基于串聯電磁式傳感器的水質硝酸鹽濃度檢測試驗研究

喻 嶸，王艷慶，周軍樂

（南昌大學信息工程學院，江西南昌，330000）

基于串聯電磁式傳感器的水質硝酸鹽濃度檢測試驗研究

喻 嶸，王艷慶，周軍樂

（南昌大學信息工程學院，江西南昌，330000）

設計了一種串聯電磁式水質硝酸鹽濃度檢測傳感器，該傳感器由平面電磁線圈和叉指陣列電極串聯組成。搭建試驗檢測電路，針對不同濃度的硝酸鹽溶液環境對傳感器進行試驗研究。結果表明，當電路輸入信號頻率為500K左右，硝酸鹽溶液濃度低于40mg/L時，傳感器的阻抗能夠明顯區分硝酸鹽濃度，且阻抗靈敏度、阻抗實部靈敏度與溶液溶度之間呈現很好的線性關系，從而為電磁式水質硝酸鹽濃度檢測傳感器的設計和實際應用提供參考。

電磁傳感器；硝酸鹽濃度檢測；阻抗；靈敏度

0 引言

硝酸鹽是自然水源最重要的污染物之一，它使得水不適合人類和動物飲用，且對環境造成很大的潛在危機。一般情況下，地表水的硝酸鹽濃度為5mg/l，但隨著農用肥料的大量使用和工業污水排放，水源中的硝酸鹽濃度在不斷的增加。世界上大多數國家都規定了適合人飲用的水中硝酸鹽濃度不能超過10mg/l，一旦超過就會對嬰孩造成高鐵血紅蛋白癥，對更小的嬰孩傷害更大[1-2]。同時，攝入過高濃度硝酸鹽的飲用水，可能會導致胃癌的發生率提高，因此硝酸鹽濃度是水質監測和食品監測的一項重要指標[3]。

傳統的硝酸鹽檢測方法，均不同程度的存在著一些缺陷。如目前常用的人工檢測[4]，不僅費時費力，實時性不足，還存在操作范圍小、危險性高的問題。自動監測系統[5]雖然能夠進行實時的、不間斷地檢測，但價格高昂，且容易對周邊環境和生物造成影響。遙感技術及水生生物檢測技術[6]，雖然實時性強，但存在精確度不足的問題。

文中設計了一種串聯電磁式結構的水質硝酸鹽濃度檢測傳感器。針對傳感器采用不同頻率信號激勵，以及在不同硝酸鹽濃度下進行試驗。通過對試驗數據進行比較分析，獲得傳感器的理想檢測頻段、阻抗靈敏度與水質中硝酸鹽濃度之間的關系，為水質硝酸鹽濃度檢測傳感器設計提供理論和實踐參考。

1 平面電磁水質硝酸鹽濃度檢測傳感器設計

1.1 傳感器結構設計

新型電磁式傳感器采用平面電磁線圈和叉指型陣列電極相結合。當浸入硝酸鹽溶液的傳感器受到電壓或電流激勵時，整個電路會產生電場、磁場，以及復合場。場域中硝酸鹽濃度的變化，將改變傳感器中場的分布，進而造成傳感器阻抗的變化[7]。因此，可利用傳感器的阻抗來檢測水質硝酸鹽的濃度。

傳感器結構一般有串聯和并聯兩種不同的組合方式，其阻抗主要包含感抗和容抗兩部分。其中，感抗由平面電磁線圈的電感效應產生，容抗由叉指型電極的電容效應產生。根據電路原理可知，并聯式傳感器的阻抗很小，外部環境的變化對其影響較小，導致并聯式傳感器的靈敏度比較低，無法滿足硝酸鹽濃度的檢測要求。而串聯式傳感器的阻抗雖然不是簡單的感抗和容抗相加，但在很寬的頻率范圍內，其阻抗都比較高。這樣，當外部環境發生微小變化時，場域中介質的變化，將影響傳感器中場的分布，進而造成傳感器阻抗有一定數值的改變，從而具有一定的阻抗靈敏度。因此，所設計的硝酸鹽濃度檢測傳感器為串聯式結構，平面電磁線圈的一端連接到叉指陣列電極，完成一個串行的連結。圖1是傳感器的結構模型圖。

