DE102022133018B3 - Method and measuring system for carrying out an impedance spectroscopic measurement - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung an einem Testobjekt. Dafür wird ein breitbandiges Testsignal erzeugt, welches aus mehreren Testsignalanteilen in Form binärer Pseudo-Rausch-Folgen besteht, wobei eine vorbestimmte Bandbreite (b) des Testsignals in mindestens zwei benachbarten Sub-Bänder der Testsignalanteile aufgeteilt wird. Es folgt das Anregen des Testobjekts durch gleichzeitiges Einprägen aller Testsignalanteile in ihren Sub-Bändern. Die Reaktion des angeregten Testobjekts wird erfasst, wobei für jedes der Sub-Bänder jeweils mindestens ein zugeordneter Sensor am Testobjekt Teilmesssignale im jeweiligen Sub-Band erfasst. Die Teilmesssignale werden in parallelen Messkanälen durch Fourier-Transformation verarbeitet. Abschließend werden die verarbeiteten Teilmesssignale zu einem Messsignal zusammengesetzt, welches das Testobjekt charakterisiert. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Messsystem zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung an einem Testobjekt.The invention relates to a method for carrying out an impedance spectroscopic measurement on a test object. For this purpose, a broadband test signal is generated which consists of several test signal components in the form of binary pseudo-noise sequences, with a predetermined bandwidth (b) of the test signal being divided into at least two adjacent sub-bands of the test signal components. The test object is then excited by simultaneously impressing all test signal components in their sub-bands. The reaction of the excited test object is recorded, with at least one associated sensor on the test object recording partial measurement signals in the respective sub-band for each of the sub-bands. The partial measurement signals are processed in parallel measurement channels by Fourier transformation. Finally, the processed partial measurement signals are combined to form a measurement signal which characterizes the test object. The invention also relates to a measurement system for carrying out an impedance spectroscopic measurement on a test object.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Messsystem zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung.The present invention relates to a method and a measuring system for carrying out an impedance spectroscopic measurement.
Bekannt sind unterschiedliche technische Möglichkeiten, Impedanzen an Testobjekten zu messen. Gemeinsam ist den üblichen Methoden, dass Testsignale erzeugt und deren Wirkungen auf das zu untersuchende Material als Messsignal erfasst werden. Die Erfindung beschäftigt sich mit den Aspekten derartiger Signalerzeugung und Signalerfassung und ist insoweit generell für verschiedene Methoden der Impedanzmessung anwendbar.Different technical possibilities for measuring impedances on test objects are known. What the usual methods have in common is that test signals are generated and their effects on the material to be examined are recorded as a measurement signal. The invention deals with the aspects of such signal generation and signal recording and is therefore generally applicable to various methods of impedance measurement.
Die Impedanz-Spektroskopie ist eine bekannte Methode um das elektrische Antwortverhalten von festen und flüssigen Stoffen zu ermitteln. Aus den ermittelten Parametern können dann beispielsweise Rückschlüsse auf Materialzusammensetzung, Materialqualität etc. gezogen werden. Zur Durchführung einer impedanzspektroskopischen Messung wird das zu untersuchende Testobjekt einem schwachen elektrischen Wechselfeld ausgesetzt und der elektrische Widerstand gemessen, den das Testobjekt einem Stromfluss bei gegebener Frequenz des Wechselfeldes entgegen bringt. Der Widerstand hängt von vielerlei stoffinternen, molekularen und strukturellen Effekten ab, deren frequenzabhängige Auswirkungen über ein sehr breites Frequenzband bestimmbar sind. Um die Parameter des zu untersuchenden Materials möglichst vollständig zu erfassen, sind Messungen über ein extrem breites Frequenzspektrum erforderlich. Herkömmlich werden solche Messungen unter Verwendung von Sinussignalen ausgeführt, deren Frequenz schrittweise über das betreffende Frequenzband verändert wird. Dabei werden zwei Messkonzepte benutzt, die regelmäßig als Impedanz-Analyzer und Network-Analyzer bezeichnet werden. Für Frequenzen unterhalb 10 - 100 MHz kommen meist Impedanz-Analyzer zum Einsatz. Über 100 MHz werden zumeist Network-Analyzer verwendet. Typischerweise handelt es sich dabei um Laborgeräte, die nicht für den Einsatz als industrieller Sensor geeignet sind. Die Signalerzeugung ist aufwendig und verursacht eine große Messzeit, da die Messfrequenzen sequenziell durchfahren werden.Impedance spectroscopy is a well-known method for determining the electrical response of solid and liquid materials. The parameters determined can then be used to draw conclusions about material composition, material quality, etc. To carry out an impedance spectroscopic measurement, the test object to be examined is exposed to a weak alternating electrical field and the electrical resistance that the test object offers to a current flow at a given frequency of the alternating field is measured. The resistance depends on many internal, molecular and structural effects, the frequency-dependent effects of which can be determined over a very broad frequency band. In order to record the parameters of the material to be examined as completely as possible, measurements over an extremely broad frequency spectrum are required. Such measurements are traditionally carried out using sinusoidal signals, the frequency of which is changed step by step over the relevant frequency band. Two measurement concepts are used, which are regularly referred to as impedance analyzers and network analyzers. For frequencies below 10 - 100 MHz, impedance analyzers are usually used. Above 100 MHz, network analyzers are usually used. These are typically laboratory devices that are not suitable for use as industrial sensors. Signal generation is complex and causes a long measurement time, since the measurement frequencies are run through sequentially.
