PCB的差分阻抗测试技术
作者: 周英航上网日期: 2006年11月10日打印版订阅
关键字：PCB电路板TDR真差分TDR特征阻抗Coupon
为了提高传输速率和传输距离，计算机行业和通信行业越来越多的采用高速串行总线。在芯片之间、板卡之间、背板和业务板之间实现高速互联。这些高速串行总线的速率从以往USB2.0、LVDS以及FireWire1394的几百Mbps到今天的PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2 、XAUI/2XAUI、XFI的几个Gbps乃至10Gbps。计算机以及通信行业的PCB客户对差分走线的阻抗控制要求越来越高。这使PCB生产商以及高速PCB设计人员所面临的前所未有的挑战。本文结合PCB行业公认的测试标准IPC-TM-650手册，重点讨论真差分TDR测试方法的原理以及特点。
IPC-TM-650手册以及PCB特征阻抗测试背景
IPC-TM-650测试手册是一套非常全面的PCB行业测试规范，从PCB的机械特性、化学特性、物理特性、电气特性、环境特性等各方面给出了非常详尽的测试方法以及测试要求。其中PCB板电气特性要求在第2.5节中描述，而其中的2.5.5.7a(IPC-TM-650官方网站下载链接https://www.doczj.com/doc/4115582756.html,/4.0_Knowledge/4.1_Standards/test/2-5-5-7a.pdf)则全面的介绍了PCB特征阻抗测试方法和对相应的测试仪器要求，重点包括单端走线和差分走线的阻抗测试。
TDR的基本原理及IPC-TM-650对TDR设备的基本要求
1.TDR的基本原理
图1是一个阶跃信号在传输线(如PCB的走线)上传输时的示意图。而传输线是通过电介质与GND分隔的，就像无数个微小的电容的并联。电信号到达某个位置时，就会令该位置上的电压产生变化，就像是给电容充电。因此，传输线在此位置上是有对地的电流回路的，因
此就有阻抗的存在。但是该阻抗只有阶跃信号自身才能“感觉到”，这就是我们所说的特征阻抗。
当传输线上出现阻抗不连续的现象时，在阻抗变化的地方阶跃信号就会产生反射的现象，如果将反射信号进行取样并显示在示波器的屏幕上，就会得出如图2所示的波形，从波形中我们可以看出一条被测试的传输线在不同位置上的阻抗变化。
同时我们可以比较图2中的两个波形。这是使用两台分辨率不同的TDR设备在测试同一条传输线时获得的测试结果。对于传输线阻抗变化的反映一个明显而另一个不明显。TDR设备感知传输线阻抗不连续的分辨率取决于TDR设备所发出的阶跃信号上升时间的快慢，上升时间快所获得的分辨率就高。而TDR设备的上升时间往往和测试系统的带宽紧密相关，带宽高的测试系统有更快的上升时间。从另外一个角度来考虑，TDR设备的系统带宽限制了TDR测试的分辨率。在IPC-TM-650测试手册中对TDR设备的上升时间是按照系统上升时间(t sys)来定义的。当我们要测量一台TDR设备的系统上升时间时，我们可以短路一台TDR设备的输出，此时可以测出该TDR设备的(t sys)(上升时间以及下降时间)。例如图3的TDR设备的系统上升时间就高达28ps左右。
图1：阶跃信号在传输线中的传输情况
图2：TDR测试反映传输线的阻抗信息
图3
图4：另一台TDR设备的上升/下降时间测量结果
图4是另一台TDR设备的系统上升/下降时间的测试结果，系统的上升/下降时间在38ps～40ps之间。可见不同的TDR设备在系统上升/下降时间上是有很大的区别的，由此带来的就是传输线阻抗测试分辨率的很大不同。
系统上升时间和分辨率的关系可以用下列的公式来描述：
Resolution= (t sys*V)/2，V为电信号在被测试传输线上的传输速率。
为了方便测试者了解TDR测试的分辨率以及PCB板走线的最小测试长度，在IPC-TM-650测试手册的表4-1(图5)中给出了速查数据。
图5：IPC-TM-650测试手册给出的对照表
IPC-TM-650手册对差分TDR设备的基本要求
IPC-TM-650测试手册是一套非常全面的PCB行业测试规范，从PCB的机械特性、化学特性、物理特性、电气特性、环境特性等各方面给出了非常详尽的测试方法以及测试要求。在以往的IPC-TM-650手册中，对PCB差分TDR测试的要求较为宽松。手册中允许测试者根据TDR测试设备的情况使用两种不同的方法。
方法一：当测试者拥有差分TDR测试设备时，测试设备同时打出两个幅度相等、方向相反的阶跃脉冲，并通过这对差分信号的相互作用直接测出差分走线的阻抗。
方法二：当测试者没有差分TDR测试设备时，测试设备在差分走线(A线与B线)时，先在A线上打出阶跃信号，测试A阶跃信号在A线上的反射特性记作AA，同时测出A阶跃信号在B线上的感应信号，记录为BA。随后，在B线上打出阶跃信号，测试B阶跃信号在B线上的反射特性记作BB，同时测出B阶跃信号在A线上的感应信号，记录为AB。通过对获得的AA、AB、BB、BA四个数值进行计算可以得出差分走线的阻抗。该方法又叫做“Super-Position”。
但是在目前最新版本(2004年3月版)的IPC-TM-650手册中，仅仅保留了方法一中的真差分TDR测试描述。而不再有方法二的“伪差分”TDR测试方法的描述。
两种差分TDR测试方法的对比
方法一：真差分测试法
如图6所示：阶跃信号A和阶跃信号B是一对方向相反、幅度相等且同时发出的差分阶跃信号。
图6：在真差分TDR测试系统上看到的波形
我们不但在差分TDR设备上看到差分的阶跃信号，而且当我们使用一台实时示波器来观测这对阶跃信号时可以证实这是真正的差分信号。
由于注入DUT(被测设备)中的TDR阶跃脉冲是差分信号，因此TDR设备可以直接测出差分走线的特征阻抗。使用差分阶跃信号进行真差分TDR测试，给使用者带来的最大好处就是可以实现虚拟接地，如图7所示。
