如果系統(tǒng)精度、效率和可靠性至關(guān)重要，那么設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)無線數(shù)據(jù)傳輸以用于遠(yuǎn)程監(jiān)控就會(huì)是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。 而溶液的pH值是許多行業(yè)需要考慮的一種測量，今天我們分享的參考設(shè)計(jì)的目的是評(píng)估pH玻璃探針的特性，從而解決硬件和軟件設(shè)計(jì)的不同挑戰(zhàn)，并提出一種利用射頻收發(fā)器模塊從探針無線傳輸數(shù)據(jù)的解決方案。 第一部分：pH探針 pH值定義 水溶液可分為酸性、堿性和中性三類。在化學(xué)中，酸堿度通過一種數(shù)值尺度來衡量，稱為pH值。依據(jù)嘉士伯基金會(huì)的定義，pH值代表氫離子濃度。此尺度是一個(gè)對(duì)數(shù)尺度，范圍為1到14。pH值的數(shù)學(xué)表達(dá)式為： pH = –log(H ) 因此，如果氫離子濃度為1.0 × 10–2摩爾/升，則 pH = –log(1.0 × 10–2) = 2 蒸餾水等水溶液的pH值為7，這是一個(gè)中性值。pH值小于7的溶液為酸性溶液，大于7的溶液為堿性溶液。對(duì)數(shù)尺度反映了一種溶液相對(duì)于另一種溶液的酸性程度。 例如，pH值為5的溶液，其酸度是pH值為6的溶液的10倍，是pH值為8的溶液的1000倍。 pH指示器 有很多辦法可測量水溶液的pH值，包括通過石蕊試紙指示器或使用玻璃探針。 石蕊試紙 石蕊試紙指示器通常由從地衣提取的染液制成，可用來指示pH水平。一旦與溶液接觸，試紙就會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致其顏色改變，由此指示pH水平。這一類大體上包括兩種方法： 將已知pH值對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)顏色與利用緩沖溶液浸入測試液體的指示器顏色進(jìn)行比對(duì)； 將pH試紙先浸沒在指示器中，然后浸入測試液體中，將其顏色與標(biāo)準(zhǔn)顏色進(jìn)行比對(duì)。雖然上述兩種方法很容易實(shí)現(xiàn)，但是溫度和測試溶液中的雜質(zhì)很容易引起誤差。 pH玻璃探針 最常用的pH指示器是pH探針。它由一個(gè)玻璃測量電極和一個(gè)參比電極構(gòu)成。典型玻璃探針由玻璃薄膜及其中封入的鹽酸(HCl) 溶液組成。外殼內(nèi)部有一根鍍AgCl的銀線，其充當(dāng)參比電極并與 HCL溶液接觸。玻璃膜外部的氫離子擴(kuò)散通過玻璃膜，置換相應(yīng)數(shù)量的鈉離子(Na )，多數(shù)玻璃中一般都存在鈉離子。這種正離子很敏銳，大部分限定在玻璃表面上濃度較低的一側(cè)薄膜上。Na 的多余電荷在傳感器輸出端產(chǎn)生一個(gè)電壓。 探針類似于一塊電池。當(dāng)把探針置于溶液中時(shí)，測量電極產(chǎn)生一個(gè)電壓，其大小取決于溶液中氫的活性，然后將該電壓與參比電極的電位進(jìn)行比較。隨著溶液酸性的增強(qiáng)（pH值變低），玻璃電極電位相對(duì)于參比電極陽性增強(qiáng)( mV)；隨著溶液堿性的增強(qiáng)（pH值變高），玻璃電極電位相對(duì)于參比電極陰性增強(qiáng)(-mV)。這兩個(gè)電極之差即為測得電位。在理想情況下，典型的pH探針在 25°C下會(huì)產(chǎn)生59.154 mV/pH單位，通常用能斯脫方程表示如下： 其中： E = 氫電極電壓，活性未知 a = ±30 mV，零點(diǎn)容差 T = 環(huán)境溫度(25°C) n = 1（25°C），價(jià)（離子上的電荷數(shù)） F = 96485庫侖/摩爾，法拉第常數(shù) R = 8.314 伏特-庫侖/°K摩爾，阿伏加德羅氏數(shù) pH = 未知溶液的氫離子濃度 pHISO = 7，參比氫離子濃度 方程表明，產(chǎn)生的電壓取決于溶液的酸度和堿度，并以已知方式隨氫離子活性而變化。