• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 2415-3400 (Online)
ISSN 1028-821X (Print)

Амплітудно-фазовий детектор для систем діелектричної спектроскопії

Рубрика: 
ПРИКЛАДНА РАДІОФІЗИКА
Антоненко, ЄО, Кожешкурт, ВО, Штода, ДО, Катрич, ВО
Organization: 

 

Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна
4, майдан Свободи, Харків, 61022, Україна
E-mail: antonenko@karazin.ua
https://doi.org/10.15407/rej2020.03.068
Мова: українська
Анотація: 

 

Предмет і мета роботи. Метою роботи є дослідження можливості застосування методу трьох амплітуд для вимірювання різниці фаз і амплітуд двох сигналів у системах діелектрометрії та імпедансної спектроскопії. Для розгляду обрано дві функціональні схеми, що реалізують метод трьох амплітуд, з додаванням і відніманням сигналів.

Методи і методологія роботи. У роботі представлено аналіз сучасного стану методу діелектричної спектроскопії як методу, що дозволяє проводити вимірювання відносного вмісту компонент у бінарних розчинах і суспензіях. Зазначено особливу роль методу в аналізі біохімічних властивостей рідин. Наведено співвідношення для обчислення модуля, дійсної і уявної частин імпедансу вимірювальної комірки, яка заміщена еквівалентною схемою. Еквівалентні параметри кола дозволяють обчислити провідність і діелектричну проникність досліджуваної рідини. Зазначено, що у формулах для розрахунку еквівалентної ємності та опору вимірювальної комірки не враховується ефект адсорбції молекул і частинок речовини біля поверхні електродів, що призводить до невірного обчислення провідності і діелектричної проникності.

Результати роботи. Виготовлено експериментальний зразок амплітудно-фазового детектора та перевірено його технічні характеристики. Запропоновано ввести буферні каскади на входах детекторів, які забезпечують розв’язку між вимірювальним і опорним каналами на рівні –70 дБ. Використано схему двоступеневого детектування на основі логарифмічного і пікового детекторів. Показано, що двоступеневе детектування дозволяє зменшити рівень пульсацій виміряного сигналу на низьких частотах. Дано обґрунтування доцільності вибору схеми з відніманням сигналів для систем діелектрометрії.

Висновки. Запропоновано схему широкосмугового амплітудно-фазового детектора з частотним діапазоном від одиниць герців до 100 МГц для систем діелектричної спектроскопії. Проведено експериментальну оцінку точності вимірювання різниці фаз. Представлено метод калібрування детектора, який дозволяє зменшити абсолютну похибку вимірювання різниці фаз до ± 0,1°.
Ключові слова: імпеданс, імпедансна спектроскопія, амплітудно-фазовий детектор, діелектрометрія, метод трьох амплітуд, різниця фаз

Стаття надійшла до редакції 06.04.2020
УДК 537.868.3
Radiofiz. elektron. 2020, 25(3): 68-77
Повний текст (PDF)

References: 

 