图7：虚拟地的原理
由于差分走线和差分信号是平衡的，差分信号的中心电压点和地平面是等电势的，因此在使用差分阶跃信号进行差分TDR测试时，只要保证通道A和通道B共地，是不需要与DUT之间接地的。
方法二：“Super-Position”法(伪差分)
如图8所示，阶跃信号A和阶跃信号B不是同时打出的，且方向不是相反的，因此注入到DUT中的阶跃信号完全不是差分信号。
图8：“Super-Position”法TDR测试原理
在这种“伪差分TDR”设备自身的屏幕上，往往会经过人为的软件调整，令我们看到的阶跃信号同时发出且方向相反的。
但是如果我们用一台实时示波器来观测这两个阶跃脉冲，我们可以看到如图9所示的波形，我们可以看出两个阶跃脉冲之间的真实时序关系，存在着2us的时间差。也就是说这两个阶跃信号不是差分信号。
图9：用实时示波器观察“Super-Position”法TDR系统波形
这样的TDR阶跃脉冲称为伪差分信号，因为它并没有真正实现一个高速差分信号的传输过程，即幅度相等，方向相反。因此这种方法不能直接测出DUT的差分阻抗，只能使用软件计算的方法对差分阻抗测试进行模拟计算。在TDR设备上得到经过计算后得到的2个幅度相等，极性相反阶跃脉冲。这种差分TDR测试带来的局限性是：差分信号之间同时的相互作用无法真实地获得；无法实现虚拟接地，在进行差分TDR测试时通道A和通道B的探头都必须有各自独立的接地点。但是在PCB板内部的真实差分走线附近往往找不到接地点，导致无法在PCB板子内部对真实的差分走线进行测量。
为了解决“伪差分”TDR设备难以实现对PCB板内部真实走线进行差分TDR测量的问题，一般的PCB生产商都会在PCB板的周围做上带有接地点的差分走线测试条，称之为“Coupon”，图10就是一个典型的PCB板，上方是测试用的“Coupon”，下方是板子内部的真实走线。为了方便探头连接，测试点的间距一般做的很大，高达100mil(即2.54mm)，已经大大超过了差分走线的间距。同时还在测试点的旁边会放置接地点，间距同样是100mil。
图10：电路板上Coupon与真实走线的差别
“Coupon”测试的局限性与差异
从图10我们可以看到测试“coupon”和板内真实走线之间的差别：
1、虽然走线间距、走线宽度是一致的，但是“coupon”测试点的间距固定为100mil(即最初的双列直插式IC的引脚间距)，而板内真实走线的末端(即芯片的引脚)间距是不同的，随着QFP、PLCC、BGA封装的出现，芯片的引脚间距都远小于双列直插式IC封装(即“coupon”测试点的间距)间距。
2、“coupon”走线是理想的直线，而板内真实走线往往是弯曲的、多样的。PCB设计人员和生产人员很容易将“coupon”的走线理想化，但是PCB板上的真实走线则会因为各种各样的因素导致走线不规则化。
3、“coupon”和板内真实走线在整个PCB板上的位置不同。“coupon”都位于PCB板边沿，在PCB板出厂时往往会被生产商去掉。而板内真实走线的位置则是多样的，有的在靠近板子的边沿，有的位于板子的中央。
由于上述几个差异的存在，导致“coupon”的特征阻抗往往与板内真实走线阻抗存在如下的几个差异：
第一，“coupon”测试点间距“coupon”走线的间距不同，会导致测试点与走线之间带来阻抗不连续。而PCB板内的真实差分走线末端(即芯片的引脚)间距往往是与走线间距相等或者非常相近的。由此会带来阻抗测试结果的不同。
第二，弯曲的走线与理想的走线所反映出来的阻抗变化是不一致的。在走线弯曲转折的地方特征阻抗往往是不连续的，而“coupon”的理想化走线则不能反映由于走线弯曲所带来的阻抗不连续现象。
第三，“coupon”与真实的走线在PCB板上的位置不同。目前的PCB板都采用多层走线的设计，在生产时需要经过压制。当PCB板压制时，板子不同的位置所受到的压力不可能做到一致，这样制成的PCB板在不同的位置上介电常数往往不相同，特征阻抗也当然不同。
可见仅仅对PCB板的“coupon”进行TDR测试是不能完全反映PCB板内真实走线的真实特征阻抗的。无论是PCB板的生产商还是高速电路设计者、制造者都希望能对PCB板内的真实高速差分走线直接进行TDR测试，获得最准确的特征阻抗信息。阻碍真实测试的主要原因有以下两个：难以找到差分TDR探头的接地点，高速PCB 设计人员不会在设计高速差分走线时在走线的末端(即芯片引脚)附近放置固定间距的接地点；差分走线的末端(即芯片的引脚)间距是多变的，必需要一个间距可调的差分探头来实现探测
真差分TDR测试的优势
我们之前讨论差分TDR测试方法时，我们了解到如果TDR设备发出的阶跃信号是差分信号，就可以实现虚拟接地，即差分TDR探头无需与被测试的PCB板接地。只要测试者手中有一个间距可调的差分TDR探头即可完成测试。
图11是一个带宽高达18GHz的差分TDR探头在进行差分TDR测试时的情况。它的探针间距可以在0.5mm～4.5mm之间连续可调，即使在测试一个比圆珠笔尖还要微小的测试点时仍然可以非常从容地以单手完成操作。
图11：高带宽差分TDR探头进行精密的TDR探测
由于探头的带宽高达18GHz，因此可以获得很高的测试分辨率，图12是对一块“coupon”的差分走线进行测试时获得的结果。红色波形是对“coupon”最初的测试结果，随后在走线上贴上了一个很小的胶条(红色圆圈所示部位)然后再进行测试，获得了如白色波形的测试结果。可见由于贴上小胶条所带来的微小阻抗不连续也能够通过高带宽差分TDR探头清晰地反映出来。
图12：高带宽TDR差分探头进行PCB差分探测所获得的结果
真差分的TDR设备配合高带宽差分探头进行PCB差分特征阻抗测试时，无需在PCB板内苦苦的寻找接地点，只要探针调整到合适的间距，即可轻松的对PCB板内的真实差分走线进行探测。
本文小结：
