本發(fā)明一般來(lái)說(shuō)涉及材料的頻譜分析，且更明確地說(shuō)涉及基于電阻抗圖譜法進(jìn)行的材料分析。

背景技術(shù)：

電阻抗圖譜法是基于材料的隨所施加電磁輻射的頻率而變的電阻抗而分析材料性質(zhì)的方法。電阻抗圖譜法的應(yīng)用包含化學(xué)應(yīng)用(例如檢測(cè)食物中的細(xì)菌生長(zhǎng))及醫(yī)學(xué)應(yīng)用(例如用于組織及血液分析)。

舉例來(lái)說(shuō)，生物組織展現(xiàn)隨頻率變化的電阻抗。組織含有具有電阻性及電容性(電荷存儲(chǔ))性質(zhì)兩者的組分，從而產(chǎn)生復(fù)雜電阻抗。阻抗的量值及阻抗對(duì)頻率的相依性兩者均隨組織成分而變?？缭筋l率范圍測(cè)量細(xì)胞的阻抗將產(chǎn)生為生物組織的特性的頻譜。因此，阻抗頻譜的改變可與組織的根本本質(zhì)的改變直接相關(guān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在用于基于使用多頻率電感性感測(cè)的電阻抗圖譜法而執(zhí)行目標(biāo)材料的頻譜材料分析的方法的所描述實(shí)例中，所述方法可包含：(a)以傳感器激勵(lì)頻率(ω)用激勵(lì)電流驅(qū)動(dòng)電感性傳感器；及(b)將時(shí)變磁場(chǎng)投射到所述目標(biāo)材料的表面上的感測(cè)區(qū)域中，從而在所述目標(biāo)材料內(nèi)感應(yīng)出渦電流。所述電感性傳感器可由傳感器阻抗z(ω)表征，所述傳感器阻抗z(ω)為所述傳感器激勵(lì)頻率(ω)與在所述目標(biāo)材料內(nèi)所感應(yīng)的所述所得渦電流的函數(shù)。所述方法進(jìn)一步包含：基于所述所感應(yīng)渦電流而針對(duì)多個(gè)傳感器激勵(lì)頻率(ω)確定表示所述目標(biāo)材料的電磁性質(zhì)的對(duì)應(yīng)多個(gè)傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量值。舉例來(lái)說(shuō)，所述方法對(duì)于確定目標(biāo)電磁性質(zhì)是有用的，所述目標(biāo)電磁性質(zhì)是以下各項(xiàng)中的至少一者：電容率ε、磁導(dǎo)率μ及電阻率ρ(或其反向?qū)щ娐师?。

根據(jù)其它實(shí)例，所述多個(gè)傳感器激勵(lì)頻率(ω)及對(duì)應(yīng)多個(gè)傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量值是針對(duì)目標(biāo)穿透深度而選擇，所述對(duì)應(yīng)多個(gè)傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量值表示所述目標(biāo)材料在所述目標(biāo)穿透深度處的電磁性質(zhì)。根據(jù)其它方面，所述方法可在共振電感性感測(cè)系統(tǒng)中使用，所述共振電感性感測(cè)系統(tǒng)包含共振傳感器，所述共振傳感器包含線圈電感器且由傳感器阻抗rp＝l/(c*rs)表征。對(duì)于多個(gè)傳感器激勵(lì)頻率(ω)，確定對(duì)應(yīng)多個(gè)傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量值是通過(guò)以下操作而完成：(a)產(chǎn)生抵消傳感器共振器阻抗rp的負(fù)阻抗，使得所述所產(chǎn)生負(fù)阻抗為在所述目標(biāo)材料中所感應(yīng)的渦電流(其反映于傳感器共振器阻抗rp中)的函數(shù)；及(b)將所述所產(chǎn)生負(fù)阻抗轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)于傳感器共振器阻抗zs(ω)測(cè)量值的傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1圖解說(shuō)明用于以電阻抗圖譜法來(lái)基于多頻率渦電流感測(cè)而分析目標(biāo)材料(受測(cè)試材料)30的電磁性質(zhì)的電感性感測(cè)系統(tǒng)的實(shí)例性功能實(shí)施例，所述電感性感測(cè)系統(tǒng)包含電感性傳感器10，所述電感性傳感器實(shí)施為傳感器電感器11及傳感器電子器件20，所述傳感器電子器件經(jīng)配置以測(cè)量多個(gè)頻率下的傳感器阻抗，所述傳感器阻抗對(duì)應(yīng)于目標(biāo)材料的電磁性質(zhì)。

