铂电极多功能传感器在水产养殖中的应用

所属分类：电子论文阅读次时间：2019-08-13 11:25

本文摘要：摘要:针对水产养殖中水质安全要求，设计了一种多功能智能传感器。传感器以铂为电极材料，对温度、电导率、pH值、氧化还原电位(ORP)、铅离子和其他重金属离子6种水质指标进行检测。智能传感器采用模糊神经网络进行数据融合，通过ZigBee和通用分组无线业务(GPR

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　　摘要:针对水产养殖中水质安全要求，设计了一种多功能智能传感器。传感器以铂为电极材料，对温度、电导率、pH值、氧化还原电位(ORP)、铅离子和其他重金属离子6种水质指标进行检测。智能传感器采用模糊神经网络进行数据融合，通过ZigBee和通用分组无线业务(GPRS)进行数据传输。实验测试结果表明:设计的传感器检测精度高，可以实现水质检测功能。

　　关键词:铂电极传感器,水质检测,模糊神经网络,数据融合,ZigBee技术,通用分组无线业务

传感器与微系统

　　0引言

　　水质对水产养殖至关重要，温度、电导率、pH值、氧化还原电位的变化和铅离子等重金属离子的泄漏都会造成减产。传统的水质检测传感器存在成本高、不能现场测量、检测结果单一和灵敏度低等缺点[1]，无法确保水产养殖中的水质检测。设计了一种铂电极多功能传感器，可以对水体温度、电导率、pH值、氧化还原电位、铅离子和其他重金属离子进行测定，保证水产养殖的水质安全。

　　铂电极多功能传感器属于化学水质检测传感器(电极式)[1]，其主要通过电极表面与水中的离子或分子发生电化学反应，在电路中产生变化的电压或电流，通过检测电路中的电流或电压变化来测定水中的影响因子。铂电极多功能传感器由单层物理气相沉积(physicalvapordeposition，PVD)Ti/Pt组成，成本低、结构和制造简单。经验测试表明，传感器检测精度高。

　　1铂电极多功能智能传感器结构

　　铂电极多功能智能传感器实现三大功能:信息感知、信号处理和通信[2]。具体结构包括数据采集模块、数据处理模块、通信模块和电源模块。传感器单元检测水体中的温度、电导率、pH值、氧化还原电位、铅离子等重金属离子，检测信号经模/数(analog-todigital，A/D)转换器进入微处理器，微处理器对数据进行滤波、融合并储存。通信模块采用无线通信技术实现微处理器和远程控制中心之间的通信，微处理器将处理好的数据经过汇聚节点转发给远程控制中心，若检测到水质指标不在规定范围内，报警电路报警，远程控制中心查询异常指标并进行相应的处理。

　　2铂电极多功能传感器在水体检测中的应用

　　Pt100温度传感器[3]测温绝对精度高、响应速度快、稳定性好，本文使用铂电阻温度传感器对温度进行检测。对于电导率、pH值、氧化还原电位、铅离子和其他重金属离子的检测，设计了新的铂电极传感器且能满足要求。

　　2.1对温度的检测

　　将铂电阻接入电路中，温度改变时，铂电阻上的电压发生变化，记录温度和对应的电压值，绘制成温度—电压曲线，微处理器通过检测铂电阻上的电压值来推测出温度数值。由于铂是惰性电极，特性稳定，不会因温度变化而发生物理或化学反应，所以，铂电阻温度传感器可长期工作且温漂小，适用于水质检测工作。

　　2.2对离子电导率的检测

　　设计了新的铂电极传感器，传感器几何形状是三电极靶式结构，可用于电导率、pH/ORP的检测。在电导率测试期间，2个外部电极串联连接1个片外电阻器R，并测量通过电阻器的有效电流Irms作为电导率指示。