Die
Die
Die Charakterisierung und Analyse der Zusammensetzung von Materialien bzw. allgemein von zu untersuchenden Substanzen mittels Impedanz-Spektroskopie gestattet kontinuierlich arbeitende Messverfahren bzw. Messsysteme, die nicht zerstörend arbeiten und keine Probenentnahme erfordern. Die Methode nutzt die materialspezifischen Transport- oder Verschiebemechanismen von freien oder gebundenen elektrischen Ladungsträgern. Aus makroskopischer Sicht wird das Verhalten der Ladungsträger durch die frequenzabhängige Permittivitätszahl ε(f) beschrieben. Die Permittivität (dielektrische Leitfähigkeit) einer Substanz ist eine komplexwertige Funktion in Abhängigkeit von der Frequenz, die typischer Weise als Produkt der Permittivität des Vakuums ε0 und der relativen Permittivität εr(f) der betrachteten Substanz dargestellt wird. Größe und Frequenzabhängigkeit der Permittivität hängen vom betrachteten Material ab bzw. von dessen Zusammensetzung aus Grundstoffen, Verschmutzungen, Kontaminierung etc. Somit besteht bei der impedanzspektroskopischen Messung die Anforderung, aus der Messung der Permittivität rückwirkend auf die Zusammensetzung oder Qualität einer Substanz (Testobjekt) schließen zu können. Das erfordert die Lösung eines inversen Problems. Derartige Problemstellungen tendieren zu mehrdeutigen und widersprüchlichen Lösungen. Um dem entgegen zu wirken, sind so viel wie möglich und so vielschichtig wie möglich Informationen über das Testobjekt zu sammeln. Übertragen auf die Methode der Impedanz-Spektroskopie bedeutet dies, dass die Wechselwirkung eines elektrischen Feldes mit dem Testobjekt über ein möglichst breites Frequenzband beobachtet werden muss, um mehrere physikalische Wechselwirkungsmechanismen erfassen zu können. Im Fall der Impedanz-Spektroskopie beschränkt man sich regelmäßig auf Frequenzen des Mikrowellenbereiches und darunter. Innerhalb dieser Frequenzbereiche basieren die typischen Wechselwirkungen auf Relaxationsphänomenen mit spezifischen Relaxationszeiten.The characterization and analysis of the composition of materials or, in general, of substances to be examined using impedance spectroscopy allows continuously operating measurement methods or measurement systems that are non-destructive and do not require sampling. The method uses the material-specific transport or displacement mechanisms of free or bound electrical charge carriers. From a macroscopic point of view, the behavior of the charge carriers is described by the frequency-dependent permittivity number ε(f). The permittivity (dielectric conductivity) of a substance is a complex-valued function depending on the frequency, which is typically represented as the product of the permittivity of the vacuum ε 0 and the relative permittivity ε r (f) of the substance under consideration. The size and frequency dependence of the permittivity depend on the material in question or on its composition of basic materials, impurities, contamination, etc. Thus, the impedance spectroscopic measurement requires that the composition or quality of a substance (test object) can be deduced retrospectively from the permittivity measurement. This requires the solution of an inverse problem. Such problems tend to lead to ambiguous and contradictory solutions. To counteract this, as much information as possible and as diverse as possible must be collected about the test object. Applied to the method of impedance spectroscopy, this means that the interaction of an electric field with the test object must be observed over as wide a frequency band as possible in order to be able to record several physical interaction mechanisms. In the case of impedance spectroscopy, one usually restricts oneself to frequencies in the microwave range and below. Within these frequency ranges, the typical interactions are based on relaxation phenomena with specific relaxation times.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung. Dieses Verfahren soll es insbesondere gestatten, die impedanzspektroskopische Messung schneller als nach herkömmlichen Methoden, mit einfachen technischen Mitteln und vor allem über ein extrem breites Frequenzband auszuführen, sodass materialspezifische Parameter des Testobjektes mit hoher Genauigkeit bestimmbar sind.One object of the invention is to provide an improved method for carrying out an impedance spectroscopic measurement. This method should in particular allow the impedance spectroscopic measurement to be carried out more quickly than with conventional methods, with simple technical means and, above all, over an extremely wide frequency band, so that material-specific parameters of the test object can be determined with high accuracy.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung werden zunächst einige wesentliche Erkenntnisse dargestellt, die der Erfindung zugrunde liegen. In vielen potenziellen Anwendungsfeldern, wie z. B. dem Inline-Monitoring von strömenden Flüssigkeiten, ist die Zeit zum Erfassen eines kompletten Impedanz-Spektrums sehr begrenzt. Das bringt herkömmliche Messverfahren (Impedance Analyzer, Network Analyzer) schnell an ihre Grenzen, da diese Geräte in sequenziellen Schritten den erforderlichen Frequenzbereich durchfahren, was zu einer lang andauernden Messung führt und außerdem aufwendige Sinus-Signalgeneratoren erfordert, die ein breitbandiges Frequenzband abdecken können. Ein Ansatz zur signifikanten Verringerung der Messzeit wird darin gesehen, das zu untersuchende Testobjekt gleichzeitig mit sehr vielen Frequenzen anzuregen. Dafür wird ein breitbandiges Testsignal benötigt, welches gleichzeitig alle Spektralkomponenten enthält; das Testsignal soll also eine große „Augenblicksbandbreite“ aufweisen. Gleichzeitig muss aber sichergestellt werden, dass