  1. Cheng X., Liu Y.S., Irimia D., Demirci U., Yang L., Zamir L., Rodríguez W.R., Toner M. & Bashir R. Cell detection and counting through cell lysate impedance spectroscopy in microfluidic devices. Lab Chip. 2007. Vol. 7, Iss. 6. P. 746–755. DOI: 10.1039/B705082H.
  2. Bao X., Ocket I., Bao J., Doijen J., Zheng J., Kil D., Liu Z., Puers B., Schreurs D., Nauwelaers B. Broadband dielectric spectroscopy of cell culture. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 2018. Vol. 66, Iss. 12. P. 5750–5759. DOI: 10.1109/TMTT.2018.2873395.
  3. Masot R., Alcañiz M., Fuentes A., Schmidt F.C., Barat J.M., Gil L., Baigts D., Martínez-Máñez R. & Soto J. Design of a low-cost non-destructive system for punctual measurements of salt levels in food products using impedance spectroscopy. Sens. Actuators, A. 2010. Vol. 158, Iss. 2.  P. 217–223. DOI: 10.1016/j.sna.2010.01.010.
  4. Yang S., Hallett I., Oh H.E., Woolf A.B. & Wong M. Application of electrical impedance spectroscopy and rheology to monitor changes in olive (Olea europaea L.) pulp during cold-pressed oil extraction. J. Food Eng. 2019. Vol. 245. P. 96–103. DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2018.10.013
  5. Kozheshkurt V., Antonenko Y., Shtoda D., Slipchenko O. & Katrych V. Possibilities of Impedance Spectroscopy for the Study of Bioliquids. 2018 9th Int. Conf. Ultrawideband and Ultrashort Impulse Signals (UWBUSIS). (Odessa, Ukraine, 4–7 Sept. 2018). IEEE, 2018. P. 280–284. DOI: 10.1109/UWBUSIS.2018.8520236.
  6. Zhu X., Guo W., Liang Z. Determination of the fat content in cow’s milk based on dielectric properties. Food Bioprocess Technol. 2015. Vol. 8, Iss. 7. P. 1485–1494. DOI: 10.1007/s11947-015-1508-x.
  7. Yoon Y., Jo J., Kim S., Lee I.G., Cho B.J., Shin M. & Hwang W.S. Impedance spectroscopy analysis and equivalent circuit modeling of graphene oxide solutions. Nanomater. 2017. Vol. 7, Iss. 12. P. 446. DOI: 10.3390/nano7120446.
  8. Jablonskas D., Ivanov M., Banys J., Giffin G.A. & Passerini S. Dielectric spectroscopy of Pyr14TFSI and Pyr12O1TFSI ionic liquids. Electrochim. Acta. 2018. Vol. 274. P. 400–405. DOI: 10.1016/j.electacta.2018.04.104.
  9. Steinhauer M., Risse S., Wagner N., Friedrich K.A. Investigation of the solid electrolyte interphase formation at graphite anodes in lithium-ion batteries with electrochemical impedance spectroscopy. Electrochim. Acta. 2017. Vol. 228. P. 652–658. DOI: 10.1016/j.electacta.2017.01.128.
  10. Umar S., Abdelmalik A., Sadiq U. Synthesis and characterization of a potential bio-based dielectric fluid from neem oil seed. Ind. Crops Prod. 2018. Vol. 117. P. 117–123. DOI: 10.1016/j.indcrop.2018.02.009.
  11. Färber R., Franck C. Modular high-precision dielectric spectrometer for quantifying the aging dynamics in (Sub-) picofarad polymeric specimens. IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul. 2018. Vol. 25, Iss. 3. P. 1056–1063. DOI: 10.1109/TDEI.2018.006898.
  12. Cornelis P., Wackers G., Thomas I., Brand M., Putzeys T., Gennaro A., Wübbenhorst M., Ingebrandt S., & Wagner P. A Novel Modular Device for Biological Impedance Measurements: The Differential Impedimetric Sensor Cell (DISC). Phys. Status Solidi A. 2018. Vol. 215, Iss. 15. P. 1701029. DOI: 10.1002/pssa.201701029.
  13. Srinivasa D., Surendra U. Comparative study of Breakdown Phenomena and Viscosity in Liquid Dielectrics. 2019 Innovations in Power and Advanced Computing Technologies (i-PACT). (Vellore, India, 22–23 March 2019). Materials Sci. IEEE. 4 p. DOI: 10.1109/i-PACT44901.2019.8960134.
  14. Lesaint O. Prebreakdown phenomena in liquids: propagation ‘modes’ and basic physical properties. J. Phys. D: Appl. Phys. 2016. Vol. 49, Iss. 14. P. 144001. DOI: 10.1088/0022-3727/49/14/144001.
  15. Dey S., Agarwala S. Development of a digital phase angle meter. 2016 Int. Conf. Control, Instrumentation, Communication and Computational Technologies (ICCICCT). (Kumaracoil, India, 16–17 Dec. 2016). Materials Sci. IEEE, 2016. P. 549–554. DOI: 10.1109/ICCICCT.2016.7988011.
