喻 嶸,王玉皞*,王曉磊,周軍樂,王艷慶

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院,南昌 330000;2.武漢大學(xué)信息工程學(xué)院,武漢430000)

項(xiàng)目來源:江西省對外合作項(xiàng)目(20141BDH80001);江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(GJJ160079)

2017-04-08修改日期2017-06-16

一種新型的混合平面結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

喻 嶸1,王玉皞1*,王曉磊2,周軍樂1,王艷慶1

(1.南昌大學(xué)信息工程學(xué)院,南昌 330000;2.武漢大學(xué)信息工程學(xué)院,武漢430000)

基于水體-電極系統(tǒng)的機(jī)理分析,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的電導(dǎo)率傳感器。傳感器采用平面矩形線圈與叉指電極混合結(jié)構(gòu)。通過搭建自動化實(shí)驗(yàn)平臺,采用交流阻抗技術(shù),對研制的傳感器進(jìn)行實(shí)測,以獲得傳感器在不同溶液、不同頻率信號激勵下的阻抗數(shù)據(jù)。經(jīng)過與商用電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,找出了阻抗數(shù)據(jù)與電導(dǎo)率之間的函數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)證明,該電導(dǎo)率傳感器是一種靈敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)的測量工具,其測量精度達(dá)到了商用傳感器標(biāo)準(zhǔn),為水溶液電導(dǎo)率的測量提供了一個(gè)低成本的解決方案。

電導(dǎo)率傳感器;矩形線圈;叉指電極;交流阻抗技術(shù);數(shù)據(jù)擬合

電導(dǎo)率是材料的基本屬性。電導(dǎo)率傳感器技術(shù)是一個(gè)非常重要的工程技術(shù)研究領(lǐng)域,用于對液體或者氣體的電導(dǎo)率進(jìn)行檢測[1]。目前商用的電導(dǎo)率傳感器都為柱狀結(jié)構(gòu),根據(jù)檢測原理的不同,主要分為電極型和電感型電導(dǎo)率傳感器兩類。電極型電導(dǎo)率傳感器采用電阻測量法對電導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)測量[2-3],為了提高測量精度和降低電極極化作用的影響,一般采用多電極體系,并且對電極材料有很高的要求,但是這種單參量的測量方法,使得檢測的可靠性和魯棒性受到一定的限制。電感型電導(dǎo)率傳感器采用電磁場原理[4-5],在傳感器探頭內(nèi)部包括發(fā)射線圈和接收線圈兩部分,發(fā)射線圈上施加正弦激勵可以產(chǎn)生交變磁場,接收線圈上會產(chǎn)生感應(yīng)電流,根據(jù)感應(yīng)電流與介質(zhì)電導(dǎo)率的線性關(guān)系來確定電導(dǎo)率值。為了保證測量的精確性,激勵線圈與感應(yīng)線圈需要嚴(yán)格在一個(gè)軸線上,線圈之間要緊密排列且保證良好屏蔽,同時(shí)電極導(dǎo)流孔內(nèi)的介質(zhì)應(yīng)保持流動以保證測量的實(shí)時(shí)性。因此,電感型電導(dǎo)率傳感器也屬于單參量測量方法,可靠性和魯棒性受到限制,同時(shí)存在裝配難度大,成本較高,維護(hù)不便的缺點(diǎn)。

論文克服現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出一種基于交流阻抗技術(shù)新型的混合平面結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率傳感器。該傳感器采用平面電磁線圈和叉指型陣列電極相串聯(lián)的結(jié)構(gòu),具有小型化,工藝簡單,低成本,可靠性好等優(yōu)點(diǎn),可應(yīng)用于水質(zhì)檢測技術(shù)領(lǐng)域。其機(jī)理是根據(jù)不同的水溶液具有不同的電導(dǎo)率,當(dāng)對傳感器進(jìn)行交流電壓或電流激勵時(shí),整個(gè)電路會產(chǎn)生電場、磁場,以及復(fù)合場。場域中介質(zhì)的變化,將改變傳感器中場的分布,進(jìn)而造成傳感器阻抗的變化。因此,可利用傳感器的阻抗來反映水溶液的電導(dǎo)率,以此作為水質(zhì)檢測的一項(xiàng)指標(biāo)。