圖2圖解說(shuō)明用于基于多頻率渦電流感測(cè)的電阻抗圖譜法的電感性感測(cè)系統(tǒng)的實(shí)例性電路等效實(shí)施例，所述電感性感測(cè)系統(tǒng)包含建模為變壓器初級(jí)側(cè)的傳感器電感器11，且渦電流31在建模為變壓器次級(jí)側(cè)33的目標(biāo)材料30中被感應(yīng)出，所述變壓器次級(jí)側(cè)的負(fù)載是目標(biāo)材料的阻抗35，且所述電感性感測(cè)系統(tǒng)包含經(jīng)配置以測(cè)量多個(gè)頻率zs(ω)下的傳感器阻抗的傳感器電子器件20。

圖3圖解說(shuō)明共振電感性傳感器系統(tǒng)的實(shí)例性實(shí)施例，所述共振電感性傳感器系統(tǒng)包含lc共振器110，所述lc共振器由電感/數(shù)字(idc)轉(zhuǎn)換單元120驅(qū)動(dòng)，所述idc轉(zhuǎn)換單元包含具有負(fù)阻抗的驅(qū)動(dòng)激勵(lì)電流的負(fù)阻抗級(jí)121以及提供控制負(fù)阻抗的反饋環(huán)路控制信號(hào)129的環(huán)路控制級(jí)123。

具體實(shí)施方式

在所描述實(shí)例中，設(shè)備及方法基于使用多頻率電感性感測(cè)的電阻抗圖譜法而執(zhí)行對(duì)目標(biāo)材料的頻譜材料分析。舉例來(lái)說(shuō)，目標(biāo)材料可為組織。實(shí)例性實(shí)施例及應(yīng)用圖解說(shuō)明基于使用多頻率渦電流感測(cè)的電阻抗圖譜法來(lái)測(cè)量受測(cè)試材料的電磁性質(zhì)的頻譜材料分析的各種特征及優(yōu)點(diǎn)。

實(shí)例性實(shí)施例解決使用電極來(lái)電連接到受測(cè)試材料或組織的問(wèn)題。電極的接觸阻抗(電容性或電阻性)、腐蝕、電極與受測(cè)試材料之間的化學(xué)反應(yīng)以及活體組織對(duì)電極的排斥均使電極的使用成問(wèn)題。