die Gesamtleistung des Testsignals bestimmte Werte nicht überschreitet, um Überhitzung oder Zerstörung des Testobjektes zu vermeiden. Die gesuchte Permittivität εr des Testobjektes (meist eine feste oder flüssige Substanz) ist ein Materialparameter, der nicht direkt gemessen werden kann. Eine messbare Größe ist z. B. die frequenzabhängige Admittanz Y (f) eines Kondensators, dessen Dielektrikum durch die Messsubstanz gebildet ist. Geht man aus Gründen der Vereinfachung zunächst davon aus, dass die Permittivität des Testmaterials frequenzunabhängig ist, ergibt sich innerhalb des Frequenzbandes eine Variationsbreite der Admittanzamplitude, wobei die Variationsbreite des Messwertes in der gleichen Größenordnung wie die Variationsbreite der Frequenz liegt. Bei einem angestrebten Frequenzintervall von z. B. 12 Dekaden, würde man also ein Messgerät benötigen, welches eine Admittanz ebenfalls über 12 Größenordnungen messen kann. Da vorgabegemäß alle Frequenzen gleichzeitig auftreten sollen, ist eine Messbereichsumschaltung für das Admittanzmessgerät nicht möglich. Die präzise Messung einer Admittanz über 12 Dekaden in einem einzigen Messbereich ist mit heutigen Bauelementen physikalisch nicht möglich.To better understand the invention, some of the key findings on which the invention is based are first presented. In many potential fields of application, such as inline monitoring of flowing liquids, the time to record a complete impedance spectrum is very limited. This quickly pushes conventional measurement methods (impedance analyzer, network analyzer) to their limits, as these devices run through the required frequency range in sequential steps, which leads to a long measurement time and also requires complex sine signal generators that can cover a broadband frequency band. One approach to significantly reducing the measurement time is to excite the test object to be examined with a large number of frequencies at the same time. This requires a broadband test signal that contains all spectral components at the same time; the test signal should therefore have a large "instantaneous bandwidth". At the same time, however, it must be ensured that the total power of the test signal does not exceed certain values in order to avoid overheating or destruction of the test object. The desired permittivity ε r of the test object (usually a solid or liquid substance) is a material parameter that cannot be measured directly. One measurable quantity is, for example, the frequency-dependent admittance Y (f) of a capacitor whose dielectric is formed by the substance being measured. If, for the sake of simplicity, we initially assume that the permittivity of the test material is frequency-independent, there is a range of variation in the admittance amplitude within the frequency band, with the range of variation of the measured value being in the same order of magnitude as the range of variation of the frequency. For a desired frequency interval of, for example, 12 decades, we would therefore need a measuring device that can also measure an admittance over 12 orders of magnitude. Since all frequencies are to occur simultaneously, it is not possible to switch the measuring range for the admittance measuring device. The precise measurement of an admittance over 12 decades in a single measuring range is physically impossible with today's components.
Die Erfindung gestattet es überraschenderweise, diese scheinbar widersprüchlichen Anforderungen trotzdem physikalisch und technisch zu erfüllen. Sie schafft damit völlig neue Messmöglichkeiten und Einsatzfelder für die impedanzspektroskopische Messung von Materialien bzw. Substanzen.Surprisingly, the invention makes it possible to meet these seemingly contradictory requirements physically and technically. It thus creates completely new measurement possibilities and fields of application for the impedance spectroscopic measurement of materials or substances.
Ausgehend von diesen Überlegungen wird die o.g. Aufgabe durch ein Verfahren gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie durch ein Messsystem gemäß Anspruch 9 gelöst. In den abhängigen Unteransprüchen sind bevorzugte Ausführungsformen genannt, wobei dies keine abschließende Aufzählung von Variationsmöglichkeiten darstellt.Based on these considerations, the above-mentioned object is achieved by a method according to the appended
Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt ein breitbandiges Testsignal mit großer Augenblicksbandbreite erzeugt, welches in mehrere Testsignalanteile in Form binärer Pseudo-Rausch-Folgen zergliedert ist. Es gibt mehrere Möglichkeiten sehr breitbandige Signale zu erzeugen. Eine sehr einfache, kosteneffiziente und Leistung sparende Methode ist die Erzeugung von binären Pseudo-Rausch-Folgen, z. B. eine M-Sequenz. Nachfolgend wird die Erfindung unter Nutzung von M-Sequenzen als Testsignal beschrieben, die Anwendbarkeit anderer binärer Pseudo-Rausch-Folgen ist damit aber nicht ausgeschlossen. Neben der Bezeichnung M-Sequenz ist auch die Bezeichnung MLBS (maximum length binary sequence) gebräuchlich. Die Erzeugung einer M-Sequenz ist bis zu hohen Frequenzen relativ einfach möglich, vorzugsweise indem ein stabiler Taktgenerator ein digitales, linear rückgekoppeltes Schieberegister (LFSR) anstößt. Ein solches Schieberegister besteht aus einer Anzahl n von Flip-Flops, die geeignet rückgekoppelt sind, um eine M-Sequenz zu erzeugen (im
Eine M-Sequenz ist ein periodisches Signal, dessen Periode aus scheinbar zufällig verteilten positiven und negativen Elementarimpulsen - so genannten Chips - besteht.An M-sequence is a periodic signal whose period consists of apparently randomly distributed positive and negative elementary pulses - so-called chips.