論文首先基于水體—電極耦合系統(tǒng),分頻率段分析了水體物質(zhì)在不同電場頻率下的特性,找出傳感器電導(dǎo)率測試的最佳頻率段,并對傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺,把復(fù)雜的電磁場問題轉(zhuǎn)化為電路問題進(jìn)行研究,以此對傳感器的阻抗響應(yīng)和相位響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析。最后通過商用級傳感器對水溶液電導(dǎo)率的測試,找到傳感器的阻抗數(shù)據(jù)與水溶液電導(dǎo)率之間的函數(shù)關(guān)系,并進(jìn)行穩(wěn)定性和靈敏度的測試。經(jīng)過測試,該混合平面結(jié)構(gòu)傳感器對電導(dǎo)率的測量精度達(dá)到了商用級傳感器的標(biāo)準(zhǔn)。

1 新型電導(dǎo)率傳感器的機(jī)理研究

混合平面結(jié)構(gòu)的主體是平面叉指電極。目前平面電極傳感器在水質(zhì)檢測中的應(yīng)用[6-8]僅局限于傳感器測試結(jié)果的展示上,而缺乏對水體本身以及水體-電極這個(gè)系統(tǒng)的理論分析。顯然,只有系統(tǒng)地分析應(yīng)用場景,明確檢測對象與檢測機(jī)理的情況下,傳感器的優(yōu)化設(shè)計(jì)才成為可能。

不同于固體和氣體,液體的材料特性更為復(fù)雜。當(dāng)被施加正弦波激勵的傳感器放入測試溶液中,最明顯的對比是離子的吸附現(xiàn)象。

圖1 平面電極傳感器的工作原理

圖1所示是平面電極傳感器的工作原理圖,吸附現(xiàn)象很容易在交界面處區(qū)分。帶電離子在電場的作用下分布在電極和溶液的交界面上,使得帶電離子的分布具有層次性[9],這種現(xiàn)象稱為雙電層(EDL)。EDL受頻率影響,離子的積累不僅形成雙電層電容,也生成了一個(gè)界面電阻,界面阻抗是雙電層電容和界面電阻的并聯(lián)[10]。因此,由平面電極傳感器與溶液組成的水體—電極系統(tǒng)的等效電路如圖2所示。其中CDL為雙電層電容,RINT為電極與溶液交界面的電阻,RBULK是溶液的電阻,CBULK是溶液電容,ROHM是線纜和電極本身固有電阻。

圖2 電極系統(tǒng)的等效電路

根據(jù)頻域分析,等效電路的總體阻抗為:

(1)

通常情況下,RINT>RBULK,CDL>CBULK,則RINTCDL>RBULKCBULK。

由阻抗頻譜特性界定出兩個(gè)截止頻率:

(2)

(3)

由于電阻ROHM很小,在總體阻抗中的影響可忽略不計(jì)。為方便電路分析,電阻ROHM不再考慮進(jìn)去。

當(dāng)輸入頻率足夠小,滿足ωRINTCDL?1時(shí),Z(jω)≈RINT。為此可以發(fā)現(xiàn)在頻率變化過程中界面阻抗是不可忽略的。界面阻抗和離子的種類密切相關(guān),它為不同離子的鑒別提供了一些依據(jù)[11-12]。

當(dāng)輸入頻率增大但是低于fL時(shí),界面電阻的影響將減小,主要呈現(xiàn)雙電層電容的特性。阻抗公式可以表示為:

(4)

當(dāng)頻率范圍處于fL與fH之間,電雙層電容對阻抗的貢獻(xiàn)逐漸消失,總阻抗大小取決于溶液的阻抗,Z(jω)≈RBULK。這時(shí)的阻抗呈阻性,可以考慮作為溶液電導(dǎo)率測試的頻段范圍。

當(dāng)頻率高于fH時(shí),溶液電容的作用顯現(xiàn)出來,阻抗公式可以簡化為

(5)