使用一台真差分的TDR设备，利用差分信号可以实现虚拟接地的便利，配合间距可调的差分TDR探头可以轻松实现对PCB板内真实差分走线的特征阻抗测量。令高速PCB设计人员和PCB制造者在进行PCB测试时获得极高的测试效率和准确的测试结果。
交流阻抗怎么测量 交流阻抗法是电化学测试技术中一类十分重要的方法，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段。特别是近年来,交流阻抗的测试精度越来越高，超低频信号阻抗谱也具有良好的重现性，再加上计算机技术的进步，对阻抗谱解析的自动化程度越来越高，这就使我们能更好的理解电极表面双电层结构，活化钝化膜转换，孔蚀的诱发、发展、终止以及活性物质的吸脱附过程。 （1）交流阻抗：交流阻抗即阻抗，在电子学中，是指电子部件对交流激励信号呈现出的电阻和电抗的复合特性;在电化学中，是指电极系统对所施加的交流激励信号呈现出的电阻和电抗的复合特性。阻抗模的单位为欧姆，阻抗辐角(相角）的单位为弧度或度。 （2）交流阻抗谱：在测量阻抗的过程中，如果不断地改变交流激励信号的频率，则可测得随频率而变化的一系列阻抗数据。这种随频率而变的阻抗数据的集合被称为阻抗频率谱或阻抗谱。阻抗谱是频率的复函数，可用幅频特性和相频特性的组合来表示;也可在复平面上以频率为参变量将阻抗的实部和虚部展示出来。测量频率范围越宽，所能获得的阻抗谱信息越完整。RST5200电化学工作站的频率范围为：0.00001Hz～1MHz，可以很好地完成阻抗谱的测量。 （3）电化学阻抗谱：电化学阻抗谱是一种电化学测试方法，采用的技术是小信号交流稳态测量法。对于电化学电极体系中的溶液电阻、双电层电容以及法拉第电阻等参量，用电化学阻抗谱方法可以很精确地测定;而用电流阶跃、电位阶跃等暂态方法测定，则精度要低一些。另外，像扩散传质过程等需要用较长时间才能测定的特性，用暂态法是无法实现的，而这却是电化学阻抗谱的长项。 （4）电化学阻抗谱测量的特殊性：就测量原理而言，在电化学中测量电极体系的阻抗谱与在电子学中测量电子部件的阻抗谱并没有本质区别。通常，我们希望获得电极体系处于某一状态时的电化学阻抗谱。而维持电极体系的状态，须使电极电位保持不变。通常认为，电极电位变化50mV以上将会破坏现有的状态。因此，在电化学阻抗谱测量中，必须注意两个关键点，即：偏置电位和正弦交流信号幅度。 （5）正弦交流信号的幅度：为了避免对电化学电极体系产生大的影响以及希望其具有较好的线性响应，正弦交流信号的幅度通常可设在2～20mV之间。 （6）自动去偏：在电化学阻抗谱测量过程中，由于偏置电位不一定等于开路电位以及少量的非线性作用，在工作电极电流中还会含有直流成分。去除这个直流成分(偏流），可扩大交流信号的动态范围、提高信噪比。RST5200电化学工作站，可在测量过程中动态地调整去偏电流，使获得的阻抗谱数据更精准。另外，在软件界面的状态栏中，可实时显示工作电极的极化电流，供操作者参考。 以上为交流阻抗的相关说明，下面我们就实验设置过程中遇到的专业名词
#2发电机转子交流阻抗试验 技术方案 批准人： 审定人： 审核人： 编写人： 贵州黔东电力有限公司 2011年07月07日
#2发电机转子交流阻抗试验技术方案 1、试验目的: 针对#2发电机运行中震动较大等原因，对#2发电机进行:转子绕组直流电阻试验、发电机堂内转子交流阻抗试验、发电机转子两极分担电压试验。来判断发电机转子绕组是否存在匝间短路，为查找发电机震动较大提供技术数据和分析判断依据。 2、引用标准 DLT1051-2007 《电力技术监督导则》 DL/T 596-1996 《电力设备预防性试验规程》 3、使用仪器仪表 FULK 兆欧表 HDBZ-5 直流电阻测试仪 HDJZ 型发电机转子交流阻抗测试仪 5 测试内容及工作程序 5.1试验内容 5.1.1 试验方法
用铜电刷通过滑环向转子绕组施加交流电压，同时读取电流、电压和功率损耗值。 5.1.2试验接线见图1。 图1试验接线 本图较一般接线图增加了隔离变压器，因为现在大多检修电源开关都装了漏电保安器，由于转子绕组对地有电容，当交流电源接上后对地会有电容电流，就会导致漏电保安器动作跳开电源开关，因此建议前极加上一隔离变压器。如果没有隔离变压器，可直接将调压器接220V 交流电源，但接的开关不能有漏电保安器。开关容量需要60A 。 5. 2试验操作程序（步骤）： （1）试验前先确认转子绕组的励磁回路已全部断开并验电； （2）现场封闭：对试验现场进行封闭，用围栏或绳子将试验现场围起，并悬挂标示牌。 （3）按图1接好试验接线，带电空试以检查试验设备和各仪器仪表是否正常； （4）试验电压的确定 对于额定励磁电压在400V 及以下的绕组，施加的电压一般考虑为其电压峰值等于额定励磁电压。额定励磁电压大于400V 时，电压可适当降低。本机转子绕组交流阻抗较小，外施电压到100V 电流已超过40A ，故历次试验都只加到100V 电压，本次试验也可加到100V ，以便与以往数据比较。 （5）用铜电刷通过滑环向转子绕组施加交流电压，同时读取电流、电压和功率损耗值。 （6)应在静止状态下的定子膛内、膛外和在超速试验前后的额定转速下分别测量，每种工况都应在几个不同的电压下进行测量。 （7）试验完毕后，断开电源，然后需检查试验仪表是否正常。 （8）记录温度和湿度。 5. 3试验时注意事项：合电源开关向转子施加电压前必须大声通知。 转子绕组 铜刷
