所需要的其他重要条件

4.3.1　平滑连续的施加交流波形

无论使用单波或者多波/FFT模式，拥有平滑连续的交流波形施加于样品是十分重要的。在低频时，Modulab MTS 的FRA每个波形产生超过200,000个点以确保样品经历纯的交流波形。在高频区，波形产生于至少40倍的测量频率同时模拟过滤启用，因此这些波形同样平滑纯粹。

4.3.2  直流偏置

Modulab MTS FRA 拥有内置的偏置处理器，可以去除测量信号中的直流部分（材料界面的电流到电压的转换信号表示流过样品的交流电流信号，而缓冲电压信号则表示经过样品的电压）。这对研究电压和电流负载材料的阻抗时，尤为关键。一旦ＤＣ偏置使用，FRA可以在更高灵敏度的范围内测量，减少结果中的噪音，提高精度。

4.3.3 多通道功能

为了提高新材料开发的速度，同时测量多个平行样，显的尤为重要。另外，同时测量能够保证测试环境的高度一致。Modulab MTS测试系统可以单通道，也可以多通道使用。

4.3.4频率的分辨率

Modulab MTS FRA 拥有高的频率分辨率取决于专业设计的26位频率合成仪。这有能力放大每一频率范围来获得结果的细节而不受限制。这成为测试晶体和压电材料研究其导纳行为的理想工具。

4.3.5 带宽

值得注意的是阻抗测量系统的频率带宽与其它限制部分一样好。通常仪器制造商仅仅提供系统中某一组分的带宽(大多数是系统电压测量部分的，但是该组分通常拥有高的带宽)。这就造成了错误的认为整个系统具有很高的带宽。另一种方式是，指标中显示了在特定阻抗水平下的阻抗精度（也许是在该体系的较高阻抗水平下的结果）。研究测试系统在特定阻抗水平下的能力是十分重要的，(例如，对于有些材料<1m欧姆或者是>T欧姆对于其它材料。

另外一种形式是，在频率测量范围内所有的阻抗水平的测量都是标明同一精度。这是不太可能的，因为在所有情况下电子放大器的工作范围都是在一定范围之间，在很高频率下和放大范围时是很难到较高工作状态（这通常发生在较高的阻抗和极低的阻抗水平）。Solartron产品通常是标明详细的精度指标，来评估设备是否适合特定测量。

5.0 总结

有很多材料需要阻抗分析到1mHz或者更低水平。另外，这些材料通常会显示较高阻抗在低频率时，因此就需要非常灵敏的测试装备。选择测试系统十分重要，可以扩展其能力以满足不同需求材料测试的挑战(比如从绝缘体到超导体)。Modulab MTS的模块化设计使其能够测试很宽范围的材料。FRA 开发基于很高的灵活性和精度，尤其适合低频的快速测量，使用多波/FFT转换技术，谐波分析技术可应用于研究材料的非线性特性，就如同研究介电材料的击穿电位。这些技术当然是基于Solartron高稳定性和高重复性的单波分析技术(Solartron享誉世界的高质量阻抗分析仪)。Solartron ECS 测试系统，迈向了开发新材料和改善材料性能测试技术的重要一步。

参考资料:

1.     《电化学方法原理和应用》第二版，作者: 阿伦·J·巴德 ,2025年

2.     《电化学阻抗谱导论》，作者：曹楚南、张鉴清合著