Die Anzahl N der Chips pro Periode wird durch die Ordnung n der M-Sequenz, also die Anzahl der Flip-Flops im LFSR, bestimmt:
Die Dauer eines Elementarimpulses wird durch die Taktrate des Generators festgelegt:
Die Dauer einer M-Sequenz Periode ist somit:
Unterzieht man eine M-Sequenz einer Fourier-Transformation erhält man ein Linienspektrum. Ein Signal mit einem Linienspektrum kann man auch als eine Überlagerung von mehreren Sinussignalen unterschiedlicher Frequenz verstehen; im vorliegenden Fall sind das die gewünschten Sinusfrequenzen
Die Amplituden der entsprechenden Sinuskomponenten folgen dabei einer sinc2- Funktion. Es zeigt sich, dass alle Spektralkomponenten (Sinuskomponenten) mit Frequenzen kleiner fc/2 nahezu die gleiche Leistung haben, während darüber liegende Spektralanteile immer schwächer werden. Für die Stimulation eines Testobjektes wären sie somit kaum noch geeignet. Daher werden gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform bei der Erzeugung des Testsignals alle Frequenzen größer fc/2 ausgeschlossen. Um das auch praktisch garantieren zu können, werden die unerwünschten Spektralanteile durch ein Tiefpassfilter unterdrückt. Aus Gründen einer einfachen Darstellung wird nachfolgend von einem idealen Rechtecktiefpass mit der Grenzfrequenz fc/2 ausgegangen.The amplitudes of the corresponding sine components follow a sinc 2 function. It can be seen that all spectral components (sine components) with frequencies less than f c /2 have almost the same power, while spectral components above this become weaker and weaker. They would therefore hardly be suitable for stimulating a test object. Therefore, according to a particularly preferred embodiment, all frequencies greater than f c /2 are excluded when generating the test signal. In order to be able to guarantee this in practice, the undesirable spectral components are suppressed by a low-pass filter. For the sake of simplicity, an ideal rectangular low-pass filter with the cut-off frequency f c /2 is assumed below.
Als Testsignal steht somit zunächst die M-Sequenz (oder eine vergleichbare binäre Pseudo-Rausch-Folge) zur Verfügung, welche gleichzeitig über die Frequenzen
Die Verwendung von M-Sequenzen (oder vergleichbarer binärer Pseudo-Rausch-Folgen) vereinfacht sowohl die Erzeugung des Testsignals als auch die Erfassung und Verarbeitung der am zu untersuchenden Testobjekt gewonnenen Messsignale, wie es sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt.The use of M-sequences (or comparable binary pseudo-noise sequences) simplifies both the generation of the test signal and the acquisition and processing of the measurement signals obtained from the test object to be examined, as will be described below.
Für die Erfindung ist es wesentlich, dass das Testsignal mit der gewünschten großen Bandbreite b in mindestens zwei Testsignalanteile aufgeteilt wird, die in benachbarten Sub-Bändern liegen. Dazu werden mindestens zwei parallele Kanäle in einem Messsystem realisiert, die mit demselben Takt gespeist werden, jedoch die große Bandbreite b auf ein vorbestimmtes engeres Frequenzband (Sub-Band) beschränken und dafür jeweils eine M-Sequenz bilden, die dann als Testsignalanteil zur Verfügung steht.It is essential for the invention that the test signal with the desired large bandwidth b is divided into at least two test signal components that lie in adjacent sub-bands. For this purpose, at least two parallel channels are implemented in a measuring system that are fed with the same clock, but limit the large bandwidth b to a predetermined narrower frequency band (sub-band) and form an M-sequence for each of them, which is then available as a test signal component.
Im nächsten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt werden die mehreren M-Sequenzen (oder vergleichbare binäre Pseudo-Rausch-Folgen) zum Zweck der Messung einem Testobjekt eingeprägt, d. h. das Testobjekt wird von dem Testsignal angeregt, welches durch die mindestens zwei, vorzugsweise zahlreiche Testsignalanteile repräsentiert wird. Bei dem Testobjekt handelt es sich beispielsweise um eine feste oder flüssige Substanz, insbesondere eine hinsichtlich ihrer Parameter zu untersuchende Materialmischung. Solche Testobjekte sind regelmäßig in einer Messschaltung eingebettet.In the next step of the method according to the invention, the multiple M-sequences (or comparable binary pseudo-noise sequences) are impressed on a test object for the purpose of measurement, ie the The test object is excited by the test signal, which is represented by at least two, preferably numerous test signal components. The test object is, for example, a solid or liquid substance, in particular a material mixture to be examined with regard to its parameters. Such test objects are regularly embedded in a measuring circuit.
Die Reaktion des Testobjekts auf das Testsignal (Testsignalanteile) stellt das Messsignal dar, welches im nächsten Schritt in geeigneter Form zu erfassen ist. Als Methoden zur Messsignal-Erfassung kommen gemäß bevorzugten Ausführungsformen Nyquist Sampling, Interleaved Sampling oder Überabtastung mit optionaler Tiefpassfilterung zum Einsatz. All diese Methoden erfordern die Bandbegrenzung des Testsignals auf die Hälfte der jeweiligen Taktrate des LFSR. Das wird durch ein Tiefpassfilter erreicht, welches prinzipiell an beliebiger Stelle zwischen LSFR und einem Analog/DigitalWandler (ADC) angeordnet sein kann. Bei Überabtastung ist auch eine digitale Implementierung möglich, so dass analoge Filter entfallen können. Eine Aufteilung auf mehrere Filter ist ebenso möglich.The reaction of the test object to the test signal (test signal components) represents the measurement signal, which must be recorded in a suitable form in the next step. According to preferred embodiments, Nyquist sampling, interleaved sampling or oversampling with optional low-pass filtering are used as methods for recording the measurement signal. All of these methods require the band limitation of the test signal to half the respective clock rate of the LFSR. This is achieved by a low-pass filter, which can in principle be arranged anywhere between the LSFR and an analog/digital converter (ADC). With oversampling, a digital implementation is also possible, so that analog filters can be omitted. Division into several filters is also possible.