  16. Yang Z., Chen Y., Yang S., Mak P.I., & Martins R.P. A 10.6-mW 26.4-GHz Dual-Loop Type-II Phase-Locked Loop Using Dynamic Frequency Detector and Phase Detector. IEEE Access. 2019. Vol. 8. P. 2222–2232. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2962060.
  17. Menachery A., Burt J., Chappell S., Errington R., Morris D., Smith P., Wiltshire M., Furon E., Pethig R. Dielectrophoretic characterization and separation of metastatic variants of small cell lung cancer cells. Tech. Proc. 2008 NSTI Nanotechnology Conf. and Trade Show (NSTI Nanotech). (Boston, Massachusetts, USA, 1–5 June 2016). Vol. 3. Nanotechnology 2008: Microsystems, Photonics, Sensors, Fluidics, Modeling, and Simulation. URL: https://pdfs.semanticscholar.org/2e0d/99017e184c742e09f6c737b84075041060...
  18. Adams T., Jiang A., Vyas P., Flanagan L. Separation of neural stem cells by whole cell membrane capacitance using dielectrophoresis. Methods. 2018. Vol. 133. P. 91–103. DOI: 10.1016/j.ymeth.2017.08.016.
  19. Abd Rahman N., Ibrahim F., Yafouz B. Dielectrophoresis for biomedical sciences applications: A review. Sensors. 2017. Vol. 17, Iss. 3. P. 449 (27 p.). DOI: 10.3390/s17030449.
  20. Narayanan L.K., Thompson T.L., Bhat A., Starly B., & Shirwaiker R.A. Investigating Dielectric Impedance Spectroscopy As a Non-Destructive Quality Assessment Tool for 3D Cellular Constructs. ASME 2017 12th Int. Manufacturing Science and Engineering Conf. collocated with the JSME/ASME. 2017 6th Int. Conf. Materials and Proc. (Los Angeles, California, USA, 4–8 June 2017). American Society of Mechanical Engineers Digital Collection. 2017. DOI: 10.1115/MSEC2017-2725.
  21. Pasternak G., Pentoś K., Łuczycka D., Kaźmierowska-Niemczuk M., & Lewandowicz-Uszyńska A. Dielectric Properties of Serum in Children with Suspected Immunodeficiency and Suffering from Recurrent Respiratory Infections. Preprints. 2019070155. 2019. DOI: 10.20944/preprints201907.0155.v1.
  22. Ochandio Fernández A., Olguín Pinatti C., Masot Peris R., Laguarda-Miró N. Freeze-Damage Detection in Lemons Using Electrochemical Impedance Spectroscopy. Sensors. 2019. Vol. 19, Iss. 18. P. 4051. DOI: 10.3390/s19184051.
  23. Fischer G., Handler M, Johnston P., Baumgarten D. Impedance and conductivity of bovine myocardium during freezing and thawing at slow rates-implications for cardiac cryo-ablation. Med. Eng. Phys. 2019. Vol. 74. P. 89–98. DOI: 10.1016/j.medengphy.2019.09.017.
  24. Lasitter H. Power Line Impedance Determination Using the 3 Voltmeter Measurement Method. IEEE Trans. Electromagn. Compat. 1969. Vol. 11G. P. 128–136. DOI: 10.1109/TEMC.1969.4307192.
  25. Marzetta L. An evaluation of the three-voltmeter method for AC power measurement. IEEE Trans. Instrum. Meas. 1972. Vol. 21, Iss. 4. P. 353–357. DOI: 10.1109/TIM.1972.4314042.
  26. Zekry A., Ibrahim A., Atallah A., Abouelatta M., & Shaker, A. Four voltmeter vector impedance meter based on virtual instrumentation. MAPAN. 2016. Vol. 31, Iss. 3. P. 159–167. DOI: 10.1007/s12647-016-0172-6.
  27. Yang J. Measurement of amplitude and phase differences between two RF signals by using signal power detection. IEEE Microwave Wireless Compon. Lett. 2014. Vol. 24, Iss. 3. P. 206–208. DOI: 10.1109/LMWC.2013.2293665.
  28. Антоненко Е., Мустецов Н., Штода Д. Метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости биологических жидкостей. 5-й Междунар. Радиоэлектронный Форум «Прикладная радиоэлектроника состояние и перспективы развития» (МРФ–2014) (Харьков, Украина, 14–17 октября 2014): материалы конф. Харьков, 2014. Т. 3. С. 53–55.
  29. Bertotti F., Hara M., Abatti P. A simple method to measure phase difference between sinusoidal signals. Rev. Sci. Instrum. 2010.  Vol. 81, Iss. 11. P. 115106. DOI: 10.1063/1.3498897.