在這種情況下,阻抗表現(xiàn)出較強(qiáng)的容抗特性。隨著頻率的逐漸增大,容抗值逐漸減小。理論上可利用這段頻率范圍測量溶液介電常數(shù)的大小。

根據(jù)文獻(xiàn)[13],低濃度水溶液下的一些參量大致設(shè)置為RBULK=103Ω,CBULK=10-10F,RINT=106Ω,CDL=10-6F,如果將覆蓋涂層的電極考慮在內(nèi),ROHM大致設(shè)置為10-4Ω,根據(jù)阻抗式(1),在10次到100次迭代計(jì)算后,可以得出低濃度下的阻抗頻譜圖,如圖3所示。

圖3 阻抗頻譜

頻率的分段對于檢測對象的不同具有指導(dǎo)意義[14]。圖3可看出,在兩個(gè)截止頻率的區(qū)分下阻抗可以分為3個(gè)部分。阻抗幅值平坦區(qū)域?qū)?yīng)的相位近似為零,可見這個(gè)頻段范圍溶液呈阻性。從而進(jìn)一步得出,測量溶液的電導(dǎo)率應(yīng)當(dāng)選擇fL與fH之間的頻率范圍。

2 混合平面結(jié)構(gòu)傳感器對水質(zhì)電導(dǎo)率的測定

2.1 混合平面結(jié)構(gòu)電導(dǎo)率傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

r=ρk

(6)

也可寫成

k=σr

(7)

對于叉指結(jié)構(gòu),通常采用保角變換映射來進(jìn)行處理[15]:

(8)

式中:K(k)是第1類完全橢圓積分,N為電極數(shù),L為電極長度。如果電極寬度為w,電極間距為s,自變量k可表示為:

(9)

所以,電極常數(shù)將傳感器的輸出特性與所測環(huán)境的電學(xué)特性關(guān)聯(lián)起來。那么通過改變傳感器的幾何參數(shù),調(diào)整傳感器的電極常數(shù),就可以達(dá)到測試環(huán)境不同參數(shù)的目的。

傳感器安裝于厚度為0.5 mm的PCB板上,在叉指電極正對面(PCB板的另一面)有一個(gè)厚度為0.05 mm的銅金屬板。圖4是該傳感器的結(jié)構(gòu)圖,表1是它的參數(shù)。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)圖

表1 混合平面結(jié)構(gòu)傳感器的參數(shù)

圖5 傳感器阻抗實(shí)測電路圖

2.2 實(shí)測電路

以圖5所示電路來說明傳感器阻抗的測量原理。電路中,傳感器被認(rèn)為是有實(shí)部阻抗和虛部阻抗的黑盒子。其中Vg(t)是函數(shù)發(fā)生器輸出交流電壓信號;Rg是信號源輸出電阻;R1為串聯(lián)表面電阻,Ris是叉指電極阻抗實(shí)部,Xis是叉指電極阻抗虛部。Rms是線圈阻抗實(shí)部,Xms是線圈阻抗虛部。

設(shè)電路輸入電壓為V1(t),加在R1兩端的電壓為V2(t),以V2(t)的相位為參考,θ為V1(t)和V2(t)的相位差,則流經(jīng)傳感器的電流I為:

拔出套管后，下鋼管至基巖面上0.5 m處注入水泥黏土漿液，水泥比重占20%，第一次將鋼管下至基巖面，注入黏土水泥漿，將孔內(nèi)清水頂出，直到孔口回漿為止，停20 min，孔內(nèi)漿面下降，第二次注漿，孔口溢出稠漿直至漿面不下降、孔口填滿為止。

I=V2∠0°/R1

(10)

電路輸入阻抗為:

Z=V1∠θ°/I∠0°

(11)

將式(10)代入式(11),得到:

(12)

則混合平面結(jié)構(gòu)傳感器阻抗的實(shí)部R和虛部X的計(jì)算公式為:

R=Zcosθ-R1

(13)

X=Zsinθ

(14)

傳感器總的阻抗Ztotal和相角φ分別為:

(15)

實(shí)驗(yàn)平臺由TFG2030 DDS函數(shù)信號發(fā)生器、混合平面結(jié)構(gòu)傳感器、Agilent DSO6052A示波器、PC機(jī)、Labview數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及相關(guān)溶液構(gòu)成。這一實(shí)驗(yàn)平臺實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動采集存儲,大大提高了測量的速率及精度。