发电机转子交流阻抗试验方法 一、发电机转子交流阻抗试验的目的 如果转子绕组出现匝间短路，则转子绕组有效匝数就会减小，其交流阻抗就会减小，损耗会有所增大，因此，通过测量转子绕组交流阻抗和功率损耗，与历次试验数据相比，就可以有效地判断转子绕组是否有匝间短路。 二、试验方法及注意事项 1. 试验方法 向转子绕组施加交流电压，读取电压、电流及功率损耗值。 施加电压的大小通过调压器调节。 2. 试验用仪器 (1)转子交流阻抗测试仪、调压器。 (2)在现场没有转子交流阻抗测试仪时，可使用调压器、标准CT、交流电压表、交 流电流表、有功功率表。 3. 用交流阻抗测试仪测量 发电机转子交流阻抗测试仪为新型的测试仪器，装置内部自动计算电流、电压、功率、阻抗及曲线等相关数据，试验时只需调压即可，仪器会自动读取数据，并带过流过压保护报警功能。 4. 无功补偿装置的作用 无功补偿装置是通过感性电流和容性电流之间的关系，可补偿试验电流30A到100A，对于大型发电机组，本试验使用的调压器如果有条件并接无功补偿装置，则调压器容量可以大大减小，可使用6KVA、250V的调压器。如果没有无功补偿箱，调压器容量将达到10KVA，比较笨重。 5. 注意事项 (1) 阻抗和功率损耗值自行规定。在相同试验条件下与历年数值比较，不应有显著变化。 (2) 隐极式转子在膛外或膛内以及不同转速下测量。 (3)每次试验应在相同条件、相同电压下进行，试验电压峰值不超过额定励磁电压。 (4)转子到现场后，未穿入发电机前，应做膛外转子交流阻抗试验，穿入发电机后， 可做膛内测试。此项目属于单体试验，应由安装单位进行。 (5)机组整套启动前，提前准备试验仪器及接线。测试工作负责单位由调试单位和安 装单位协商进行。 (6)在机组升速过程中，选取不同的转速点测试，直到机组定速3000转。 (7)机组超速试验后，应再次进行本试验。 (8)试验时，应注意与励磁回路断开。以避免对励磁回路造成损害；受励磁设备的影 响，不能加压。 (9)试验时，应选取足够容量的外接临时电源，并不使用带漏电保护的电源开关。 (10)试验前，应确认碳刷研磨符合工艺要求，以避免影响试验数据的准确性。 6. 碳刷研磨的必要性 碳刷的弧度应研磨至和滑环的弧度一样,不然升速时转子打火很厉害,况且电弧产生熄灭间会有过电压,另外也直接影响到试验接线各环节接触的良好性，从而影响试验数据的准确性。 另外，所有的测量线最好用粗短线,因为有功功率损耗大部分消耗在转子线圈上,还有一部分会消耗在测量导线上,应尽量减少测量导线的有功损耗.
电池测试之电化学阻抗谱的详细资料简介 许多研究电池的小伙伴，在最开始接触交流阻抗相关知识时，可能会非常排斥。因为无论是巴德的《电化学原理与应用》还是曹楚南、张鉴清的《电化学阻抗谱导论》，书中都是通过严谨公式推导来讲述的。今天，我们将尽量的避开公式，尽可能的分析交流阻抗谱尤其是其在锂电池中的应用。 电化学阻抗谱是一种相对来说比较新的电化学测量技术，它的发展历史不长，但是发展很迅速，目前已经越来越多地应用于电池、燃料电池以及腐蚀与防护等电化学领域。 电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS） 即给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流正弦电势波，测量交流电势与电流信号的比值（系统的阻抗）随正弦波频率ω的变化，或者是阻抗的相位角f随ω的变化。 可以更直观的从这个示意图来看，利用波形发生器，产生一个小幅正弦电势信号，通过恒电位仪，施加到电化学系统上，将输出的电流/电势信号，经过转换，再利用锁相放大器或频谱分析仪，输出阻抗及其模量或相位角。通过改变正弦波的频率，可获得一些列不同频率下的阻抗、阻抗的模量和相位角，作图即得电化学阻抗谱-这种方法就称为电化学阻抗谱法。由于扰动电信号是交流信号，所以电化学阻抗谱也叫做交流阻抗谱。 利用EIS可以分析电极过程动力学、双电层和扩散等，可以研究电极材料、固体电解质、导电高分子以及腐蚀防护机理等。 基本思路——将电化学系统看成等效电路 利用电化学阻抗谱研究一个电化学系统时，它的基本思路是将电化学系统看作是一个等效电路，这个等效电路是由电阻（R）、电容（C）、电感（L）等基本元件按串联或并联等不同方式组合而成。通过EIS，可以定量的测定这些元件的大小，利用这些元件的电化学含义，来分析电化学系统的结构和电极过程的性质。 我们可以将内部结构未知的电化学系统当作一个黑箱，给黑箱输入一个扰动函数（激励函数），黑箱就会输出一个响应信号。用来描述扰动与响应之间关系的函数，称为传输函数。
电池交流阻抗测试 交流阻抗测试是以小振幅正弦波电压信号(或电流信号)作扰动，使电极系统产生近似线性关系的电流或电压响应，从而测量动力电池体系在某一频率范围阻抗谱的方法。这种“黑箱方法”以电压、电流为输入、输出，间接得到电池内部阻抗信息。 在研究电化学阻抗谱的过程中，研究人员基于电化学原理发现了电极界面双电层电容偏离纯电容的特性，由此引申出了分数阶模型，显著提高了对电池频域、时域特性的拟合精度。此外，动力电池交流阻抗谱与老化状态存在强烈的单调映射关系。因此，在获取动力电池交流阻抗谱后，可通过对其中某些特征参数的提取来标定动力电池SOH。 使用电化学工作站对动力电池进行EIS测试有多种方式可选，可采用二电极体系、三电极体系、四电极体系等。如图2-20所示，二电极体系包含工作电极、对电极，三电极体系相比于二电极体系增加了一个已知电位的参比电极，由此可以获得工作电极的电位，同时通过工作电极和对电极回路可以获得流过体系的电流，即可研究动力电池某一电极电位与界面反应对的关系。目前较为常用的是二电极体系。
二电极体系下动力电池与电化学工作站的连接方式如图2-21所示，实物连接方式如图2-22所示。将动力电池的正极作为工作电极，将负极作为对电极，与电化学工作站相应接口连接，用来提供正弦激励信号。此外，参比电极线与负极连接，感受电极线与正极连接，二者没有电流流过，用来测量它们之间的电压信号。
图2-20 EIS测试的二电极体系和三电极体系