簡(jiǎn)要概括起來(lái)為，實(shí)例性實(shí)施例的方面包含基于所感應(yīng)(非接觸式)渦電流感測(cè)使用電感性感測(cè)來(lái)測(cè)量多個(gè)頻率下的阻抗(電阻抗圖譜法)。多頻率阻抗測(cè)量用于確定受測(cè)試目標(biāo)材料的電磁性質(zhì)(舉例來(lái)說(shuō)，電容率ε、磁導(dǎo)率μ及電阻率ρ(或其反向?qū)щ娐师?)。實(shí)例性實(shí)施例包含電感性感測(cè)電路，所述電感性感測(cè)電路經(jīng)配置以將時(shí)變磁場(chǎng)投射到目標(biāo)材料的表面上的感測(cè)區(qū)域中，從而在目標(biāo)材料內(nèi)感應(yīng)出渦電流。電感性感測(cè)電路包含傳感器，所述傳感器包含電感器線圈及傳感器電子器件，所述傳感器電子器件經(jīng)配置而以傳感器激勵(lì)頻率(ω)用激勵(lì)電流來(lái)驅(qū)動(dòng)傳感器電感器線圈，從而產(chǎn)生投射到目標(biāo)材料的對(duì)應(yīng)時(shí)變磁場(chǎng)。傳感器可由傳感器阻抗z(ω)表征，所述傳感器阻抗z(ω)為傳感器激勵(lì)頻率(ω)與在目標(biāo)材料內(nèi)所感應(yīng)的所得渦電流的函數(shù)。傳感器電子器件經(jīng)配置以基于所感應(yīng)渦電流而針對(duì)多個(gè)傳感器激勵(lì)頻率(ω)確定表示目標(biāo)材料的電磁性質(zhì)的對(duì)應(yīng)多個(gè)傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量值。在其它實(shí)例性實(shí)施例中，多個(gè)傳感器激勵(lì)頻率(ω)及對(duì)應(yīng)多個(gè)傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量值是針對(duì)目標(biāo)穿透深度而選擇，所述對(duì)應(yīng)多個(gè)傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量值表示目標(biāo)材料在目標(biāo)穿透深度處的電磁性質(zhì)。在其它實(shí)例性實(shí)施例中，電感性感測(cè)電路是共振電感性感測(cè)電路，包含：(a)傳感器共振器，其包含線圈電感器且由傳感器阻抗rp＝l/(c*rs)表征；及(b)電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換(idc)單元，其經(jīng)配置以(i)以傳感器激勵(lì)頻率(ω)用傳感器激勵(lì)電流驅(qū)動(dòng)傳感器共振器，及(ii)產(chǎn)生抵消傳感器共振器阻抗rp的負(fù)阻抗，使得所產(chǎn)生負(fù)阻抗為在目標(biāo)材料中所感應(yīng)的渦電流(其反映于傳感器共振器阻抗rp中)的函數(shù)，及(iii)將所產(chǎn)生負(fù)阻抗轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)于傳感器共振器阻抗zs(ω)測(cè)量值的傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖1圖解說(shuō)明用于電阻抗圖譜法的電感性感測(cè)系統(tǒng)的實(shí)例性功能實(shí)施例。電感性傳感器10包含傳感器電感器11及傳感器(讀出)電子器件20。電感性傳感器10鄰近受測(cè)試目標(biāo)材料30而定位。

傳感器電感器11包含線圈14。傳感器電子器件20透過(guò)傳感器電感器/線圈14以傳感器激勵(lì)頻率(ω)驅(qū)動(dòng)傳感器激勵(lì)電流，從而產(chǎn)生投射到目標(biāo)材料30的時(shí)變磁場(chǎng)16。傳感器電感器/線圈14與目標(biāo)材料30的表面之間的縱向距離是充分短的，使得由電感器/線圈產(chǎn)生的磁通量被集中于目標(biāo)材料表面的有限區(qū)域(稱為感測(cè)域19)內(nèi)。

所投射磁場(chǎng)16在目標(biāo)材料30的表面中感應(yīng)出渦電流31。渦電流31由位移電流及傳導(dǎo)電流組成，使得所述渦電流取決于：被測(cè)試的目標(biāo)材料的電磁性質(zhì)；及由電感器/線圈14產(chǎn)生的磁場(chǎng)的激勵(lì)頻率。目標(biāo)材料中的渦電流導(dǎo)致所投射時(shí)變磁場(chǎng)中的功率損失，且導(dǎo)致傳感器電感器/線圈14與在目標(biāo)材料中所感應(yīng)的渦電流之間的互電感改變。

如連同圖2進(jìn)一步所描述，在目標(biāo)材料30中所感應(yīng)的渦電流31的效應(yīng)由電感性傳感器10感測(cè)為傳感器阻抗zs(ω)，所述傳感器阻抗zs(ω)為時(shí)變磁場(chǎng)16的激勵(lì)頻率與目標(biāo)材料的電磁性質(zhì)(此反映于在目標(biāo)材料中所感應(yīng)的渦電流中)的函數(shù)。在渦電流穿透目標(biāo)材料30時(shí)，渦電流密度以指數(shù)方式衰減，如圖1中所指示。穿透深度由以下式子給出：

此為傳感器激勵(lì)頻率ω(rad/sec.)與目標(biāo)材料30的電磁性質(zhì)的函數(shù)，所述電磁性質(zhì)是以下各項(xiàng)中的至少一者：電容率ε、磁導(dǎo)率μ及電阻率ρ(或其反向?qū)щ娐师?。