　　2.3对pH值和氧化还原电位检测

　　使用三电极靶式传感器对pH值和氧化还原电位进行检测。在pH值和氧化还原电位测试中，最大电极为阳极(+)，中间电极为阴极(-)，最小电极为ORP检测电极。实验表明，在通电状态下，在含有氯离子的溶液中，传感器的阴极电位保持相对恒定，产生稳定阴极电位的电化学反应是铂阴极表面上的活性位置通过吸附作用被氯化物占据，因此阴极电位可作为参考电位。此外，阳极电位随着pH值变化，最小电极电位随着ORP变化，因此，测量阳极和最小电极之间的电势差为ΔV1(大于0)以及阴极和最小电极之间的电势差ΔV2(小于0)。

　　ΔV2反映氧化还原电位，阳极与阴极之间的电位差即ΔV1-ΔV2反映pH值。记录pH值和氧化还原电位及其对应的电位差，分别绘制pH-(ΔV1-ΔV2)曲线图和ORP-ΔV2曲线，微处理器通过检测传感器上的电位差来测定相应的pH值和氧化还原电位。在水产养殖中，氯离子在水中是普遍存在的，因此该传感器可用于水质监测。

　　当强氧化剂(例如次氯酸盐)的浓度高于1×10-6时，阴极电位可能会发生显著变化，pH/ORP传感器将失去灵敏度。在电极表面涂层可以减少强氧化剂溶液对阴极电位的影响。氯化PVC膜不易渗透次氯酸盐，将其涂在电极表面，阻挡ClO-的影响，保持阴极电位稳定，传感器可以持续正常工作。

　　2.4对铅离子和其他重金属离子的检测

　　设计了2种铂电极传感器:双电极传感器，可以实现对铅离子和其他重金属离子的检测，但却无法实现区分功能;四电极传感器，可以实现对铅离子和其他重金属离子的区分功能。

　　2.4.1双电极传感器设计

　　电极间隔5μm。双电极传感器连接了5V电源和一个100kΩ的电阻器，将传感器浸入含有铅离子和其他重金属离子的测试溶液中，测量电阻器两端的电压差ΔV作为信号。ΔV反映了电极上的整体阻抗，当2个电极之间的阻抗降低时，ΔV增加。系统在通电时，由于重金属离子(铜离子、铁离子和锌离子)具有还原性，在阴极上被还原成导电金属。

　　如果还原的金属连接铂电极之间的间隙，则系统的阻抗会显著下降，系统中的电流增大，电阻器R上的电压差ΔV增大。由于阻抗变化展现出的电压差ΔV的变化是溶液中重金属存在的依据。

　　铅离子是唯一可以在阳极周围沉积导电物质的离子。阳极周围的主要反应是氧化反应，铅离子可以被氧化为导电物质，二氧化铅，化学方程式为Pb2+-2e-+2H2O→PbO2+4H+(5)当沉积的二氧化铅连接铂电极之间的间隙时，系统阻抗减小，电阻器R上的电压差ΔV增大。在双电极系统中，不管是铅离子存在还是其他重金属离子都会导致ΔV增加，传感器可以有效地进行离子的存在性检测。但该传感器无法检测离子浓度，也不能对铅离子和其他重金属离子进行区分。

　　2.4.2四电极传感器设计

　　在含有铅离子和其他重金属离子的溶液中，在通电状态下，重金属离子发生还原反应沉积在阴极上，而铅离子发生氧化反应生成二氧化铅沉积在阳极上，根据铅离子这种特性，左边两个电极和右边两个电极之间的小间隙为5μm，中间两个电极之间的大间隙为50μm。该系统既可以检测铅离子和其他重金属离子的存在，又可以将毒性最大的铅区分识别出来。

　　当传感器连接为Aa-BB'时，电阻器两端的电压差被测量为ΔV1，以测量阳极和第二电极之间的阻抗，进行铅离子的测定;当传感器连接为AA'-Bb时，电阻器两端的电压差被测量为ΔV2，以测量阴极和第三电极之间的阻抗，进行其他重金属离子的测定。但四电极系统存在不足，即铜离子可能会使铅检测器产生错误的响应。