Die genannten und ähnliche Varianten der Messwerterfassung liefern einen Datenstrom von N=2n-1 digitalisierten Spannungswerten pro Messung. Für die Weiterverarbeitung müssen die gewonnenen Messsignale einer Fourier-Transformation (im praktischen Fall einer FFT - Fast-Fourier-Transformation) unterzogen werden, um die spektrale Zusammensetzung des Messsignals zu erhalten. Dieses Vorgehen entspricht letztlich einer (virtuellen) Anregung des Testobjektes mit Sinussignalen (Testsignal).The above-mentioned and similar variants of measured value acquisition provide a data stream of N=2 n -1 digitized voltage values per measurement. For further processing, the measurement signals obtained must be subjected to a Fourier transformation (in the practical case an FFT - Fast Fourier Transformation) in order to obtain the spectral composition of the measurement signal. This procedure ultimately corresponds to a (virtual) excitation of the test object with sinusoidal signals (test signal).
Insbesondere die Baugruppen des LFSR und die erforderlichen Taktteiler, welche das Taktsignal unterteilen und den parallelen Kanälen zuführen, können als reale Schaltungen implementiert sein oder auch durch einen Algorithmus in einem frei programmierbaren Digital-Schaltkreis (z. B. FPGA oder DSP) abgebildet werden. Letzteres bleibt allerdings bei derzeit üblichen Bauelementen auf Taktraten unterhalb einiger 10 MHZ beschränkt.In particular, the LFSR components and the required clock dividers, which divide the clock signal and feed it to the parallel channels, can be implemented as real circuits or can be mapped by an algorithm in a freely programmable digital circuit (e.g. FPGA or DSP). However, the latter remains limited to clock rates below a few 10 MHz with currently common components.
Bei Anwendung der erwähnten bevorzugten Bandbegrenzung lässt sich der technische Aufwand reduzieren und eine besonders stabile Arbeitsweise des Gesamtsystems sicherstellen, da alle zeitkritischen Teilkomponenten von einer gemeinsamen Taktquelle aus bedient werden können. Das Nyquist-Sampling Theorem besagt, dass die Taktrate des Analog/Digital-Wandlers (ADC) (mindestens) doppelt so groß sein muss wie die Bandbreite des Messsignals. Somit können im vorliegenden Fall LFSR und ADC vom gleichen Taktgenerator aus bedient werden. Außerdem ermöglicht die zeitlich strenge Kopplung zwischen Test- und Messsignal die Bestimmung ihrer gegenseitigen Phase, ohne dass ein Referenzkanal zur Erfassung des Testsignals notwendig ist. Das reduziert den technischen Aufwand, Stromverbrauch und Datenvolumen.By applying the preferred band limitation mentioned above, the technical effort can be reduced and a particularly stable operation of the overall system can be ensured, since all time-critical subcomponents can be operated from a common clock source. The Nyquist sampling theorem states that the clock rate of the analog/digital converter (ADC) must be (at least) twice as large as the bandwidth of the measurement signal. In this case, LFSR and ADC can therefore be operated from the same clock generator. In addition, the strict temporal coupling between the test and measurement signals enables their mutual phase to be determined without the need for a reference channel to record the test signal. This reduces the technical effort, power consumption and data volume.
Wie oben dargelegt wurde, soll bei der impedanzspektroskopischen Messung (Hyper-Breitband-Messung) das Testobjekt, welches in eine Messumgebung eingebettet ist, mit Testsignalen in einem großen Frequenzbereich angeregt werden, nämlich über ein Frequenzband mit der relativen Bandbreite b. Für b können z. B. 8, 10 oder 12 Dekaden angenommen werden (b= [108 1010 1012]). Solche Signale können mit einem LFSR der Ordnung 28, 35 oder 41 erzeugt werden. Die Verkettung einer solchen Anzahl von Flip-Flops zu einem LFSR stellt technisch kein Problem dar. Die damit verbundenen Datenmengen, die pro Messung zu erfassen sind, ergeben sich für die drei Fälle zu 268 Millionen, 34 Milliarden oder 2.2 Billionen Messwerten zu je typischerweise 12 ... 16 Bit. Für ein herkömmliches SensorSystem wären dies - ohne Anwendung der Erfindung - nicht mehr handhabbare Datenmengen. Zusätzlich ist sicherzustellen, dass die Gesamtleistung des Testsignals im allgemeinen 1 mW (in vielen Fällen sogar weniger) nicht überschreiten darf, um Beschädigungen am Testobjekt auszuschließen. Diese Leistung teilt sich gleichmäßig auf alle Spektrallinien auf, so dass in herkömmlichen Sensor-Systemen pro Spektralkomponente keine vernünftig messbare Leistung mehr zur Verfügung stehen würde.As explained above, in the impedance spectroscopic measurement (hyper-broadband measurement), the test object, which is embedded in a measurement environment, is to be excited with test signals in a large frequency range, namely over a frequency band with the relative bandwidth b. For b, e.g. 8, 10 or 12 decades can be assumed (b= [10 8 10 10 10 12 ]). Such signals can be generated with an LFSR of order 28, 35 or 41. Chaining such a number of flip-flops to form an LFSR is not technically a problem. The associated data volumes that are to be recorded per measurement result in 268 million, 34 billion or 2.2 trillion measured values, each typically 12 ... 16 bits, for the three cases. For a conventional sensor system, these would be unmanageable data volumes - without application of the invention. In addition, it must be ensured that the total power of the test signal generally does not exceed 1 mW (in many cases even less) in order to prevent damage to the test object. This power is distributed evenly across all spectral lines, so that in conventional sensor systems there would no longer be any reasonably measurable power available for each spectral component.