圖1 平串聯電磁式傳感器的結構模型圖

1.2 檢測電路設計

傳感器阻抗的檢測原理如圖2所示。對于串聯式電磁傳感器而言，無論存在多么復雜的電磁效應，在電路中都可以看成是有實部阻抗和虛部阻抗的黑盒子[8]。R、X分別是傳感器阻抗的實部與虛部，R1為串聯表面電阻，阻值1kΩ。

圖2 傳感器阻抗檢測電路圖

設電路的輸入電壓為V1（t），R1的電壓為V2（t），θ為V1（t）和V2（t）的相位差，則電路的輸入阻抗為：

顯然，串聯式電磁傳感器阻抗的實部R、虛部X和總阻抗Z的計算公式為：

以傳感器在蒸餾水的阻抗Z0、阻抗實部R0、阻抗虛部X0作為參考值，分別在不同頻率的輸入信號和不同濃度的硝酸鹽溶液下測量傳感器的阻抗、阻抗實部、阻抗虛部，再由靈敏度計算公式（5）-（7），得出傳感器的阻抗靈敏度、實部靈敏度。通過對靈敏度數據進行比較分析，提取最優的輸入信號頻段，以此頻率作為信號激勵來獲得硝酸鹽濃度和傳感器靈敏度的關系式。

2 傳感器性能試驗分析

2.1 試驗方案設計

由圖2檢測電路原理可知，輸入信號源Vs經傳感器后，由于傳感器的阻抗存在，R1兩端電壓V2與V1存在相位差，采用示波器測量并記錄V2和V1的峰值及V2和V1相位差，由公式(2)-（4）可分別計算得出傳感器的阻抗、阻抗實部和阻抗虛部，再根據靈敏度公式（5）-（7）計算出各靈敏度值。

試驗前，傳感器安裝于PCB上，表面涂抹丙烯酸樹脂，保護傳感器不受溶液侵蝕。首先，將傳感器置于純水中，在峰值為10V的不同頻率（10K、25K、50K、100K、250K、500K、1M、5M、10M、15M、20M）正弦信號激勵下，測量V2和V1的峰值及V2和V1相位差。然后，將傳感器分別放置于濃度（2.5mg/L、5mg/L、10mg/L、15mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L、60mg/L、80mg/L、120mg/L）的硝酸氨中，在峰值為10V的不同頻率正弦信號激勵下，完成V2、V1及相位差的測量。再將傳感器放置于不同濃度的硝酸鈉和硝酸氨的混合溶液中（混合比例為1：1 ），在峰值為10V的不同頻率正弦信號激勵下，測量V2、V1及相位差。最后，由測量數據得出傳感器阻抗Z、阻抗實部R、虛部X及靈敏度。

2.2 激勵信號頻率選取

圖3所示為傳感器在不同濃度的硝酸氨溶液中的阻抗變化趨勢。可以看出，當輸入信號頻率在10K到100K之間時，隨著頻率的逐漸增大，叉指電極的容抗會逐漸減小，而矩形線圈的感抗會逐漸增大，但是傳感器總的阻抗卻依然在減小，這說明在這個頻率段，容抗決定了傳感器的阻抗。而在100K到1M的階段，很明顯是感抗在起決定性的作用。當輸入信號的頻率在300K~500K之間時，溶液濃度的變化對傳感器阻抗的影響明顯，區分度較好，傳感器在硝酸氨溶液中的阻抗隨著溶液濃度的減小而逐漸增大。

圖3 不同濃度的硝酸氨溶液中的阻抗變化趨勢

圖4 混合硝酸鹽溶液中的阻抗變化趨勢

圖4所示為傳感器阻抗在不同濃度的硝酸鹽混合溶液中的變化趨勢。可以看出，傳感器在混合溶液中的變化趨勢與在純硝酸氨溶液中的變化趨勢近似。當輸入信號在200K~500K之間時，傳感器的阻抗隨著溶液濃度的改變呈現很好的變化趨勢，阻抗隨著溶液濃度的減小而增大。

由以上數據分析可知，輸入信號源的頻率在300K~500K之間時，傳感器的阻抗與硝酸鹽溶液濃度之間呈現良好的變化趨勢。因此，選用激勵傳感器的輸入信號頻率為500K。

