一种新型的混合平面结构电导率传感器的设计与实现*

喻 嵘,王玉皞*,王晓磊,周军乐,王艳庆

(1.南昌大学信息工程学院,南昌 330000;2.武汉大学信息工程学院,武汉430000)

项目来源:江西省对外合作项目(20141BDH80001);江西省教育厅科学技术研究项目(GJJ160079)

2017-04-08修改日期2017-06-16

一种新型的混合平面结构电导率传感器的设计与实现*

喻 嵘1,王玉皞1*,王晓磊2,周军乐1,王艳庆1

(1.南昌大学信息工程学院,南昌 330000;2.武汉大学信息工程学院,武汉430000)

基于水体-电极系统的机理分析,设计并实现了一种新型的电导率传感器。传感器采用平面矩形线圈与叉指电极混合结构。通过搭建自动化实验平台,采用交流阻抗技术,对研制的传感器进行实测,以获得传感器在不同溶液、不同频率信号激励下的阻抗数据。经过与商用电导率传感器进行数据拟合,找出了阻抗数据与电导率之间的函数关系。实验证明,该电导率传感器是一种灵敏度高、稳定性强的测量工具,其测量精度达到了商用传感器标准,为水溶液电导率的测量提供了一个低成本的解决方案。

电导率传感器;矩形线圈;叉指电极;交流阻抗技术;数据拟合

电导率是材料的基本属性。电导率传感器技术是一个非常重要的工程技术研究领域,用于对液体或者气体的电导率进行检测[1]。目前商用的电导率传感器都为柱状结构,根据检测原理的不同,主要分为电极型和电感型电导率传感器两类。电极型电导率传感器采用电阻测量法对电导率实现测量[2-3],为了提高测量精度和降低电极极化作用的影响,一般采用多电极体系,并且对电极材料有很高的要求,但是这种单参量的测量方法,使得检测的可靠性和鲁棒性受到一定的限制。电感型电导率传感器采用电磁场原理[4-5],在传感器探头内部包括发射线圈和接收线圈两部分,发射线圈上施加正弦激励可以产生交变磁场,接收线圈上会产生感应电流,根据感应电流与介质电导率的线性关系来确定电导率值。为了保证测量的精确性,激励线圈与感应线圈需要严格在一个轴线上,线圈之间要紧密排列且保证良好屏蔽,同时电极导流孔内的介质应保持流动以保证测量的实时性。因此,电感型电导率传感器也属于单参量测量方法,可靠性和鲁棒性受到限制,同时存在装配难度大,成本较高,维护不便的缺点。

论文克服现有技术的不足,提出一种基于交流阻抗技术新型的混合平面结构电导率传感器。该传感器采用平面电磁线圈和叉指型阵列电极相串联的结构,具有小型化,工艺简单,低成本,可靠性好等优点,可应用于水质检测技术领域。其机理是根据不同的水溶液具有不同的电导率,当对传感器进行交流电压或电流激励时,整个电路会产生电场、磁场,以及复合场。场域中介质的变化,将改变传感器中场的分布,进而造成传感器阻抗的变化。因此,可利用传感器的阻抗来反映水溶液的电导率,以此作为水质检测的一项指标。

论文首先基于水体—电极耦合系统,分频率段分析了水体物质在不同电场频率下的特性,找出传感器电导率测试的最佳频率段,并对传感器进行了结构设计。然后通过搭建实验平台,把复杂的电磁场问题转化为电路问题进行研究,以此对传感器的阻抗响应和相位响应数据进行采集与分析。最后通过商用级传感器对水溶液电导率的测试,找到传感器的阻抗数据与水溶液电导率之间的函数关系,并进行稳定性和灵敏度的测试。经过测试,该混合平面结构传感器对电导率的测量精度达到了商用级传感器的标准。

1 新型电导率传感器的机理研究

混合平面结构的主体是平面叉指电极。目前平面电极传感器在水质检测中的应用[6-8]仅局限于传感器测试结果的展示上,而缺乏对水体本身以及水体-电极这个系统的理论分析。显然,只有系统地分析应用场景,明确检测对象与检测机理的情况下,传感器的优化设计才成为可能。