Dieses Problem der Hyper-Breitband-Messung mit seinen widersprüchlichen Anforderungen wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst, indem die Verarbeitung auf Sub-Bänder aufgeteilt wird. Die Verarbeitung gewonnener Messsignale wird dafür kaskadiert bzw. parallelisiert, sodass man eine quasi-logarithmische Stufung der Spektrallinien des Test- oder Anregungssignals erhält. Zum begrifflichen Verständnis ist anzumerken, dass die Messkanäle, die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt werden, arbeiten parallel, sie sind aber frequenzmäßig kaskadiert. Innerhalb eines Sub-Bandes sind die Frequenzabstände äquidistant (also linear). Die Mittenfrequenzen der einzelnen Sub-Bänder sind aber logarithmisch skaliert, sodass von einer quasilogarithmischen Stufung gesprochen werden kann. Das bedeutet, dass bei tiefen Frequenzen der Abstand zwischen zwei Spektrallinien relativ klein ist, während bei hohen Frequenzen ihr Abstand immer größer wird. Da der Abstand der Spektrallinien einer M-Sequenz zwangsläufig immer äquidistant ist, lässt sich keine kontinuierliche Abstandsvergrößerung erreichen, sondern nur in Sprüngen - daher die Bezeichnung quasi-logarithmisch. Vorteilhaft führt dies zur Reduktion der Datenmenge und zur Erhöhung der Signalleistung je Spektrallinie im Vergleich zu einer rein linearen Skalierung der Messfrequenzen. Das resultierende Messsignal zeigt in diesem Sinne eine Quasi-logarithmische Frequenzachse, die sich aus dem Zusammenspiel von Schieberegistern und Taktteilern ergibt.This problem of hyper-broadband measurement with its contradictory requirements is solved by the method according to the invention by dividing the processing into sub-bands. The processing of the measurement signals obtained is cascaded or parallelized so that a quasi-logarithmic gradation of the spectral lines of the test or excitation signal is obtained. For conceptual understanding, it should be noted that the measurement channels used to carry out the method according to the invention work in parallel, but they are cascaded in terms of frequency. Within a sub-band, the frequency spacing is equidistant (i.e. linear). The center frequencies of the individual sub-bands are scaled logarithmically, so that one can speak of a quasi-logarithmic gradation. This means that at low frequencies the distance between two spectral lines is relatively small, while at high frequencies their distance becomes ever larger. Since the distance between the spectral lines of an M-sequence is necessarily always equidistant, no continuous increase in distance can be achieved, but only in jumps gen - hence the term quasi-logarithmic. This advantageously leads to a reduction in the amount of data and an increase in the signal power per spectral line compared to a purely linear scaling of the measurement frequencies. In this sense, the resulting measurement signal shows a quasi-logarithmic frequency axis, which results from the interaction of shift registers and clock dividers.
Das bereits erwähnte Erfassen der Reaktion des angeregten Testobjekts erfolgt durch an das Testobjekt angepasste Sensoren. Jedem Kanal des Messsystems, welcher in der beschriebenen Weise in einem Sub-Band arbeitet, ist mindestens ein Sensor zugeordnet, welcher an den Frequenzbereich dieses Sub-Bandes angepasst ist. Dem Fachmann sind zahlreiche Sensoren bekannt, aus denen er eine Auswahl treffen kann. Jeder Sensor erfasst im zugehörigen Sub-Band jeweils am Testobjekt Teilmesssignale, die der weiteren Verarbeitung zugeführt werden. Sensor, das Testobjekt und ggf. weitere Baueinheiten, die für die Messsignalgewinnung benötigt werden, können in ihrer Gesamtheit als eine Messumgebung bezeichnet werden, die für jeden Kanal aufzubauen ist und von denen erfindungsgemäß mindestens zwei parallel arbeitende vorgesehen sind.The aforementioned detection of the reaction of the excited test object is carried out by sensors adapted to the test object. Each channel of the measuring system, which operates in a sub-band as described, is assigned at least one sensor that is adapted to the frequency range of this sub-band. The person skilled in the art is familiar with numerous sensors from which he can make a selection. Each sensor detects partial measurement signals on the test object in the associated sub-band, which are then sent for further processing. The sensor, the test object and any other components required to obtain the measurement signals can be referred to as a whole as a measurement environment that is to be set up for each channel and of which at least two are provided to work in parallel according to the invention.
In einem nachfolgenden Verfahrensschritt werden die erfassten Teilmesssignale in parallelen Messkanälen parallel verarbeitet, nämlich durch eine Fourier-Transformation, vorzugsweise eine FFT. Abschließend werden die verarbeiteten Teilmesssignale zu einem endgültigen Messsignal zusammengesetzt, welches die Parameter des untersuchten Testobjekts repräsentiert. Das Messsignal besitzt eine quasi-logarithmische Frequenzachse und kann an weitere Einheiten ausgegeben werden und/oder auf einer Anzeigeeinheit zur Anzeige gebracht werden.In a subsequent process step, the recorded partial measurement signals are processed in parallel in parallel measurement channels, namely by a Fourier transformation, preferably an FFT. Finally, the processed partial measurement signals are combined to form a final measurement signal, which represents the parameters of the test object being examined. The measurement signal has a quasi-logarithmic frequency axis and can be output to other units and/or displayed on a display unit.
