液体测量技术：从水到血液

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对于许多应用而言，确定液体的成分和质量至关重要。最主要的例子是水，水是世界上最珍贵的原生资源。净水和水过滤技术在全球发挥着重要作用，是人们生活不可或缺的部分。洁净的水资源不断减少，获取洁净用水成为日益重要的话题。但是，液体测量示例的范围并不止限于水，还包括医疗领域的液体测量，例如血液、唾液和粪便，通过检测这些物质，确定是否患有疾病，以免影响健康。所有这些测量的基本测量原理都是相同的，即阻抗测量。

在本文中，将着重介绍医疗应用中的液体测量，描述单个应用以及阻抗测量的通用性。

1、医疗领域的液体测量

医疗领域最广为人知的液体测量是血糖测量。在试纸上滴一滴血就能够测出血液中的血糖水平。患者可以根据这个值来调节自身的药物或饮食。未来，测量会逐步从单次测量向持续测量发展，以不断监测血糖水平。因此，急需高度准确且节能的阻抗测量。

另一项液体测量应用是透析。慢性肾衰竭患者需要过滤血液。透析液体电导率测量也是通过阻抗分析来完成。通过采用这种方法，可以测量pH值、电导率、成分和饱和度。

最后，测量患者的粪便和尿液。通过检查人体排泄物，可以确定是否患病和出现异常。这是一个相对较新的医疗领域，可以使用多种不同的方式方法。但是，这些方法都是基于对电极实施阻抗测量，从而得出关于各种疾病的结论。例如，除了实施pH值测量外，还会进行电导率测量。

当然，之前描述的测量并不全面。在面向人类和动物的医疗技术中，还可使用多种液体测量，例如激素测量或药剂测量。对于这些测量，阻抗测量方法也很重要。

虽然所有测量都用于确定不同的参数，但它们始终以阻抗分析为基础。这些测量虽然各有不同，但有一点是共同的：都迫切需要节能、节省空间的解决方案，以支持可穿戴设备。

下面介绍几种不同的阻抗测量方法，它们一部分组合使用，一部分单独使用，以便进行完整分析。

2、不同的阻抗测量原理

虽然对于所有应用，阻抗测量的基本原理都是相同的，但单次测量的功能仍然存在很大差别。下面，我们将讨论与液体测量最为相关的方法。

2.1、恒电势器

最基本和常用的测量原理是基于恒电势器。如下图所示，恒电势器测量和控制工作电极（WE）和参考电极（RE）之间的电压。通过调节流过计数器或辅助电极的电流，工作电极的电势相对于参考电极保持恒定。

2.2、电流测量

最简单的电流测量方法是对传感器施加偏置电压并测量响应电流。其中，在RE和WE之间施加一个恒定电压，然后使用电流-电压转换器和模数转换器（ADC）将电流剖面转换为数字信号。这个电流剖面取决于传感器和被测变量。下图利用ADuCM355描述了这个电路。

2.3、循环伏安法

伏安法测量为电化学测量，其中电化学电池的电势缓慢上升，然后呈线性下降。因此，测量流经WE的电流时，电位呈三角形波形变化。

例如，伏安法被用于测量分析物的半细胞反应活性。这种方法是一种电解形式，产生的电流源于氧化和还原。采用这种方法可以对样本进行定性和定量研究。

2.4、pH值测量

pH值测量基于半电池反应原理，半电池反应发生在电极膜上，与H+离子的浓度直接相关。这种势差导致产生电压，后者与pH值呈线性关系。对于pH值测量，存在的主要问题是pH传感器具有非常高的串联电阻，因此对分析电子设备的要求非常高。

2.5、电化学阻抗分析

对于电化学阻抗分析，其中电化学电池或传感器的阻抗是在所有不同频率中测量。通过不同频率下阻抗的变化，测量传感器磨损，并自动调整信号链。采用这种测量时，传感器精度随时间(几天至几周)下降，这是个问题。这可能严重影响到各种测量值的整体精度。

例如，连续血糖测量(CGM)就会出现这种问题。由于测量对健康至关重要，所以需要不断检查传感器的精度。示例电路如图3所示：

前面描述的医疗测量在要求和参数方面有很大的不同，因此分别使用不同的测量方法。此外，还必须进行温度测量，以进行补偿并校准温度。为了补充或提高精度，必须使用多个传感器。在离散设计中，所有这些测量都需要很大的电路板面积和很高的功耗。

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