图2-21 二电极体系下动力电池与电化学工作站的连接方式EIS的测试方法通常有两种：恒电流法和恒电位法。从理论上讲，两者的测量结果一致，但实际应用中二者的应用场合不同。恒电位法应用较为广泛，动力电池的激励由一个恒定电压与一个幅值确定的正弦信号叠加得到的复合电压信号来提供，同时电化学工作站测量系统的交流电流响应，根据电压和电流的比例得到阻抗。恒电流法是指对动力电池施加一个由直流电流(可以为0)与一个幅值确定的正弦电流信号叠加的复合电流信号作为激励，同时电化学工作站测量动力电池系统的电压信号响应，根据电压和电流的比值计算阻抗。这种方法一般应用于与腐蚀相关的测试或者燃料电池测试中。对于锂离子动力电池，恒电位原位EIS测试和恒电流原位EIS测试均有采用。而恒电流原位EIS测试，能
北京理工大学能源与化学工程实验预习报告 姓名 班级 学号 实验日期2016年 5 月 4 日 指导教师____ ___________ 同组姓名 成绩_______________ 实验名称 电化学阻抗谱的测量与解析 一、 实验目的 1.了解应用电化学阻抗谱进行电化学研究的基本原理。 2.熟悉应用CHI 电化学工作站进行各种方法电化学测量的基本步骤。 3.初步掌握应用CHI 电化学工作站测量电化学阻抗谱的基本方法。 4.初步掌握应用Zsimpwin 软件进行电化学阻抗谱解析的方法。 二、 实验内容和原理 交流阻抗方法应用于电化学体系时，也称为电化学阻抗谱法 (Electrochemical 电化学 Impedance 阻抗 Spectroscopy 谱)。该方法是指控制通过电极的电流(或点位)在小幅度条件下随时间按正弦规律变化，同时测量作为其相应的电极电位(或电流)随时间的变化规律，或直接测量电极的交流阻抗(或导纳)。由于该方法具有线性关系简化、交流平稳态以及扩散等效电路集中参数化等优势，该方法已经成为研究电极过程动力学和点击表面现象最重要的方法之一。 如一个正弦交流电压可表示成： )1(sin )(0 t E t E ω= 式中，E 0为交流电压的幅值，ω是角频率。 一个电路的交流阻抗是一个矢量，这个矢量的模值为：0 0I E Z = ，矢量的幅角为Ψ。也可表示为： )2()sin (cos Im Re jZ Z j Z Z -=ψ-ψ= Z Re 称为阻抗的实部，Z Im 称为阻抗的虚部。 ψ=cos Re Z Z ，ψ=sin Im Z Z
由于该方法在一个很宽的频率范围内对电极系统进行测量，因而可以在不同的频率范围内分别得到溶液电阻，双电层电容及电化学反应电阻的有关信息。在更为复杂的情况下，不但可以在不同的频率得到有关参数的信息，而且可得到阻抗谱的时间常数个数及有关动力学过程的信息，从而可推断电机系统中包含的动力学过程及机理。因此，测量电机系统的交流阻抗，一般说来有两个目的。一个目的是推测电机系统中包含的动力学过程及其机理，确定与之相适应的物理模型或等效电路。另一个目的是，在确定了物理模型或等效电路之后，根据测得的阻抗谱，求解物理模型中各个参数，从而估算有关的动力学参数。 三、主要仪器设备 1.实验仪器 CHI电化学工作站1台，电解池1个。 2.试剂及材料 15mM K 3Fe(CN) 6 + 15mM K 4 Fe(CN) 6 + 1M KCl 电极为1cm2的镍片，除工作区域外用用环氧树脂密封。 四、操作方法与步骤 接好电解池，绿色和黄色的线接工作电极，红色白色的线接对电极。测试步骤如下： (1)启动CHI电化学工作站，运行测试软件。在setup菜单中点击technique 选项。在弹出菜单选择“A C impedance”。 (2)在setup中点击Parameters。弹出菜单中输入测试条件：初始点位为0V，高频为105Hz，低频为0.1Hz，振幅0.01V，静止时间2S，灵敏度选择自动灵敏度。 (3)在control中点击run experiment，进行测量。 (4)测试完毕后，保存并命名测试结果，保存为CSV格式，删除CSV文件中两列数据保存为TXT格式文件，备后续Zsimpwin模拟使用。 (5)打开Zsimpwin，代开之前的TXT，点击拟合电路图标选择R(CR)和R(OR)模型，点击OK进行拟合，是否保存点击是，默认保存路径选择否，选择自己要保存的文件，然后点击记录本图标查看拟合数据，记录end列中的数值。 (6)实验完毕，关闭仪器，清洗电极。
电化学曲线极化曲线阻抗谱分析 一、极化曲线 1.绘制原理 铁在酸溶液中，将不断被溶解，同时产生H2，即：Fe + 2H+ = Fe2+ + H2 (a) 当电极不与外电路接通时，其净电流I总为零。在稳定状态下，铁溶解的阳极电流I(Fe)和H＋还原出H2的阴极电流I(H)，它们在数值上相等但符号相反，即：(1) I(Fe)的大小反映Fe在H+中的溶解速率，而维持I(Fe)，I(H)相等时的电势称为Fe／H+体系的自腐蚀电势εcor。 图1是Fe在H+中的阳极极化和阴极极化曲线图。图2 铜合金在海水中典型极化曲线 当对电极进行阳极极化(即加更大正电势)时，反应(c)被抑制，反应(b)加快。此时，电化学过程以Fe的溶解为主要倾向。通过测定对应的极化电势和极化电流，就可得到Fe／H+体系的阳极极化曲线rba。 当对电极进行阴极极化，即加更负的电势时，反应(b)被抑制，电化学过程以反应(c)为主要倾向。同理，可获得阴极极化曲线rdc。 2.图形分析 （1）斜率 斜率越小，反应阻力越小，腐蚀速率越大，越易腐蚀。斜率越大，反应阻力越大，腐蚀速率越小，越耐腐蚀。 （2）同一曲线上各各段形状变化 如图2，在section2中，电流随电位升高的升高反而减小。这是因为此次发生了钝化现象，产生了致密的氧化膜，阻碍了离子的扩散，导致腐蚀电流下降。 （3）曲线随时间的变动 以7天和0天两曲线为例，对于Y轴，七天后曲线下移（负移），自腐蚀电位降低，说明更容易腐蚀。对于X轴，七天后曲线正移，腐蚀电流增大，亦说明更容易腐蚀。 二、阻抗谱 1.测量原理 它是基于测量对体系施加小幅度微扰时的电化学响应，在每个测量的频率点的原始数据中，都包含了施加信号电压（或电流）对测得的信号电流（或电压）的相位移及阻抗的幅模值。从这些数据中可以计算出电化学响应的实部和虚部。阻抗中涉及的参数有阻抗幅模（| Z |）、阻抗实部（Z,）、阻抗虚部（Z,,）、相位移（θ）、频率（ω）等变量，同时还可以计算出导纳（Y）和电容（C）的实部和虚部，因而阻抗谱可以通过多种方式表示。