Das erfindungsgemäße Messsystem zur Ausführung einer impedanzspektroskopischen Messung an einem Testobjekt eignet sich insbesondere zur Ausführung des zuvor beschriebenen Verfahrens oder einer seiner Ausführungsformen. Das Messsystem umfasst zunächst einen Taktgenerator zur Erzeugung eines Taktsignals fc sowie mindestens einen Taktteiler, um das Taktsignal in mindestens zwei Taktsignalanteile zu unterteilen. Mindestens zwei parallel arbeitenden Messkanäle, empfangen jeweils einen Taktsignalanteil. Jeder Messkanal arbeitet in einem eigenen Sub-Band, wobei die Frequenzbereiche der benachbarten Sub-Bänder aneinander angrenzen oder sich in den Grenzbereichen ggf. teilweise überdecken. Jeder dieser parallelen Messkanäle umfasst ein linear rückgekoppeltes Schieberegister (LFSR), welches aus dem Taktsignalanteil ein Teiltestsignal in Form einer binären Pseudo-Rausch-Folge erzeugt. Jeder Messkanal besitzt eine Messumgebung mit einem Sensor, der im Sub-Band des Messkanals am Testobjekt ein Teilmesssignal erfasst, sowie einen Analog/Digital-Wandler (ADC), der das Teilmesssignal wandelt. Schließlich besitzt das Messsystem eine Recheneinheit, welche die Teilmesssignale aus den Messkanälen empfängt und unter Anwendung einer parallelen Fourier-Transformation in ein Messsignal mit quasi-logarithmischer Frequenzachse zusammensetzt.The measuring system according to the invention for carrying out an impedance spectroscopic measurement on a test object is particularly suitable for carrying out the method described above or one of its embodiments. The measuring system initially comprises a clock generator for generating a clock signal f c and at least one clock divider to divide the clock signal into at least two clock signal components. At least two measuring channels operating in parallel each receive a clock signal component. Each measuring channel operates in its own sub-band, with the frequency ranges of the neighboring sub-bands adjacent to one another or possibly partially overlapping in the border areas. Each of these parallel measuring channels comprises a linear feedback shift register (LFSR), which generates a partial test signal in the form of a binary pseudo-noise sequence from the clock signal component. Each measuring channel has a measuring environment with a sensor that detects a partial measurement signal in the sub-band of the measuring channel on the test object, and an analog/digital converter (ADC) that converts the partial measurement signal. Finally, the measuring system has a computing unit which receives the partial measurement signals from the measuring channels and, using a parallel Fourier transformation, combines them into a measurement signal with a quasi-logarithmic frequency axis.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
-
1 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Hyper-Breitband-Messsystems mit kaskadierten/parallelen Pseudo-Rausch-Einheiten zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; -
2 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Hyper-Breitband-Messsystems mit kaskadierten/parallelen Pseudo-Rausch-Einheiten; -
3 ein Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform eines Hyper-Breitband-Messsystems mit zwei separat getakteten 2-Kanal-Analog/Digital-Wandlern.
-
1 a block diagram of a first embodiment of a hyper-broadband measuring system with cascaded/parallel pseudo-noise units for carrying out the method according to the invention; -
2 a block diagram of a second embodiment of a hyper-wideband measurement system with cascaded/parallel pseudo-noise units; -
3 a block diagram of a third embodiment of a hyper-broadband measuring system with two separately clocked 2-channel analog/digital converters.
Zur Vereinfachung wird hier nur eine gleichmäßige Aufteilung auf die verschiedenen Sub-Bänder betrachtet; durch eine geeignete Wahl der LFSR-Ordnung und der Teilerfaktoren lassen sich aber auch andere Kombinationen bzw. Verteilungen erzeugen.For the sake of simplicity, only an even distribution across the various sub-bands is considered here; however, by choosing the appropriate LFSR order and the divider factors, other combinations or distributions can also be generated.
In der gezeigten Ausführungsform ist K=4 gewählt. Ein Taktgenerator 11 stellt ein Taktsignal mit einer Taktfrequenz fc bereit, welche nachfolgend, teils über Taktteiler 12, an die vier parallelen Messkanäle ❶❷❸❹ bereitgestellt wird. Jeder Messkanal besitzt ein linear rückgekoppeltes Schieberegister 13 (LFSR), welches aus einer Anzahl n von Flip-Flops besteht, die geeignet rückgekoppelt sind, um eine M-Sequenz zu erzeugen. Die Taktteiler 12 sorgen dafür, dass jedes LFSR 13 in einem anderen Sub-Band arbeitet. Innerhalb eines Sub-Bandes ist der Abstand zwischen den Spektrallinien äquidistant. Für jedes Sub-Band wird ein separater Messkanal genutzt. Die vom LFSR erzeugte binäre Pseudo-Rausch-Folge wird bevorzugt je einen angepassten Tiefpassfilter 14 gefiltert und nachfolgend jeweils einer Messumgebung 15 zugeführt. Die Tiefpassfilterung kann je nach Ausführungsform vor oder nach dem Messobjekt (der Messumgebung) vorgenommen werden. Im Falle einer Überabtastung kann sie auch digital realisiert werden und Bestandteil des Down-Sampling sein. Deshalb fehlen die Filterblöcke in den Kanälen ❸ und ❹ in
Die Signalerzeugung ist technisch wenig aufwendig und ermöglicht eine zeitparallele Messung über alle Frequenzen. Man benötigt hierzu K-Sensorelektroden, die Bestandteil der jeweiligen Messumgebung 15 sind und vorzugsweise räumlich dicht zueinander platziert werden, insbesondere wenn eine räumliche Inhomogenität des zu untersuchenden Testobjekts zu erwarten ist. Dabei müssen die verschiedenen Sensorelektroden nicht zwangsläufig identisch aufgebaut sein. Jede Messumgebung 15 liefert für das jeweilige Sub-Band ein Teilmesssignal, welches über jeweils einen zugeordneten Analog/Digital-Wandler 16 (ADC) einer Recheneinheit 17 zugeführt wird, in welcher die Teilmesssignale einer parallelen (Fast) Fourier-Transformation unterzogen und zu einem endgültigen Messsignal zusammengefügt werden. Die ADC 16, die alle oder in Gruppen zu einem Multi-Kanal-ADC zusammengefasst sein können, werden bevorzugt vom selben Taktsignal gespeist, wie eines der LFSR 13.The signal generation is technically not very complex and enables a time-parallel measurement across all frequencies. This requires K sensor electrodes, which are part of the
Zur Erläuterung der Funktionsweise soll beispielhaft von einfachsten Bedingungen ausgegangen werden, wie folgt:
- - alle LFSR sind von der gleicher Ordnung n;
- - alle Taktteiler sind ebenfalls von der Ordnung n;
- - ein Multi-Kanal ADC erfasst parallel alle Teilmesssignale; er wird mit der Frequenz fs getaktet;
- - die Messwerterfassung in allen Sub-Bändern (Messkanälen) umfasst die gleiche Zeitdauer TR.
