电化学工作站上位机控制软件的开发全套文献综述.docx

重 庆 理 工 大 学毕 业 设 计（论文）文 献 综 述题目 电化学工作站 上位机控制软件的开发 二级学院 计算机科学与工程学院 专 业 软件工程 班 级 110030801班姓 名 学 号指导教师 系 主 任 时 间 2014/1/1 电化学工作站上位机控制软件的开发摘要：电化学工作站，可以用于研究电化学机理、生物技术、物质的定性定量分析、常规电化学测试、纳米科学研究、传感器研究、金属腐蚀研究、电池研究、电镀研究等不同方面，对于生物化学的科学研究，占据相当重要的地位。现阶段的化学生产应用于社会各个阶层，包括制作建材，化纤等生活生产材料，包括净化水源，开发新能源等神态环保方面，等等，都有着举足轻重的作用。然而化学生产先需要经过严谨的化学实验，而化学实验是一项对于数据要求非常严谨的科学活动。其中，电分析化学则是通过一系列精密的电子仪器的测量，从而得出相对严谨的用于生产实验活动参考的数据的一门学科，而电化学工作站则是其中的重要的测量仪器之一，因此本项目所开发编写的软件程序对于该工作站必须要严谨且精密，对于生物化学的各种不同的化学测量实验提供精确而有效的实验数据，以有助于将实验成功进行并完成，然后将有效的实验成果推广到大规模的生产活动。关键词：电化学工作站，嵌入式一、电化学工作站功能与原理 电化学工作站主要用于研究电化学机理、生物技术、物质的定性定量分析、常规电化学测试、纳米科学研究、传感器研究、金属腐蚀研究、电池研究、电镀研究等不同方面。化学生产先需要经过严谨的化学实验，而化学实验是一项对于数据要求非常严谨的科学活动。其中，电分析化学则是通过一系列精密的电子仪器的测量，从而得出相对严谨的用于生产实验活动参考的数据的一门学科，而电化学工作站则是其中的重要的测量仪器之一。1.1关于电化学反应与电分析化学在了解电化学工作站的工作原理前，我们先理解下电化学反应是怎么一回事。化学上有电解池与电池之分。在某种能通电溶液中，插入两根电极， 通过给予电能使溶液反应的，称为电解池，而从溶液中的化学反应而获得电能的，称为电池。一般化学反应都是在化学物质相接触并在某种环境（如高温，高压）下进行反应的，而电池与电解池则是在物质并没有进行宏观上接触，而是通过溶剂溶解后，以在电极的连通下进行反应，这种化学反应成为电化学反应。而电分析化学，则是通过收集电化学反应所得出的数据，并进行分析，得出某个结论的一种化学活动。1.2 一般的电化学工作站的组成一般的电化学工作站组成有三部分：三电极体系、硬件、软件。三电极体系是通过电化学原理对作为电解质的物质进行分析，以了解其化学性质的仪器，通过电极对电解质进行电解，然后测量出相关的电压、电流量。三电极体系是电化学工作站的终端。硬件部分也成为下位机。下位机连接着计算机与三电极体系，能发生信号，或转换信号的类型，能进行数据集，等等。硬件部分主要利用集成运算放大原理构成。软件部分也称为上位机，是整个电化学工作站的控制端，给用户提供了可视化操作接口，可以对硬件进行控制，采集硬件发送的数据，对数据进行处理与存储，最终形成可视化的，易于理解的结果。二、电化学工作站的国内外发展形势 近年来，国内外的电化学分析测试仪器在电池市场高速发展的趋势下，得到了蓬勃发展。多种不同系列的电化学分析测试仪器被多家公司研发、生产。电池技术的快速发展，推动电化学分析仪器行业的发展，电化学工作站是检测仪器中高端深层次的一种综合检测分析仪器，它的发展正处于新的变革时期，无论从技术上还是从需求上来说。2.1国外发展电化学工作站是现代电子技术与电化学理论研究相结合而产生的技术，欧美方面对于电化学技术的研究起步，且拥有先天的电子技术优势，可以说是赢在了起跑线上，因此在电化学检测研究上处于世界领先地位。早在20世纪50年代，Delahay就从理论上系统地讨论了用交流刺激的方法研究电化学过程动力学的问题。60年代初，荷兰物理化学家Sluyters在实验中实现了交流阻抗谱方法在电化学过程研究上的应用，成为电化学阻抗谱(EIS)的创始人。目前荷兰、法国和美国等国家，由于具有先天技术优势，而且在电化学工作站技术的研究上也投入极大的人力物力，由此取得了在金属腐蚀与保护、电池检测、交流阻抗分析等诸多领域的硕大成果。电化学测试广泛的应用在电化学基础研究、电镀、金属腐蚀与防护、电解、电化学电源以及电分析化学等众多领域。伴随着电子信息技术的发展，与近二十几年来计算机技术的快速发展和应用，电化学工作站开始引入计算机技术。计算机技术用于对测试系统进行控制和协调，采集和处理实验数据。刚开始时，由于技术结合不成熟，测试仪器采用单片机作为前端，与微机只是简单的连接，但这种简单连接的单片机控制的电化学测试系统仍然存在很多问题：单片机的支持软件少；系统与计算机的接口需要特别制作，而无法普遍使用于一般计算机，系统成本高、可移植性差。因此，人们对工作站进行了改进，形成了以微机为上位机、单片机为现场站的二级系统。