圖6 傳感器在不同電導(dǎo)率溶液下的阻抗實(shí)測

2.3 實(shí)測結(jié)果

首先分別配制濃度為1 mg/L,10 mg/L,100 mg/L,1 000 mg/L的NaNO3溶液,通過實(shí)測得到不同溶液下傳感器阻抗的幅頻特性曲線和相頻特性曲線。由圖6可以看出,曲線變化規(guī)律符合前面的理論分析。但是,隨著溶液濃度的增加,兩個(gè)截止頻率都會增加,當(dāng)濃度為1 000 mg/L時(shí),阻抗的平坦部分不明顯,并且在頻率為1 MHz時(shí),相位才接近于0。所以該傳感器更適用于低濃度溶液阻抗的測定,激勵信號頻率在10 kHz左右為佳。

再配置一組1 mg/L,2 mg/L,5 mg/L,10 mg/L,20 mg/L,50 mg/L,100 mg/L,200 mg/L,500 mg/L的NaNO3溶液,分別記錄在10 kHz信號激勵下傳感器的阻抗數(shù)據(jù)Z。將數(shù)據(jù)1/Z與商用電導(dǎo)率傳感器所測數(shù)據(jù)用MATLAB進(jìn)行擬合,如圖7所示。

從圖7可以看出,電導(dǎo)率σ與阻抗的倒數(shù)1/Z近似于線性關(guān)系,σ=979/z-0.234 2。擬合優(yōu)度為0.998 5。根據(jù)擬合的關(guān)系,混合平面結(jié)構(gòu)傳感器對電導(dǎo)率的測量精度可以達(dá)到商用傳感器的精度標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 數(shù)據(jù)擬合圖

3 性能測試

為了模擬真實(shí)情況,設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的水循環(huán)系統(tǒng),如圖8所示。將添加污染物的水箱與放置傳感器的水箱分開,能夠測試動態(tài)下的水溶液狀況。

圖8 系統(tǒng)測試示意圖

當(dāng)在時(shí)刻為3 min時(shí)添加污染物,混合平面結(jié)構(gòu)傳感器很快就能檢測到水質(zhì)電導(dǎo)率的變化。圖9很好地顯示出這種變化反應(yīng),表明該傳感器具有很高的電導(dǎo)率靈敏度,可以準(zhǔn)確地反應(yīng)出水體的變化,反應(yīng)時(shí)間主要受水質(zhì)污染物質(zhì)的傳輸速率控制,與水的流速直接相關(guān)。

圖9 通過測試系統(tǒng)觀測的電導(dǎo)率變化

穩(wěn)定性是衡量傳感器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),圖10為傳感器在不同水溶液中的穩(wěn)定性測試。除了傳感器剛放入水中時(shí),電導(dǎo)率略有下降之外,之后傳感器的電導(dǎo)率基本穩(wěn)定,說明傳感器具有較好的穩(wěn)定性。

圖10 傳感器穩(wěn)定性測試

4 結(jié)論

論文首先結(jié)合水體-電極系統(tǒng)的頻域分析,奠定了傳感器電導(dǎo)率測量的理論依據(jù),并對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。然后通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺,以10 kHz正弦波信號為激勵,得到一組不同溶液下的傳感器阻抗數(shù)據(jù)。再經(jīng)過與商用電導(dǎo)率傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,找到了傳感器阻抗數(shù)據(jù)與溶液電導(dǎo)率之間的函數(shù)關(guān)系。最后以實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了傳感器的性能。經(jīng)測試,該混合平面結(jié)構(gòu)傳感器對電導(dǎo)率的測量達(dá)到了商用標(biāo)準(zhǔn)。

[1] 周明軍,尤佳,秦浩,等. 電導(dǎo)率傳感器發(fā)展概況[J]. 傳感器與微系統(tǒng),2010,29(4):9-11.

[2] 傅巍,周明軍,王威,等. 一種電極型電導(dǎo)率傳感器絕緣設(shè)計(jì)方法[J]. 環(huán)境技術(shù),2015(4):47-49.