- - all LFSRs are of the same order n;
- - all clock dividers are also of order n;
- - a multi-channel ADC records all partial measurement signals in parallel; it is clocked with the frequency f s ;
- - the measured value acquisition in all sub-bands (measurement channels) covers the same time period T R .
Bevorzugt ist vor dem ADC 17 im Kanal ❶ eine Track and Hold (T&H) Schaltung 18 vorgesehen, insbesondere wenn die analoge Eingangsbandbreite des AD-Wandlers nicht groß genug für die Bandbreite der M-Sequenz ist. Typischerweise ist das im Betriebsmodus Unterabtastung der Fall.Preferably, a track and hold (T&H)
In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Frequenzen aller auftretenden Spektrallinien zusammengefasst und an Beispielen der Frequenzumfang der einzelnen Kanäle illustriert. Dabei wird von einer Taktrate von fc=10GHz ausgegangen. Tabelle 1:
Aus den Beispielen in Tabelle 1 wird der Vorteil einer Aufspaltung in Sub-Bänder ersichtlich. In einem einstufigen bzw. 1-kanaligen Verfahren (also nur eine M-Sequenz-Stufe) müssten z. B. für eine relative Bandbreite von b=5 105 eine Anzahl von N≈106 Messwerten erfasst werden, wenn die Erfindung nicht zum Einsatz kommt. Stattdessen müssen erfindungsgemäß nur NHW=124 beim 4-kanaligen Verfahren erfasst werden. Mit zunehmender Bandbreite wird die Verbesserung immer deutlicher, denn anstelle von N≈6.8·1010 Datensamples zur Realisierung einer relativen Bandbreite von b=3.4·1010 in einer Stufe, müssen nur NHW=2044 Spannungswerte im 4-kanaligen Verfahren erfasst werden.The advantages of splitting into sub-bands are evident from the examples in Table 1. In a single-stage or 1-channel process (i.e. only one M-sequence stage), for example, a number of N≈10 6 measured values would have to be recorded for a relative bandwidth of b=5 10 5 if the invention is not used. Instead, according to the invention, only N HW =124 need to be recorded in the 4-channel process. The improvement becomes more and more apparent with increasing bandwidth, because instead of N≈6.8·10 10 data samples to achieve a relative bandwidth of b=3.4·10 10 in one stage, only N HW =2044 voltage values need to be recorded in the 4-channel process.
Bezüglich der Messwerterfassung wird in der Ausführungsform gemäß
Da diese Taktrate auch für alle weiteren Kanäle des ADCs gilt, arbeitet er Messkanal ❷ im Modus „Nyquist-Sampling“ und die Kanäle ❸ und ❹ arbeiten im Modus „Over-Sampling“. Bei den im Modus „Over-Sampling“ arbeitenden Kanälen, wird vorausgesetzt, dass die Bandbegrenzung auf digitaler Seite durch das Down-Sampling übernommen wird, so dass auf analoge Filter verzichtet werden kann. Weiterhin ist zu bemerken, dass die Zeit
Zur Erfassung aller Datensamples einer Periode wird in den Kanälen ❶ und ❷ nur eine Zeit von
Auf diese Weise werden in jedem Messkanal des Hyper-Breitband-Systems innerhalb der Zeitspanne TR4 die gleiche Anzahl von Datenpunkten zur Verfügung gestellt. Die Zeit TR4, also die Zeit einer vollständigen Messung, wird durch die kleinste zu messende Frequenz festgelegt
Alle in den
Die aufgeführten Zahlen für die Ordnung von LFSR und Teiler sowie synchrone Mittelung und Down-Sampling sind nur als Beispiele zu werten. Es gibt einen weiten Spielraum diese Zahlen den Gegebenheiten anzupassen, insbesondere auch dann wenn die Messdaten der einzelnen Subsysteme nach synchroner Mittelung und Down-Sampling nicht gleichzeitig vorliegen müssen.The numbers listed for the order of LFSR and divider as well as synchronous averaging and down-sampling are only to be regarded as examples. There is a lot of scope for adapting these numbers to the circumstances, especially if the measurement data of the individual subsystems do not have to be available at the same time after synchronous averaging and down-sampling.
Die in den
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| DE102004047042A1 (en) | 2004-09-28 | 2006-04-06 | Rohde & Schwarz Gmbh & Co Kg | Method and device for spectrum analysis of a useful or noise signal |
| EP3141898A1 (en) | 2015-09-14 | 2017-03-15 | Stichting IMEC Nederland | A bio-impedance spectroscopy system and method for bio-impedance measurement |
-
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|---|
| Einzelnen: J. Sachs, Handbook of Ultra-Wideband Short-Range Sensing - Theory, Sensors, Applications. Berlin: Wiley-VCH, 2012 |
| SACHS, Jürgen: Handbook of ultra-wideband short-range sensing: Theory, sensors, applications. Weinheim : Wiley-VCH, 2012. - ISBN 9783527408535 (P) - Deckblatt und Inhaltsverzeichnis * |
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