电化学阻抗谱的应用及其解析方法 交流阻抗发式电化学测试技术中一类十分重要的方法，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段。特别是近年来，由于频率响应分析仪的快速发展,交流阻抗的测试精度越来越高，超低频信号阻抗谱也具有良好的重现性，再加上计算机技术的进步，对阻抗谱解析的自动化程度越来越高，这就使我们能更好的理解电极表面双电层结构，活化钝化膜转换，孔蚀的诱发、发展、终止以及活性物质的吸脱附过程。 1. 阻抗谱中的基本元件 交流阻抗谱的解析一般是通过等效电路来进行的，其中基本的元件包括：纯电阻R ，纯电容C ，阻抗值为1/j ωC ，纯电感L ，其阻抗值为j ωL 。实际测量中，将某一频率为ω的微扰正弦波信号施加到电解池，这是可把双电层看成一个电容，把电极本身、溶液及电极反应所引起的阻力均视为电阻，则等效电路如图1所示。 Element Freedom Value Error Error %Rs Free(+)2000N/A N/A Cab Free(+)1E-7N/A N/A Cd Fixed(X)0N/A N/A Zf Fixed(X)0N/A N/A Rt Fixed(X)0N/A N/A Cd'Fixed(X)0N/A N/A Zf'Fixed(X)0N/A N/A Rb Free(+)10000N/A N/A Data File: Circuit Model File:C:\Sai_Demo\ZModels\12861 Dummy Cell.mdl Mode: Type of Weighting: Data-Modulus 图1. 用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的等效电路 图中A 、B 分别表示电解池的研究电极和辅助电极两端，Ra 、Rb 分别表示电极材料本身的电阻，Cab 表示研究电极与辅助电极之间的电容，Cd 与Cd ’表示研究电极和辅助电极的双电层电容，Zf 与Zf ’表示研究电极与辅助电极的交流阻抗。通常称为电解阻抗或法拉第阻抗，其数值决定于电极动力学参数及测量信号的频率，Rl 表示辅助电极与工作电极之间的溶液电阻。一般将双电层电容Cd 与法拉第阻抗 的并联称为界面阻抗Z 。 实际测量中，电极本身的内阻很小，且辅助电极与工作电极之间的距离较大，故电容Cab 一般远远小于双电层电容Cd 。如果辅助电极上不发生电化学反映，即Zf ’特别大，又使辅助电极的面积远大于研 究电极的面积（例如用大的铂黑电极），则Cd ’很大，其容抗Xcd ’比串联电路中的其他元件小得多，因此 辅助电极的界面阻抗可忽略，于是图1可简化成图2，这也是比较常见的等效电路。 Element Freedom Value Error Error % Rs Fixed(X )1500N/A N/A Zf Fixed(X )5000N/A N/A Cd Fixed(X )1E-6N/A N/A Data File:Circuit Model File:C:\Sai_Demo\ZModels\Tutor3 R-C.mdl Mode: Run Simulation / Freq. Range (0.01 - 100Maximum Iterations:100Optimization Iterations: Type of Fitting: Complex Type of Weighting: Data-Modulus 图2. 用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的简化电路 2. 阻抗谱中的特殊元件 以上所讲的等效电路仅仅为基本电路，实际上，由于电极表面的弥散效应的存在，所测得的双电层电容不是一个常数，而是随交流信号的频率和幅值而发生改变的，一般来讲，弥散效应主要与电极表面电流分布有关，在腐蚀电位附近，电极表面上阴、阳极电流并存，当介质中存在缓蚀剂时，电极表面就会为缓蚀剂层所覆盖，此时，铁离子只能在局部区域穿透缓蚀剂层形成阳极电流，这样就导致电流分布 极度不均匀，弥散效应系数较低。表现为容抗弧变“瘪”，如图3所示。另外电极表面的粗糙度也能影响弥散效应系数变化，一般电极表面越粗糙，弥散效应系数越低。 2.1 常相位角元件（Constant Phase Angle Element ，CPE ）
电化学阻抗谱的应用分析 交流阻抗法是电化学测试技术中一类十分重要的方法，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段。特别是近年来，由于频率响应分析仪的快速发展,交流阻抗的测试精度越来越高，超低频信号阻抗谱也具有良好的重现性，再加上计算机技术的进步，对阻抗谱解析的自动化程度越来越高，这就使我们能更好的理解电极表面双电层结构，活化钝化膜转换，孔蚀的诱发、发展、终止以及活性物质的吸脱附过程。 阻抗谱中的基本元件 交流阻抗谱的解析一般是通过等效电路来进行的，其中基本的元件包括：纯电阻R ，纯电容C ，阻抗值为1/j ωC ，纯电感L ，其阻抗值为j ωL 。实际测量中，将某一频率为ω的微扰正弦波信号施加到电解池，这是可把双电层看成一个电容，把电极本身、溶液及电极反应所引起的阻力均视为电阻，则等效电路如图1所示。 图1. 用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的等效电路 图中A 、B 分别表示电解池的研究电极和辅助电极两端，Ra 、Rb 分别表示电极材料本身的电阻，Cab 表示研究电极与辅助电极之间的电容，Cd 与Cd ’表示研究电极和辅助电极的双电层电容，Zf 与Zf ’表示研究电极与辅助电极的交流阻抗。