ＥＩＳ系统性能的快速检查
前言
电化学阻抗谱（ＥＩＳ）测试中最高频率是一个重要的参数。大多数ＥＩＳ制造商指定的最高频率为１ ＭＨｚ。然而，一些制造商的规范歪曲了真正的系统性能。许多ＥＩＳ测量仪器指定在频率为１ＭＨｚ测量阻抗时可以施加１ＭＨｚ的信号，并测量其响应－而实际测量的时候却存在着很大的误差。本文件用来快速评估任何ＥＩＳ测量仪器。可以用它进行系统之间快速而有效的对比。购买仪器之前需要进行测试。
常规的测试主要是包括５个ＥＩＳ波谱。其中３个ＥＩＳ波谱用电阻在理想的ＥＩＳ响应下进行记录，另外２个测试ＥＩＳ体系的极限。一个极限波谱记录的是恒电位模式下近似无限阻抗。另外一个极限波谱记录的是恒电流模式下近似零阻抗。
Ｇａｍｒｙ仪器提供３个精度为±１％的电阻和一片用来进行近似零阻抗测试的铜网。要＂ＥＩＳ测试电阻＂只需致电或电邮我们。高质量的ＥＩＳ体系有４根引线与电解池连接。其中，２条引线用来连接施加的电流，另外２条用来测试电位。测得的电压除以电流来计算阻抗。非４个引线的终端连接下测得的ＥＩＳ波谱是不准确的。
假设系统没有４根终断连接引线该怎么办呢？把参比引线和辅助电极的引线连接起来。但是不要指望高质量的测试结果。
这个文件中包含详细的引线定位位置。与电阻不合理的连接会增加理想电阻阻抗的电容或电感阻抗。按照本文件中引线的定位位置，电阻波谱在１ ＭＨｚ至少会减少２°的相位。
１ｋΩ电阻 １ｋΩ电阻标着３个棕色带和２个黑色带。
（棕色，黑色，黑色，棕色，棕色） 连接１ｋΩ电阻很容易－详见下图。电阻的一端连接着工作和工作传感引线，另外一端连接着辅助和参比引线。４条引线之间保持约４ｃｍ的间距以减少引线之间的电容耦合。
Ｇａｍｒｙ电解池引线颜色代码见下表所示
颜色 引线 功能绿色 工作电极 电流蓝色 工作传感端 电压传感白色 参比电极 电压传感红色 辅助电极 电流用２０ｍＶｒｍｓ的交流电测量电阻的ＥＩＳ波谱。测试频率为０．２Ｈｚ到体系的最高频率。
１００Ω电阻
１００Ω电阻上所标的颜色带为３个黑色带和２个棕色带：
（棕色，黑色，黑色，黑色，棕色）
引线位置对于１００Ω电阻的非电感波谱很重要。如下图所示，参比和工作传感引线拧在一起，放在靠近电阻的地方。辅助和工作引线也拧在一起，放在电阻的另一端。
用２０ｍＶｒｍｓ的交流电测量电阻的ＥＩＳ波谱。测试频率为０．２Ｈｚ到体系规定的最高频率。
１０ｋΩ电阻
１０ｋΩ电阻所标的颜色带如下：
（棕色，黑色，黑色，红色，棕色）
这是唯一一个有红色标记带的电阻。
电阻的一端连接工作和工作传感引线，另一端连接参比和辅助引线。引线之间隔开以减小电阻内的电容。我们已测鳄鱼夹之间相距１０厘米时０．２５ｐＦ电容足以造成１ ＭＨｚ时０．９°的相位误差。下图显示了一个非常低的电容连接。
记录２０ｍＶｒｍｓ的交流电下电阻的恒电位ＥＩＳ波谱。
测试频率为０．２Ｈｚ到体系规定的最高频率。
开路测试
开路状态下理想电解池的阻抗是无限大的。电解池引线之间大的气隙接近于这个理想值。
连接工作和工作引线，将其放在法拉第笼内。该笼必须与恒电位仪的接地连接处连接。连接参比电极和辅助引线，将其放在Ｆａｒａｄａｙ笼外。
注：在其他体系中，置于笼外的辅助和参比引线 可能会引起较大的噪声。如果是这样的话，把引 线放在笼内，保证引线对之间距离至少为２０ｃｍ。 记录开路状态的恒电位ＥＩＳ波谱。推荐使用５０ｍＶｒｍｓ交流扰动电压。测试频率为２５ｍＨｚ到体系的最高频率。
短路测试
短路状态下理想电解池的阻抗为零。电解池引线之间短接近似于这个理想值。在短路状态下，引线的位置和连接方法很重要。
注：引线夹在铜网上可以提供一个很好的低阻抗 连接。鳄鱼夹之间连接在一起时的接触电阻大于 ５００ Ω。µ 参比和工作传感引线拧在一起后夹在铜网的一端。辅助和工作引线拧在一起后夹在铜网的另一端。引线的位置如下图所示。
工作传感和参比引线位于连接端的中间。夹子引线不能碰到铜网连接处。