溶液溫度的變化會(huì)改變其氫離子的活性。當(dāng)溶液被加熱時(shí)，氫離子運(yùn)動(dòng)速度加快，結(jié)果導(dǎo)致兩個(gè)電極間電位差的增加。另外，當(dāng)溶液冷卻時(shí)，氫活性降低，導(dǎo)致電位差下降。根據(jù)設(shè)計(jì)，在理想情況下，當(dāng)置于pH值為7的緩沖溶液中時(shí)，電極會(huì)產(chǎn)生零伏特電位。典型pH探針的規(guī)格如下表所示。 表1. pH玻璃探針的典型規(guī)格 pH探針在本研究中起著重要作用，因?yàn)閿?shù)據(jù)可靠性取決于傳感器的精度和可靠性。選擇pH探針時(shí)，有兩個(gè)重要因素需要考慮： --緩沖溶液溫度改變之后的穩(wěn)定時(shí)間 --pH值改變之后的穩(wěn)定時(shí)間 作為例子，下面的數(shù)據(jù)摘自Jenway的應(yīng)用筆記“Jenway高性能pH電極評(píng)估”，顯示了探針在給定測試條件下發(fā)生溫度變化后的穩(wěn)定性能。制備一種溶液，其緩沖液在20°C時(shí)的pH值為7，在60°C時(shí)的pH值為4。讓各電極在以200 rpm轉(zhuǎn)速攪拌的pH 7緩沖液中穩(wěn)定。然后用去離子水清洗電極，并將其轉(zhuǎn)移到pH 4緩沖液的等分試樣中放置4分鐘。再次用去離子水清洗電極，然后將其放回到pH 7緩沖液中。評(píng)估讀數(shù)持續(xù)10秒保持穩(wěn)定所需的時(shí)間。對(duì)每個(gè)探針重復(fù)測試三次。 表2. 緩沖溶液溫度改變之后的穩(wěn)定時(shí)間表3. 緩沖溶液pH值改變之后的穩(wěn)定時(shí)間 在所示給定條件下，Jenway探針的性能與通用pH探針相比，響應(yīng)時(shí)間要快最多50%。使用類似這樣的儀表會(huì)非常有利，因?yàn)槠錁颖就掏滤俾屎芨?，分析?shù)據(jù)所需的時(shí)間會(huì)大大縮短。 傳感器模擬信號(hào)調(diào)理電路 為了理解信號(hào)調(diào)理電路，必須知道傳感器探針的等效電路圖。如上一節(jié)所述，pH探針由玻璃制成，可形成極高的電阻，范圍從1MΩ到1 GΩ不等，充當(dāng)與pH電壓源串聯(lián)的電阻，如圖1所示。 圖1. pH探針等效電路配置 即使非常小的電路電流流經(jīng)電路中各器件的高電阻（尤其是測量電極的玻璃膜），這些電阻上也會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的壓降，嚴(yán)重降低儀表測得的電壓。更糟糕的是，測量電極產(chǎn)生的電壓差非常小，處于毫伏范圍（理想情況下，室溫時(shí)每pH單位對(duì)應(yīng)59.16 mV）。用于此任務(wù)的儀表必須非常靈敏，并且有超高輸入電阻。 模數(shù)轉(zhuǎn)換 對(duì)于此類應(yīng)用，給定傳感器的響應(yīng)時(shí)間時(shí)，數(shù)據(jù)采樣速率將是一個(gè)問題。假設(shè)傳感器分辨率為0.001 V rms，ADC滿量程電壓范圍 1 V，則實(shí)現(xiàn)9.96位的有效分辨率無需高分辨率ADC。無噪聲分辨率單位為位，用下式定義： 無噪聲分辨率 = log2 [滿量程輸入電范圍/傳感器峰峰值電壓輸出噪聲] ADC采樣速率對(duì)低功耗應(yīng)用可能是一個(gè)重要因素，因?yàn)锳DC的采樣速率與功耗直接相關(guān)。在傳感器的響應(yīng)時(shí)間一定時(shí)，典型ADC采樣速率可設(shè)置為其最低吞吐速率。可采用集成ADC的微控制器以減少器件數(shù)量。 第二部分：收發(fā)器 傳輸pH和溫度數(shù)據(jù)需要收發(fā)器，控制收發(fā)器需要微控制器。收發(fā)器和微控制器的選擇涉及到一些重要考量。選擇收發(fā)器必須考慮如下因素：