通常称为电解阻抗或法拉第阻抗，其数值决定于电极动力学参数及测量信号的频率，Rl 表示辅助电极与工作电极之间的溶液 电阻。一般将双电层电容Cd 与法拉第阻抗的并联称为界面阻抗Z 。 实际测量中，电极本身的内阻很小，且辅助电极与工作电极之间的距离较大，故电容Cab 一般远远小于双电层电容Cd 。如果辅助电极上不发生电化学反映，即Zf ’特别大，又使辅助 电极的面积远大于研究电极的面积（例如用大的铂黑电极），则Cd ’很大，其容抗Xcd ’比串 联电路中的其他元件小得多，因此辅助电极的界面阻抗可忽略，于是图1可简化成图2，这也是比较常见的等效电路。 图2. 用大面积惰性电极为辅助电极时电解池的简化电路 Element Freedom Value Error Error %Rs Free(+)2000N/A N/A Cab Free(+)1E-7N/A N/A Cd Fixed(X)0N/A N/A Zf Fixed(X)0N/A N/A Rt Fixed(X)0N/A N/A Cd'Fixed(X)0N/A N/A Zf'Fixed(X)0N/A N/A Rb Free(+)10000N/A N/A Data File: Circuit Model File:C:\Sai_Demo\ZModels\12861 Dummy Cell.mdl Mode: Run Fitting / All Data Points (1 - 1) Element Freedom Value Error Error %Rs Fixed(X )1500N/A N/A Zf Fixed(X )5000N/A N/A Cd Fixed(X ) 1E-6 N/A N/A Data File: Circuit Model File:C:\Sai_Demo\ZModels\Tutor3 R-C.mdl Mode: Run Simulation / Freq. Range (0.01 - 10000Maximum Iterations: 100 B
超级电容器电极材料性能测试的三种常用电化学方法，欢迎大家一起交流 ★★★★★★★★★★? 关于超级电容器电极材料性能测试常用的三种电化学手段，大家一起交流交流自己的经验。我先说说自己的蠢蠢的不成熟的经验。不正确或者不妥的地方欢迎大家指正批评，共同交流。希望大家都把自己的小经验，测试过程中遇到的问题后面如何解决的写出来，共同学习才能共同进步。也希望大家可以真正的做到利用电化学板块解决自己遇到的电化学问题。 循环伏安cyclic voltammetry (CV) 由CV曲线，可以直观的知道大致一下三个方面的信息 ? Voltage window（水系电解液的电位窗口大致在1V左右，有机电解液的电位窗口会在2.5V左右）关于很多虫虫问，电位窗口应该从具体的哪个电位到哪个电位，这个应该和你的参比电极和测试体系有关。工作站所测试的电位都应该是相对于参比电极的，所以不要纠结于为什么别人的是0-1V，而你测试的是-0.5-0.5V，这个与参比电极的本身电位（相对于氢标的电位）以及测试的体系本身有很大关系。?Specific capacitance （比电容，这个是超级电容器重要的参数之一，可以利用三种测试手段来计算，我一般都是利用恒电流充放电曲线来计算） ?Cycle life （超级电容器电极材料好坏的另一个比较重要的参数，因为一个很棒的电极材料应该是要做到既要有比较高的比电容又要有比较好的循环稳定性） 测试的时候比较重要的测试参数：扫描速度和电位扫描范围。电位的扫描范围，一般会在一个比较宽的范围扫描一次然后选择电容性能还比较好的区间再进行线性扫描，扫描速度会影响比电容，相同的电极材料相同测试体系扫速越大计算出的比电容会越小。
对电化学电池使用一正弦信号激励，然后分析产生的电流，这是最早用来测量快速电子转移反应速率常数的一种方法．在任何快速反应的测量中，无论采用什么技术，都必须在短时间得到有关信息，否则扩散，而不是动力学，成为速率决定过程．交流电桥一度曾是可用来在毫秒及更短时间量程上测量的唯一仪器方法，利用平衡下的电化学电池作为wheatstone电桥的未知臂，从而建立了目前的交流电技术和分析方法的基础．现代仪器方法位交流电测量比手动平衡电桥迅速得多，因此可在动态而不是平衡条件下连续记录交流电参数，例如在循环伏安法或极谱实验中．在时间量程的另一端，交流电技术在腐蚀腐蚀研究中现在是重要的，在这方面，快速响应不如常见的涉及表面和溶液反应的复杂过程的全面分析来得重要．这里现代计算方法在交流电方法得应用中是必不可少的． 8．2 电化学电池阻抗的测量 在任何交流电方法中有几个共同性问题的考虑要记住． (a)激励信专的频率 如果交流电方法作为判别性方法使用，则频率范围应该尽可能宽．在理想中这意味着，如果所有理论工具已齐备，包括Kramers－Krong 分析法(见下文)，那么频率范围在6到7个10倍频，如10-2到105Hz 的潜力应充分使用． (b)线性． 专虑到基元反应步骤的速率是指数性依赖斤电位的，电化学过程在本质上是非线性的。然而最充分发展的交流电理论全是线件理论， 这意味着要使用它们就要将激励信号幅但保持得足够小，以使体系成 为非常近似于线性．(即可以应用Butlter－V olmer方程式的线性近似 式，见式(1．34)．)振幅容许值随试验的体系和频率领改变，但一般规 则是，峰—峰幅值不超过l0mV，除非有某种特别指明可以安全地这样 做，而且即使是这—低水平的扰动，也可能产生问题．非线性是通过在 电池响应中而产生激励信号的谐被而表现出来的，因此可以用频谱分 析仪之类的检测系统来检洲它们的存在相测迢它们的帕值．