[3] 蘭敬輝. 溶液電導(dǎo)率測量方法的研究[D]. 大連:大連理工大學(xué),2002.

[4] 蘭卉,吳晟,程敏. 新型感應(yīng)式電導(dǎo)率傳感器技術(shù)研究[J]. 海洋技術(shù)學(xué)報(bào),2014(33):18-22.

[5] 柯麗,劉晶,杜強(qiáng). 基于磁感應(yīng)的水質(zhì)電導(dǎo)率檢測系統(tǒng)研究[J]. 國外電子測量技術(shù),2016,35(2):70-76.

[6] Abdul Rahman M S,Mukhopadhyay S C,Yu P L,et al. Detection of Bacterial Endotoxin in Food:New Planar Interdigital Sensors Based Approach[J]. Journal of Food Engineering,2013,114(3):346-360.

[7] Mohd Syaifudin A R,Mukhopadhyay S C,Yu P L. Modelling and Fabrication of Optimum Structure of Novel Interdigital Sensors for Food Inspection[J]. International Journal of Numerical Modelling:Electronic Networks,Devices and Fields,2012,25(1):64-81.

[8] Zia A I,Rahman M S A,Mukhopadhyay S C,et al. Technique for Rapid Detection of Phthalates in Water and Beverages[J]. Journal of Food Engineering,2013,116(2):515-523.

[9] Singh N. Double Layer Formation[J]. Plasma Physics,1982,24(6):639-660.

[10] Lvovich V F. Impedance Spectroscopy:Applications to Electrochemical and Dielectric Phenomena[M]. Scopus,USA,2012.

[11] Koblizek M,Masojidek J,Komenda J,et al. A Sensitive Photosystem Ⅱ-Based Biosensor for Detection of a Class of Herbicides[J]. Biotechnology and Bioengineering,1998,60(6):664-669.

[12] Lakso H A,Ng W F. Determination of Chemical Warfare Agents in Natural Water Samples by Solid-Phase Microextraction[J]. Analytical Chemistry,1997,69(10):1866-1872.

[13] Lvovich V F. Impedance Spectroscopy:Applications to Electrochemical and Dielectric Phenomena[M]. John Wiley & Sons,2012.

[14] 周軍樂,王玉皞,王曉磊,等. 一種新型的平面叉指電極傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2016,29(3):356-361.

[15] Olthuis W,Streekstra W,Bergveld P. Theoretical and Experimental Determination of Cell Constants of Planar-Interdigitated Electrolyte Conductivity Sensors[J]. Sensors and Actuators B:Chemical,1995,24(1):252-256.

DesignandImplementationofaNewConductivitySensorBasedonMixedPlanarStructure*

YURong1,WANGYuhao1*,WANGXiaolei2,ZHOUJunle1,WANGYanqing1

(1.College of Information and Engineering Nanchang University,Nanchang 330000,China; 2.College of Information and Engineering Wuhan University,Wuhan 430000,China)

A new conductivity sensor is designed and realized based on the detection mechanism analysis of electrode-water system. The structure of the planar electrodesensor combine the rectangular coils with interdigital electrodes.An automated test platform was built and AC impedance spectroscopy was adopted to obtain the impedance data of the sensor under the different test solutions and frequencies of excitation signal. Fitting with commercial conductivity sensor,the relationship of the detection impedance of planar electrode sensor and actual conductivity of testing sample was found out. The experimental results show the conductivity sensor is a measuring tool with high sensitivity and strong stability. It can be compared to commercial conductivity sensors and provide a low-cost solution for conductivity measurement of aqueous solutions.

conductivity sensor;rectangular coils;interdigital electrodes;AC impedance spectroscopy;data fitting

TP212.1

A

1004-1699(2017)10-1614-05

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.10.027

喻嶸(1973-),女,南昌大學(xué)講師,碩士研究生,主要研究方向?yàn)樾滦蛡鞲衅骷靶盘柼幚?1745116649@qq.com;

王玉皞(1977-),男,南昌大學(xué)教授,博士,主要研究方向?yàn)閷拵o線通信及無線傳感器網(wǎng)絡(luò),wangyuhao@ncu.edu.cn。