對(duì)應(yīng)于傳感器阻抗zs(ω)的傳感器阻抗測(cè)量值rp為由方程式(1)給出的穿透深度的函數(shù)。

圖2圖解說(shuō)明用于基于多頻率渦電流感測(cè)的電阻抗圖譜法的電感性感測(cè)系統(tǒng)的實(shí)例性電路等效實(shí)施例。

電感性傳感器10包含具有電感器/線圈14的傳感器電感器11，此可表示為傳感器電感l(wèi)s及損耗因子(串聯(lián)電阻rs)。

傳感器電感器11可建模為變壓器的初級(jí)側(cè)。目標(biāo)材料30圖解說(shuō)明為電路等效物，其中所感應(yīng)渦電流31建模為變壓器的次級(jí)側(cè)33，所述次級(jí)側(cè)的負(fù)載是受測(cè)試目標(biāo)材料的阻抗35。

初級(jí)側(cè)14與次級(jí)側(cè)33之間的耦合因子m對(duì)距離(d)及因此對(duì)穿透深度具有強(qiáng)相依性。圖1中所圖解說(shuō)明且方程式(1)所給出的此穿透深度對(duì)傳感器激勵(lì)頻率(ω)的函數(shù)具有強(qiáng)非線性相依性。

因此，目標(biāo)材料30的電磁性質(zhì)可通過(guò)以下方式而確定：測(cè)量以個(gè)傳感器激勵(lì)頻率(ω)下的傳感器阻抗zs(ω)，并求解電容率ε、磁導(dǎo)率μ及電阻率ρ(或其反向?qū)щ娐师?：

為了提取電參數(shù)(例如電容率及電阻率)，多頻率傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量值可近似對(duì)應(yīng)于目標(biāo)材料內(nèi)的特定穿透深度的頻率。舉例來(lái)說(shuō)，對(duì)于對(duì)應(yīng)于約10mhz的較低頻率測(cè)量的目標(biāo)穿透深度，可使用約9mhz及11mhz的傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量，而對(duì)于對(duì)應(yīng)于約100mhz的較高頻率測(cè)量的目標(biāo)穿透深度，可使用約95mhz及105mhz的傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量。

由于測(cè)量多個(gè)頻率下的傳感器阻抗zs(ω)會(huì)在不同趨膚(穿透)深度處感應(yīng)出渦電流，因此基于多頻率渦電流感測(cè)的電感性感測(cè)對(duì)于目標(biāo)材料內(nèi)的不同目標(biāo)穿透深度(例如不同組織深度)處的頻譜分析是有用的。舉例來(lái)說(shuō)，在于較高頻率(例如100mhz)下進(jìn)行的組織目標(biāo)的頻譜分析的情形中，渦電流局限于上部組織層(穿透深度較小)，且因此傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量?jī)H觀察此上部組織層。在較低頻率(例如10mhz)下，趨膚(穿透)深度變得較大，因此渦電流流動(dòng)的更深，且傳感器阻抗zs(ω)測(cè)量觀察較少上部組織層及較多更深組織。

校準(zhǔn)循環(huán)對(duì)于消除材料分析系統(tǒng)的頻率相依行為是有用的，例如在受測(cè)試目標(biāo)材料的電磁性質(zhì)具有頻率相依行為的情況下。

若干優(yōu)點(diǎn)源自基于使用多頻率渦電流感測(cè)的電阻抗圖譜法進(jìn)行的頻譜材料分析。電感性感測(cè)是非接觸式(非侵入式)的，從而避免電極與受測(cè)試材料相接觸且借此避免化學(xué)或腐蝕性相互作用。集中式投射感測(cè)場(chǎng)可用于集中式感測(cè)區(qū)域。受測(cè)試材料/目標(biāo)/組織之間可使用絕緣體。

圖3圖解說(shuō)明共振電感性傳感器100的實(shí)例性實(shí)施例，所述共振電感性傳感器用于基于渦電流感測(cè)而測(cè)量傳感器阻抗zs(ω)且因此用于基于使用多頻率渦電流感測(cè)的電阻抗圖譜法而進(jìn)行頻譜材料分析。