应该按常 规地使用示波器来监测电池电流中的交流成分，而由正弦波响应的可 见畸变作为表示任何显著的非线性的方法．进一步的简单检查是用不 问激励幅值进行分析，响应的如何差异都意味着非线性已成为问题． (c)谬误的响应 众所用知，交流电技术易于因测量回路中的谬误效应而产生歪曲．不易设计一种恒电位仪，在高频时不发生相位移而仍具有足够高的增 益．接线与地和接线本身之间的杂散电容，以及接线和电池内部结构 的自感应在很高的频率时总是一个问题． 设计良好的电池可以帮助在一定程度上减轻这些问题，应该对下列几点加以注意．工作电极相对电圾应该对称放置，以便提供非常均 匀的电流分布．Luggin毛细管应该靠近工作电极，但不要靠很大近， 这样可尽可能减小末补偿的Ohm电阻，但又避免了引起不规则电流 分布的屏蔽效应．毛细管最好应该是直而短的，但口径不要太细，否则 其电阻将是高的．参考电极本身的电阻应尽可能地低，并通过一个用 短导线与之相连的高输入阻抗的单位增益放大器来对之进行缓冲，以 便将参考回路的RC时间常数降到最小(参见第十一章)．
交流阻抗的测量方法 交流阻抗法是电化学测试技术中一类十分重要的方法，是研究电极过程动力学和表面现象的重要手段。特别是近年来,交流阻抗的测试精度越来越高，超低频信号阻抗谱也具有良好的重现性，再加上计算机技术的进步，对阻抗谱解析的自动化程度越来越高，这就使我们能更好的理解电极表面双电层结构，活化钝化膜转换，孔蚀的诱发、发展、终止以及活性物质的吸脱附过程。 （1）交流阻抗：交流阻抗即阻抗，在电子学中，是指电子部件对交流激励信号呈现出的电阻和电抗的复合特性;在电化学中，是指电极系统对所施加的交流激励信号呈现出的电阻和电抗的复合特性。阻抗模的单位为欧姆，阻抗辐角(相角）的单位为弧度或度。 （2）交流阻抗谱：在测量阻抗的过程中，如果不断地改变交流激励信号的频率，则可测得随频率而变化的一系列阻抗数据。这种随频率而变的阻抗数据的集合被称为阻抗频率谱或阻抗谱。阻抗谱是频率的复函数，可用幅频特性和相频特性的组合来表示;也可在复平面上以频率为参变量将阻抗的实部和虚部展示出来。测量频率范围越宽，所能获得的阻抗谱信息越完整。RST5200电化学工作站的频率范围为：0.00001Hz～1MHz，可以很好地完成阻抗谱的测量。 （3）电化学阻抗谱：电化学阻抗谱是一种电化学测试方法，采用的技术是小信号交流稳态测量法。对于电化学电极体系中的溶液电阻、双电层电容以及法拉第电阻等参量，用电化学阻抗谱方法可以很精确地测定;而用电流阶跃、电位阶跃等暂态方法测定，则精度要低一些。另外，像扩散传质过程等需要用较长时间才能测定的特性，用暂态法是无法实现的，而这却是电化学阻抗谱的长项。 （4）电化学阻抗谱测量的特殊性：就测量原理而言，在电化学中测量电极体系的阻抗谱与在电子学中测量电子部件的阻抗谱并没有本质区别。通常，我们希望获得电极体系处于某一状态时的电化学阻抗谱。而维持电极体系的状态，须使电极电位保持不变。通常认为，电极电位变化50mV以上将会破坏现有的状态。因此，在电化学阻抗谱测量中，必须注意两个关键点，即：偏置电位和正弦交流信号幅度。 （5）正弦交流信号的幅度：为了避免对电化学电极体系产生大的影响以及希望其具有较好的线性响应，正弦交流信号的幅度通常可设在2～20mV之间。 （6）自动去偏：在电化学阻抗谱测量过程中，由于偏置电位不一定等于开路电位以及少量的非线性作用，在工作电极电流中还会含有直流成分。去除这个直流成分(偏流），可扩大交流信号的动态范围、提高信噪比。RST5200电化学工作站，可在测量过程中动态地调整去偏电流，使获得的阻抗谱数据更精准。另外，在软件界面的状态栏中，可实时显示工作电极的极化电流，供操作者参考。 以上为交流阻抗的相关说明，下面我们就实验设置过程中遇到的专业名词
《发电机转子绕组的交流阻抗和功率损耗测量》 一、试验目的：如果转子绕组出现匝间短路，则转子绕组有效匝数就会减小，其交流阻抗就会减小，损耗会有所增大，因此，通过本次测量转子绕组交流阻抗和功率损耗，与历次试验数据相比，就可以有效地判断转子绕组是否有匝间短路。轻微的匝间短路并不会对发电机产生很大的影响，常常被忽略，但如果匝间短路程度加剧，则会引起机组的振动增大，励磁电流增大，严重时造成转子一点甚至两点接地故障，大轴磁化、烧毁护环恶性事故的发生。因此对发电机转子绕组匝间短路故障的检测十分必要。 二、试验方法：通过滑环向转子绕组施加交流电压，通过仪器自动读取电压、电流、功率损耗和交流阻抗。施加电压的大小用调压器来调节。 三、试验仪器：HVZ-Ⅱ发电机转子交流阻抗测试仪、调压器 四、试验步骤：（1）试验前先确认转子绕组的励磁回路已全部断开并验电。（2）对试验现场进行封闭，用围栏或绳子将试验现场围起。 （3）用量程为500V的兆欧表对转子进行绝缘电阻测量。 （3）按试验原理图接好试验线路，带电空试以检查试验设备和各仪器仪表是否正常。 （4）试验电压的确定：对于额定励磁电压在400V及以下的绕组，施加的电压一般考虑为其电压值等于额定励磁电压。额定励磁电压大于400V时，电压可适当降低，对于本次#5发电机转子交流阻抗试验施加电压220V即可满足条件。（5）确定好接线后，打开仪器，设置电压步长，可选择单向测量或双向测量，选择单相测量后进行慢慢升压，读取并记录电压、电流、交流阻抗和功率损耗。（6）分别在盘车状态下、500r/min、1400 r/min、2200 r/min、3000 r/min转速下进行转子交流阻抗测量，每种状态都应在几个不同的电压下进行测量。 （7）试验完毕后，断开电源，然后需检查试验仪表是否正常，收拾仪器并清理场地。 五、试验标准：1、阻抗和功率损耗值自行规定。在相同试验条件下与历年数值比较，不应有显著变化。相差10%应该引起注意。 2、隐极式转子需要在膛外或膛内以及不同转速下测量。 3、每次试验应在相同条件、相同电压下进行，试验电压峰值不超过额定励磁电