不同于固体和气体,液体的材料特性更为复杂。当被施加正弦波激励的传感器放入测试溶液中,最明显的对比是离子的吸附现象。

图1 平面电极传感器的工作原理

图1所示是平面电极传感器的工作原理图,吸附现象很容易在交界面处区分。带电离子在电场的作用下分布在电极和溶液的交界面上,使得带电离子的分布具有层次性[9],这种现象称为双电层(EDL)。EDL受频率影响,离子的积累不仅形成双电层电容,也生成了一个界面电阻,界面阻抗是双电层电容和界面电阻的并联[10]。因此,由平面电极传感器与溶液组成的水体—电极系统的等效电路如图2所示。其中CDL为双电层电容,RINT为电极与溶液交界面的电阻,RBULK是溶液的电阻,CBULK是溶液电容,ROHM是线缆和电极本身固有电阻。

图2 电极系统的等效电路

根据频域分析,等效电路的总体阻抗为:

(1)

通常情况下,RINT>RBULK,CDL>CBULK,则RINTCDL>RBULKCBULK。

由阻抗频谱特性界定出两个截止频率:

(2)

(3)

由于电阻ROHM很小,在总体阻抗中的影响可忽略不计。为方便电路分析,电阻ROHM不再考虑进去。

当输入频率足够小,满足ωRINTCDL≪1时,Z(jω)≈RINT。为此可以发现在频率变化过程中界面阻抗是不可忽略的。界面阻抗和离子的种类密切相关,它为不同离子的鉴别提供了一些依据[11-12]。

当输入频率增大但是低于fL时,界面电阻的影响将减小,主要呈现双电层电容的特性。阻抗公式可以表示为:

(4)

当频率范围处于fL与fH之间,电双层电容对阻抗的贡献逐渐消失,总阻抗大小取决于溶液的阻抗,Z(jω)≈RBULK。这时的阻抗呈阻性,可以考虑作为溶液电导率测试的频段范围。

当频率高于fH时,溶液电容的作用显现出来,阻抗公式可以简化为

(5)

在这种情况下,阻抗表现出较强的容抗特性。随着频率的逐渐增大,容抗值逐渐减小。理论上可利用这段频率范围测量溶液介电常数的大小。

根据文献[13],低浓度水溶液下的一些参量大致设置为RBULK=103Ω,CBULK=10-10F,RINT=106Ω,CDL=10-6F,如果将覆盖涂层的电极考虑在内,ROHM大致设置为10-4Ω,根据阻抗式(1),在10次到100次迭代计算后,可以得出低浓度下的阻抗频谱图,如图3所示。

图3 阻抗频谱

频率的分段对于检测对象的不同具有指导意义[14]。图3可看出,在两个截止频率的区分下阻抗可以分为3个部分。阻抗幅值平坦区域对应的相位近似为零,可见这个频段范围溶液呈阻性。从而进一步得出,测量溶液的电导率应当选择fL与fH之间的频率范围。

2 混合平面结构传感器对水质电导率的测定

2.1 混合平面结构电导率传感器的结构设计

r=ρk

(6)

也可写成

k=σr

(7)

对于叉指结构,通常采用保角变换映射来进行处理[15]:

(8)

式中:K(k)是第1类完全椭圆积分,N为电极数,L为电极长度。如果电极宽度为w,电极间距为s,自变量k可表示为:

(9)

所以,电极常数将传感器的输出特性与所测环境的电学特性关联起来。那么通过改变传感器的几何参数,调整传感器的电极常数,就可以达到测试环境不同参数的目的。

传感器安装于厚度为0.5 mm的PCB板上,在叉指电极正对面(PCB板的另一面)有一个厚度为0.05 mm的铜金属板。图4是该传感器的结构图,表1是它的参数。

图4 传感器结构图

表1 混合平面结构传感器的参数

图5 传感器阻抗实测电路图

2.2 实测电路

以图5所示电路来说明传感器阻抗的测量原理。电路中,传感器被认为是有实部阻抗和虚部阻抗的黑盒子。其中Vg(t)是函数发生器输出交流电压信号;Rg是信号源输出电阻;R1为串联表面电阻,Ris是叉指电极阻抗实部,Xis是叉指电极阻抗虚部。Rms是线圈阻抗实部,Xms是线圈阻抗虚部。

