什么是電極導(dǎo)線電容？ 為什么校正？

電化學(xué)工作站電極導(dǎo)線中的各個(gè)導(dǎo)體是由同軸電纜組成。 同軸電纜中的外導(dǎo)體用于屏蔽保護(hù)感興趣的信號(hào)。 由于導(dǎo)線之間的絕緣特性，電纜電容出現(xiàn)在同軸電纜中。需要一定的時(shí)間才能使電纜達(dá)到其充電水平。 充電時(shí)間的這種滯后減慢了正在傳輸?shù)男盘?hào)，甚至扭曲了傳輸?shù)男盘?hào)。 對(duì)于高頻信號(hào)，例如電化學(xué)阻抗譜（EIS）測(cè)量中出現(xiàn)的那些信號(hào)，這種影響會(huì)尤其顯著。

以方波為例來(lái)闡述脈沖數(shù)字信號(hào)的傳輸，其垂直上升和下降進(jìn)入同軸電纜的一端，而具有高電容的電纜會(huì)減緩這些電壓轉(zhuǎn)換，從而使它們從電纜的相對(duì)端出來(lái)的信號(hào)更像鋸齒（見圖1）。終導(dǎo)致傳輸信號(hào)和數(shù)據(jù)的失真。

圖1. 通過(guò)同軸電纜輸入方波（紫色）信號(hào)和輸出(藍(lán)色)信號(hào)的示意圖。

降低電極導(dǎo)線電容影響

 為了使電極導(dǎo)線電容的影響小化，采取一些方法措施可以實(shí)現(xiàn)，例如增加絕緣體的壁厚，減小導(dǎo)體直徑或使用較低介電常數(shù)的絕緣體等都可以。

另外一種解決這個(gè)問(wèn)題的方法是通過(guò)軟件進(jìn)行校正。

結(jié)果

Gamry Instruments將電極導(dǎo)線電容進(jìn)行校正，分為兩個(gè)層次來(lái)進(jìn)行，并且納入目前的儀器測(cè)試中

• 第一個(gè)層次是將參數(shù)內(nèi)置于測(cè)試軟件中，也就是首先使用標(biāo)準(zhǔn)電極導(dǎo)線進(jìn)行校正。這種通用的校正方法，大約消除了電極導(dǎo)線造成的99％的異常現(xiàn)象。一般這部分工作在廠家完成。

• 第二個(gè)層次校正，是更高檔次的校正，即消除制造過(guò)程中造成的具體某單根電纜之間的微小差異而導(dǎo)致的1％異常現(xiàn)象。第二級(jí)校正可以消除這些微小的測(cè)量差異并產(chǎn)生更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

為了驗(yàn)證校正的效果，采用 Reference 600+™測(cè)試10 nF的電容。圖2顯示了沒(méi)有電極導(dǎo)線電容校正的EIS數(shù)據(jù)。

圖2. 沒(méi)有電極導(dǎo)線電容校正的10 nF電容的EIS數(shù)據(jù)

對(duì)于 10 nF的電容，電極導(dǎo)線電容校正對(duì)結(jié)果影響不大。相位角誤差小于0.2°。

降低測(cè)試電容兩個(gè)數(shù)量級(jí)，470 pF電容的EIS結(jié)果如圖３所示。

圖3. 電極導(dǎo)線電容校正后的標(biāo)準(zhǔn)電解池的EIS數(shù)據(jù)

在圖3， 我們觀察到藍(lán)色數(shù)據(jù)跳躍的現(xiàn)象。這些發(fā)生在電化學(xué)工作站電流換擋的地方。 內(nèi)置的電極導(dǎo)線原有矯正，和目前使用導(dǎo)線略有不同。紅色點(diǎn)顯示了矯正的效果。

后采用47 pF 的小電容。 紅色點(diǎn)是導(dǎo)線未矯正的測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖4. 電極導(dǎo)線電容未校正（紅色，圖2）和校正（藍(lán)色，圖3）后EIS數(shù)據(jù)的疊加對(duì)比。

圖4給出了兩組重疊的阻抗數(shù)據(jù)，顯示了電極導(dǎo)線電容校正后數(shù)據(jù)的改進(jìn)和提高。未校正的EIS，相位差的誤差大約2° 。矯正后會(huì)降低至少為原誤差的1/4。注意跳點(diǎn)隨著校正也消失了。

如何進(jìn)行電極導(dǎo)線電容校正？

對(duì)于Gamry Instruments的電化學(xué)工作站，一般的操作程序如下：

1. 將電極導(dǎo)線連接到儀器的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)單元，即標(biāo)準(zhǔn)電解池，并將校準(zhǔn)單元放入校準(zhǔn)屏蔽箱內(nèi)。
2. 在Gamry Instruments的Framework™軟件中，單擊實(shí)驗(yàn) > 命名腳本，選擇calcable.exp腳本并將其打開。
3. 選擇校準(zhǔn)電極導(dǎo)線按鈕，確認(rèn)已連接正確的校準(zhǔn)單元，然后單擊確定按鈕。

電化學(xué)工作站操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行電極導(dǎo)線電容校正。

更多細(xì)節(jié)可以參閱，電極導(dǎo)線校準(zhǔn)快速入門指南，Cable Calibration Quick-start Guide.

結(jié)論

Gamry Instruments電化學(xué)工作站通過(guò)軟件中的電極導(dǎo)線電容校正功能可解決EIS譜中由于不同導(dǎo)線差異而帶來(lái)的結(jié)果差異。有關(guān)Gamry Instruments的電化學(xué)工作和EIS測(cè)量的更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)我們的網(wǎng)站。

修改后電極導(dǎo)線電容校正報(bào)告1.0 5/21/2018，版權(quán)2018，Gamry公司。  Framework, Reference 600, 和 Reference 600+是 Gamry Instruments, Inc 商標(biāo)。