单片机进行数据的采集与存储，微机进行数据的管理与分析，并依此为基础，衍生出了面向不同应用的各种电化学工作站。电化学分析的测试方法主要有：恒电位、恒电流、线性扫描、脉冲、方波、交流技术、阻抗测试等，人们对同一实验材料与环境，使用不同的测试方法可以较为全面的获得实验数据。随着计算机技术的高速发展，结合计算机与单片机而使用多种测试方法的电化学工作站得到了较快的发展，在电池检测、金属腐蚀和保护等不同的应用领域分别有了不同的产品。应用于金属腐蚀保护以及超级电容测量的电化学工作站，这种应用的电化学工作站对于恒电位仪、动态电位扫描的精度要求比较高。这方面应用的代表产品是美国Arbin公司的MSTAT系列的多电极恒电位仪恒电流仪和美国Gamry电化学工作站。美国Arbin公司在全球中小型电池测试市场占有最大的份额，尤其是在燃料电池测试设备的技术方面，Arbin技术有着无可替代的领先地位。应用于化学电源交流阻抗测试的电化学工作站，代表产品美国普林斯顿应用研究公司多通道恒电位仪、恒电流仪、电化学交流阻抗测试系统，该工作站计算机控制的多通道恒电位恒电流仪，采用WINDOWS电化学和电池软件，以太网通讯方式。每个通道都可独立控制、或同时使用其它通道对不同电极进行相同实验。另外，多达16个恒电位仪(通道)可共用一个参比电极和一个辅助电极； 每个恒电位仪具有10V电位扫描范围、400mA电流范围、20V槽压； 每个通道都可以使用内置阻抗分析仪进行阻抗测量(VMP2Z选项)，电化学阻抗谱(EIS)范围为10Hz500kHz，输入阻抗高达1014 ；可装配多个EIS通道，可同时对每个通道进行阻抗测量。一个旧3同时可包含多个EIS通道和非EIS通道。模块化多功能电化学工作站，代表产品为美国普林斯顿应用研究公司的PAR273A电化学工作站，该产品采用不同的模块，在电化学腐蚀与保护、电池检测、交流阻抗测试时可以根据不同的需要选用不同的功能模块和电极，但是造价较高。2.2国内发展1980到1990年计算机在国内的普及，大大加快了电化学工作站的发展，20世纪80年代初，江苏电分析仪器厂与中国科学技术大学合作开发出我国第一代自主研发的电化学工作站，在20世纪90年代出现了研制开发智能化、多功能、微机自动控制电化学综合分析测试系统的小高潮。1997年，中国科学技术大学化学系研制出KD586微机电化学分析系统，经过试验测试与成果鉴定，其性能已经与国际先进技术水平持平。同时，国内科研人员将多种电化学工作与实际研究工作相结合，如将MEC12A多功能电化学工作站与APPLEII型工作站应用于电化学腐蚀领域中，研制出超微电极电化学仪器等。产品技术与结构也越来越复杂高端，如以单片机为前端机，结合HDV-7恒电位仪研制的微机化电化学测试系统，电位分辨率可达01mV，输出放大信号10倍。进一步出现了以单片机为现场站，以微机为上位机的二级系统，大大提高了系统的可移植性。到了20世纪90年代末，国内电化学工作站技术不断完善，逐步走向成熟，走向了自动化、智能化。交流阻抗测试是电化学测量中有效的工具，国外的交流阻抗测量系统虽然比较成熟但是价格昂贵，国内的科研工作者一直在致力于这方面的研究，如张小武发明了采用拉普拉斯变换的交流阻抗测量系统(001kHz到10kHz)，董泽华等基于高速数据采集并采用计算机拟合研制了频域法的阻抗测量。但仍然落后于欧美先进厂商的同类产品，进一步提高频率测量范围和准确度、缩短在低频的测量时间和改进仪器设备将成为今后国内电化学仪器研发的重点。四、现阶段存在问题以及发展趋势综合了国内外电化学工作站的研究现状，目前市场上电池检测设备有以下特点：外国生产的电化学工作站通常成本较高，价格昂贵，比如Zahner，Solitron，Gamery这些国外大厂的仪器，不能被广大的国内市场接受；国内厂商生产的电化学测量仪器往往性能单一且测量精度不高。因此为了满足电动汽车电源单体一致性快速分选以及国内电化学交流阻抗谱法的研究需要，有必要开发具有电化学交流阻抗测量的多功能的电化学工作站。电化学工作站的发展趋势正偏向于精度要求越来越高，实行效率越来越快，使用范围越来越广等方面，从一开始仅仅用于电池方面的测量，到现在应用于电镀，电腐蚀等多方面领域，甚至应用上了计算机技术，这些都说明了电化学工作站在化学测量领域方面会占据越来越重要的地位，把握先机，以自主开发的电化学工作站产品在国际市场中打出自己的天地，将对我国的科研事业有这重要的意义。五、主要参考文献1宋玉龙. 电化学工作站开发D.东北师范大学,2006.2徐伟光. 综合电化学工作站硬件设计与实现D.哈尔滨工业大学,2006.3关星. 基于DSP技术的电化学工作站的研究与设计D.哈尔滨理工大学,2007.4陈盼盼. 综合电化学工作站系统结构的设计D.哈尔滨理工大学,2008.5刘庆伟. 电化学工作站的研究与开发D.西安理工大学,2010.6杨晶晶. 基于嵌入式系统的电化学工作站的研制D.西安