共振電感性傳感器100包含lc傳感器共振器110及電感/數(shù)字轉(zhuǎn)換(idc)單元(傳感器電子器件)120。傳感器共振器110包含線圈電感器114且由電阻性損耗因子rs或電路等效并聯(lián)傳感器阻抗rp＝l/(c*rs)表征，所述電路等效并聯(lián)傳感器阻抗將lc電抗性阻抗(頻率相依)考慮在內(nèi)。

用于頻譜材料分析的渦電流感測(cè)將導(dǎo)致共振器阻抗(損耗因子rp)基于受測(cè)試目標(biāo)材料的電磁性質(zhì)而改變。共振器阻抗zs(ω)的此改變由idc120轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)于目標(biāo)材料的電磁性質(zhì)的傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)1/rp。

idc120基于抵消正共振器阻抗rp的負(fù)阻抗而確定共振器阻抗zs(ω)。明確地說(shuō)，idc120用ac傳感器激勵(lì)電流驅(qū)動(dòng)共振器110，其中傳感器激勵(lì)頻率(ω)與共振器的振蕩頻率同步。idc120建立負(fù)阻抗控制環(huán)路，所述負(fù)阻抗控制環(huán)路驅(qū)動(dòng)具有負(fù)阻抗的共振器110以通過(guò)抵消共振器阻抗rp(損耗因子)而維持持續(xù)共振器振蕩。

實(shí)例性idc120包含負(fù)阻抗級(jí)121及環(huán)路控制級(jí)123。介接到傳感器共振器110的負(fù)阻抗級(jí)121驅(qū)動(dòng)與共振器振蕩電壓vin1/vin2同步的具有環(huán)路控制式負(fù)阻抗的共振器激勵(lì)電流idrv1/idrv2。環(huán)路控制級(jí)123監(jiān)測(cè)平均共振器振蕩振幅(115)且提供反饋環(huán)路控制信號(hào)129，所述反饋環(huán)路控制信號(hào)控制負(fù)阻抗以維持持續(xù)共振器振蕩(在實(shí)例性idc中，對(duì)應(yīng)于維持基本上恒定平均共振器振蕩振幅)。

因此，idc共振傳感器電路120建立負(fù)阻抗控制環(huán)路(121/123)，所述負(fù)阻抗控制環(huán)路驅(qū)動(dòng)具有受控制負(fù)阻抗(129)的傳感器共振器(idrv1/idrv2)、控制平均共振器振蕩振幅以維持共振器振蕩。受控制負(fù)阻抗抵消共振器阻抗rp(損耗因子)以用于持續(xù)共振器振蕩。

實(shí)例性idc120包含測(cè)量傳感器共振器110的共振器振蕩頻率的頻率檢測(cè)器125。舉例來(lái)說(shuō)，頻率檢測(cè)器125可利用頻率計(jì)數(shù)器而實(shí)施。共振器振蕩頻率對(duì)于基于傳感器阻抗的電抗性部分而確定傳感器共振器110(線圈電感器114)的電感是有用的。共振頻率響應(yīng)于傳感器阻抗rp的電抗性部分的改變而改變。

idc120輸出對(duì)應(yīng)于傳感器阻抗zs(ω)的傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)(1/rp)及頻率。zs(ω)(1/rp)對(duì)應(yīng)于控制抵消傳感器阻抗rp的負(fù)阻抗的環(huán)路控制信號(hào)129。因此，從idc120輸出的傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)使負(fù)阻抗的改變量化，所述改變抵消共振器阻抗zs(ω)(損耗因子)的改變。

包含傳感器阻抗的電抗性部分的共振器阻抗zs(ω)(1/rp＝c/l*rs)反映傳感器的總阻抗。因此，多頻率共振器阻抗zs(ω)測(cè)量對(duì)于確定受測(cè)試目標(biāo)材料的電磁性質(zhì)是有用的。特定來(lái)說(shuō)，雖然金屬目標(biāo)是電感性的，但非金屬導(dǎo)電目標(biāo)(例如組織)并非如此。

idc分辨率是確定線圈直徑的重要因子。對(duì)于實(shí)例性10位idc，頻率及線圈大小應(yīng)經(jīng)選擇使得線圈直徑介于趨膚深度的5％到10％的范圍內(nèi)。

在權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)，在所描述實(shí)施例中可做出修改，且其它實(shí)施例是可能的。