设电路输入电压为V1(t),加在R1两端的电压为V2(t),以V2(t)的相位为参考,θ为V1(t)和V2(t)的相位差,则流经传感器的电流I为:

拔出套管后，下钢管至基岩面上0.5 m处注入水泥黏土浆液，水泥比重占20%，第一次将钢管下至基岩面，注入黏土水泥浆，将孔内清水顶出，直到孔口回浆为止，停20 min，孔内浆面下降，第二次注浆，孔口溢出稠浆直至浆面不下降、孔口填满为止。

I=V2∠0°/R1

(10)

电路输入阻抗为:

Z=V1∠θ°/I∠0°

(11)

将式(10)代入式(11),得到:

(12)

则混合平面结构传感器阻抗的实部R和虚部X的计算公式为:

R=Zcosθ-R1

(13)

X=Zsinθ

(14)

传感器总的阻抗Ztotal和相角φ分别为:

(15)

实验平台由TFG2030 DDS函数信号发生器、混合平面结构传感器、Agilent DSO6052A示波器、PC机、Labview数据采集系统及相关溶液构成。这一实验平台实现了数据的自动采集存储,大大提高了测量的速率及精度。

图6 传感器在不同电导率溶液下的阻抗实测

2.3 实测结果

首先分别配制浓度为1 mg/L,10 mg/L,100 mg/L,1 000 mg/L的NaNO3溶液,通过实测得到不同溶液下传感器阻抗的幅频特性曲线和相频特性曲线。由图6可以看出,曲线变化规律符合前面的理论分析。但是,随着溶液浓度的增加,两个截止频率都会增加,当浓度为1 000 mg/L时,阻抗的平坦部分不明显,并且在频率为1 MHz时,相位才接近于0。所以该传感器更适用于低浓度溶液阻抗的测定,激励信号频率在10 kHz左右为佳。

再配置一组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,分别记录在10 kHz信号激励下传感器的阻抗数据Z。将数据1/Z与商用电导率传感器所测数据用MATLAB进行拟合,如图7所示。

从图7可以看出,电导率σ与阻抗的倒数1/Z近似于线性关系,σ=979/z-0.234 2。拟合优度为0.998 5。根据拟合的关系,混合平面结构传感器对电导率的测量精度可以达到商用传感器的精度标准。

图7 数据拟合图

3 性能测试

为了模拟真实情况,设计了一个简单的水循环系统,如图8所示。将添加污染物的水箱与放置传感器的水箱分开,能够测试动态下的水溶液状况。

图8 系统测试示意图

当在时刻为3 min时添加污染物,混合平面结构传感器很快就能检测到水质电导率的变化。图9很好地显示出这种变化反应,表明该传感器具有很高的电导率灵敏度,可以准确地反应出水体的变化,反应时间主要受水质污染物质的传输速率控制,与水的流速直接相关。

图9 通过测试系统观测的电导率变化

稳定性是衡量传感器性能的一项重要指标,图10为传感器在不同水溶液中的稳定性测试。除了传感器刚放入水中时,电导率略有下降之外,之后传感器的电导率基本稳定,说明传感器具有较好的稳定性。

图10 传感器稳定性测试

4 结论

论文首先结合水体-电极系统的频域分析,奠定了传感器电导率测量的理论依据,并对传感器的结构进行了设计。然后通过搭建实验平台,以10 kHz正弦波信号为激励,得到一组不同溶液下的传感器阻抗数据。再经过与商用电导率传感器进行数据拟合,找到了传感器阻抗数据与溶液电导率之间的函数关系。最后以实测数据验证了传感器的性能。经测试,该混合平面结构传感器对电导率的测量达到了商用标准。

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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

喻嵘(1973-),女,南昌大学讲师,硕士研究生,主要研究方向为新型传感器及信号处理,1745116649@qq.com;

王玉皞(1977-),男,南昌大学教授,博士,主要研究方向为宽带无线通信及无线传感器网络,wangyuhao@ncu.edu.cn。