| Wideband impedance spectrum analyzer with arbitrary fine frequency resolution for in situ sensor applications (2009) | |||||||||||
Abstract | |||||||||||
| The application of modern sensor devices requires appropriate measurement methods and sophisticated electronic instruments in order to precisely determine the sensor response with regard to the target parameters of a medium under study. The impedance spectrum of the sensor provides multiple information, which allows for conclusions about the design of the sensor device, the sensor-medium interaction, or for advanced modeling. For this purpose, the analysis of the sensor’s impedance spectrum is well established in laboratory applications using commercial benchtop instruments. The present work introduces a novel electronics system that provides wideband high-frequency impedance spectrum analysis for portable in situ sensor applications. Unlike bulky benchtop instruments, the electronics system allows for a compact, stand-alone in situ measurement setup for laboratory as well as industrial sensor applications and very fast data acquisition. The electronics system is primarily intended for sensor applications of acoustic microsensors and capacitive sensor probes. These particular sensor applications specify the different measurement requirements on wideband and narrowband impedance spectroscopy. This provides universal applicability of the electronics system to any appropriate sensor that transduces electrical or non-electrical (such as acoustic) signals into an electrical impedance. With regard to the main objective of minimizing circuit design, a sophisticated single-board hybrid synthesizer architecture combining various analog and digital synthesis techniques has been developed, which properly meets the requirements on broad frequency coverage (10 kHz–1 GHz) with arbitrary fine frequency resolution (. Die Verwendung moderner Sensoren erfordert geeignete Messmethoden und Messinstrumente, um die Sensorantwort hinsichtlich der Zielparameter des zu untersuchenden Mediums genau zu bestimmen. Das Impedanzspektrum des Sensors liefert vielfache Informationen, die Schlussfolgerungen über den Entwurf des entsprechenden Sensors, die Sensor-Medium Interaktion oder zur weitergehenden Modellierung zulassen. Zu diesem Zweck ist die Analyse des Sensorimpedanzspektrums in Laboranwendungen unter Verwendung handelsüblicher Messinstrumente weit verbreitet. Die vorliegende Arbeit stellt ein neues Elektroniksystem vor, das breitbandige Impedanzspektrumsanalyse für ortsveränderliche in situ Sensoranwendungen zur Verfügung stellt. Im Unterschied zu den umfangreichen Labormessinstrumenten zeichnet sich das entwickelte Elektroniksystem durch einen kompakten, eigenständigen Messaufbau für Sensoranwendungen im Labor sowie industriellen Bereich aus und ermöglicht eine sehr schnelle Messdatenerfassung. Das Elektroniksystem ist hauptsächlich für Anwendungen von akustischen Mikrosensoren und kapazitiven Messsonden bestimmt. Mit diesen ausgewählten Sensoren wird den unterschiedlichen Anforderungen an schmalbandige and breitbandige Impedanzspektroskopie entsprochen. Damit kann das Elektroniksystem vielseitig für jeden Sensor verwendet werden, der elektrische oder mechanische (wie akustische) Signale in eine elektrische Impedanz wandelt. Unter Berücksichtigung der Hauptzielsetzung eines minimierten Schaltungsaufwandes wurde ein ausgereiftes Hybridsynthesizerdesign entwickelt, das verschiedene analoge und digitale Synthesetechniken kombiniert. Es bietet eine breite Frequenzabdeckung (10 kHz–1 GHz) mit beliebig feiner Frequenzauflösung ( | |||||||||||
Publication details | |||||||||||
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