注：短路状态测试必须使用恒电流模式。恒电位 模式下不能工作。如果ＥＩＳ体系没有恒电流模式， 则跳过此步。 记录短接状态，交流电为仪器比率电流一半时的恒电流ＥＩＳ波谱。测试频率为０．１ Ｈｚ－２０ ｋＨｚ。
电阻结果
下图为Ｇａｍｒｙ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ６００恒电位仪测得的３个电阻ＥＩＳ波谱的Ｂｏｄｅ图。圆圈代表模值，十字叉代表相位角。
理想电阻的阻抗值与频率无关，相位角为零。上图中，在所有频率下，阻抗值间的差异小于±１％，相位角间的差异小于±２°。
下图是不同供应商的ＥＩＳ体系记录的波谱。两次测试的电解池电阻均为１０ ｋΩ。同样的，圆圈代表模值，十字叉代表相位角。
绿色波谱是用Ｇａｍｒｙ 仪器Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ６００测到的。红色波谱是用较差的ＥＩＳ体现测到的。
这个较差的ＥＩＳ体系自称在１ ＭＨｚ下能测量。实际在１ＭＨｚ下，误差超过４０％－３０％。这是不对的。
开路测试结果
开路阻抗代表ＥＩＳ体系所能测量的最大阻抗。实际上，测得的波谱是样品阻抗和开路阻抗的并联。对比不同ＥＩＳ体系的开路波谱时，高阻抗相对好点。
上面的Ｂｏｄｅ图是用Ｇａｍｒｙ Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ６００恒电位仪测得的开路波谱。在较宽的频率范围内，类似于小电容的波谱。
电容模式的拟合区间是０．１ Ｈｚ－１００ ｋＨｚ。计算出的电容为０．１６ ｐＦ±０．０００４ ｐＦ。
低频下体系的阻抗超过１０ ＴΩ（１×１０１３Ω）。许多ＥＩＳ体系的低频开路阻抗低于１００ＧΩ。这严重限制了高阻抗的测试。
短路测试结果
３．６ｍｍ的电阻通路貌似是合理的。
短路阻抗代表ＥＩＳ体系所能测量的最小阻抗。实际上，测得的波谱是样品阻抗和理想短路阻抗的串联。对比不同ＥＩＳ体系的短路波谱时，低阻抗相对好点。
注：短路状态的波谱是用Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ６００恒电位提 供的标准６０ｍｍ电缆测量的。对于Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ６００用 Ｇａｍｒｙ专供的低Ｚ电缆能测到较小的电感。 短路测试阐述了测试小阻抗时的实验困难。必须把４个连接电极引线端的电流通路和传感通路分开。不能忽视金属耦合时的电阻。
下面的Ｂｏｄｅ图是用Ｇａｍｒｙ仪器 Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ６００恒电位仪测得的短路波谱。电解池引线夹在铜网上。交流电流为３００ ｍＡｒｍｓ。
在其他ＥＩＳ体系测得的短接状态的曲线看起来相似。电阻和电感值可能比上述波谱值中的值高。
比较两个ＥＩＳ体系的短路状态波谱，保证仅仅是比较两个体系，而不是引线连接的质量问题。
结论
本测试协议可以快速检查ＥＩＳ体系的功能。它能够体现ＥＩＳ体系的边缘特征，即典型的较差频率响应和不满意的开路和短路波谱。
这些测试也体现了本体系能够测试很大和很小的阻抗。能够区别测试结果中的仪器响应。
Quick Check of EIS System Performance Technical Note, Rev. 1.0 12/9/2010 © Copyright 2009 Gamry Instruments, Inc. µ波谱拟合电路是ＲＬ串联，即３０ Ω的电阻和４２ｎＨ的
电感。这个电阻值是很有意思的。用来产生短路连
µ接的铜网的电阻是８．４ Ω／ｍｍ，而通过３．６ｍｍ的铜网
µ电阻却是３０ Ω。
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