　　铜是4种金属(铜、铅、铁、锌)离子中最容易还原的离子，在阳极上，氧化是主要的反应，由于强制电流会发生少量的还原。然而，在中间两个浮动电极上，氧化和还原反应都是可能的，这意味着在这两个电极上铜也可以被还原。当在第二电极上铜被还原时，可以连接阳极和第二电极。这两个电极之间的阻抗显著下降，△V1增加，产生错误的反应。

　　3数据融合算法

　　为了对多种水质指标进行整体评价并减少通信流量实现低功耗设计，采用模糊神经网络进行数据融合[4，5]，从而得到水体质量等级。

　　3.1模糊神经网络模型

　　模型为多输入单输出5层网络模型[6]。输入变量为温度、电导率、pH值、氧化还原电位、铅离子和其他重金属离子，输出变量为水质等级，分为恶劣、一般、良好3个等级。

　　4无线通信技术

　　智能传感器用于水产养殖的水质检测，由于条件限制，传感器的电池不易更换，为了保证传感器能够长期工作，采用低功耗的无线通信技术:无线传感器网络ZigBee技术[7]和GPRS通信技术[8]。

　　养殖池中的智能传感器获取水质信息，微处理器进行数据处理，并将处理好的数据通过ZigBee网络发送给汇聚节点。汇聚节点接收来自各个智能传感器的数据，并将数据通过GPRS技术发送给远程控制中心，使用户可以了解到养殖现场的情况，实现对水质参数的实时监测、分析预警和远程控制功能。

　　5测试实验

　　采用唯一变量原则对传感器的性能进行测试，排除其他因素的干扰。由于传感器只能检测铅离子和其他重金属离子是否存在，而不能测定其浓度，因此，在检测铅离子和其他重金属离子时，在电路中连接一个报警器检测电路电流的变化，通过报警器是否报警判断水体中铅离子和其他重金属离子是否存在。经测试，各个参数变化较小，报警器正常报警无异常，传感器可以实现对温度、电导率、pH值、氧化还原电位、铅离子和其他重金属离子的准确检测，满足实际运行的需要。

　　6结束语

　　铂电极多功能传感器可以对温度、电导率、pH值、氧化还原电位、铅离子和其他重金属离子6种水质指标进行检测，克服了传统水质检测传感器检测结果单一的缺点。传感器由单层PVDTi/Pt组成，由于铂电极为惰性电极，所以该传感器可以进行长期检测。另外由这种工艺制成的传感器成本低、结构和制造简单、具有良好的经济效益，在水质检测的应用中将有良好的发展前景。

　　参考文献:

　　[1]黎洪松，刘俊.水质检测传感器研究的新进展[J].传感器与微系统，2012，31(3):11-14.

　　[2]赵丹，肖继学，刘一.智能传感器技术综述[J].传感器与微系统，2014，33(9):4-7.

　　[3]方雄，梁成文，李凯扬.Pt100的精密恒温水箱测控系统设计[J].传感器与微系统，2017，36(4):100-103.

　　[4]JIANGSF，ZHANGCM，ZHANGS.Two-stagestructuraldamagedetectionusingfuzzyneuralnetworksanddatafusiontechniques[J].ExpertSystemswithApplications，2011，38(1):511-519.

　　[5]璩晶磊，李少波，张成龙.基于模糊证据理论的多传感器数据融合算法[J].仪表技术与传感器，2017，47(10):118-122.

　　[6]刘静，李富忠，荆瑞俊.环境监测中多传感器数据融合研究[J].山西农业大学学报:自然科学版，2017，37(5):340-344.

　　电子方向期刊推荐：《传感器与微系统》系《传感器技术》的新更名期刊，于1982年创刊，国内外公开发行，月刊。其主管部门为工业和信息化部，主办单位为中国电子科技集团公司第四十九研究所。编辑部聘业内资深6位院士为技术顾问，编辑委员会由国内知名传感器专家组成。