2.3 傳感器靈敏度試驗分析

為了進一步計算阻抗靈敏度與溶液濃度之間的關系，以輸入信號源的頻率為500K，測量傳感器在純水及不同濃度混合溶液下的阻抗Z、阻抗實部R及虛部X，得出傳感器在混合溶液中的靈敏度，并畫出傳感器阻抗靈敏度、實部靈敏度與溶液濃度的變化圖，分別如圖5、6所示。鑒于實際水體中的硝酸鹽離子濃度不可能達到60mg/L甚至120mg/L，因此，對實驗數據進行擬合時，舍棄了濃度在40mg/L以上數據。由圖5、圖6可知，阻抗和阻抗實部靈敏度與硝酸鹽溶液濃度之間存在比較好的線性關系。根據數據擬合的結果，可得出傳感器阻抗靈敏度與溶液濃度之間的線性關系式為：

擬合優度R2=0 99621156

傳感器阻抗實部靈敏度與溶液濃度之間的線性關系式為：

擬合優度R2=0 989

圖5 傳感器阻抗靈敏度與溶液濃度的線性關系

由此證明，所設計的傳感器能夠測量硝酸鹽溶液濃度，這為水質檢測系統的傳感器模塊的進一步研究奠定了一定的基礎。

3 結論

對電磁式傳感器的傳感原理進行分析，設計了一種串聯電磁式水質硝酸鹽濃度檢測傳感器，搭建檢測試驗電路，針對不同濃度的硝酸鹽溶液對傳感器進行試驗研究。試驗結果表明，當傳感器輸入信號頻率為500K左右，硝酸鹽溶液濃度低于40mg/L的時候，傳感器的阻抗能夠明顯地區分溶液濃度，且阻抗靈敏度、阻抗實部靈敏度與溶液溶度之間呈現很好的線性關系，從而為新型水質硝酸鹽濃度檢測傳感器的設計和實際應用提供參考。

圖6 傳感器阻抗實部靈敏度與溶液濃度的線性關系

[1]Tberblanche A P S. Health Hazards of Nitrate in Drinking Water[J].WaterSA,1991,17(1):77-82.

[2] Ward M H,Kilfoy B A,Weyer P J,et al. Nitrate Intake and theRisk of Thyroid Cancer and Thyroid Disease[J].Epide miology,2010,21(3):389-395.

[3]Reichard J S,Brown C M. DetectingGroundwater Contamination ofa River in Georgia, USA Using Baseflow Sampling [J].Hydrogeology Journal,2009,17(3):735-747.

[4]何敏紅.水中硝酸鹽氮檢測方法的探討[J].甘肅科技，2010，26（11）:70-72.

[5]STOREY M V, VAN DER GAAG B, BURNS B P. Advances in on-line drinking water quality monitoring and early warning systems [J]. Water research, 2011, 45(2):741-7.

[6]魏民，尤世界，鄭國臣，等.水生生物監測技術應用分析[J].東北水利水電，2012,30（5）：36-37.

[7] 喻嶸，王玉皞，王艷慶，等. 用于水質硝酸鹽濃度在線檢測的電磁傳感器設計[J]. 傳感技術學報，2013(6)：774-778.

[8]Wang X,Wang Y,Leung H. Mechanism and Experiment of Planar Electrode Sensors in Water PollutantMeasurement[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2015,64(2): 516-523.

Testing study ofseries electromagnetic sensorfor the detection of nitrate concentration in water

Yu Rong,Wang Yanqing,Zhou Junle
(College of Information and Engineering Nanchang University,Nanchang Jiangsu,330000)

Aseries electromagnetic sensor is designed for the detection of nitrate concentration in water,which consists of planar electromagnetic coils and interdigital array electrodes in series A test circuit is set up to test the sensor for different concentration of nitrate solution The results show that when the input frequency of the circuitis about 500K and the concentration of nitrate solution is below 40mg/L, the impedance of the sensor can clearly distinguish nitrate concentration, and the sensitivity of the impedance and the real part of the impedance show a good linear relationship with the concentration of nitrate So it will provide reference for the design and practical application for the nitrate concentration detecting of the water in electromagnetic sensor

electromagnetic sensor;nitrate concentration test;impedance;sensitivity

江西省對外合作項目《面向多傳感器信息融合的水生態分布式感知系統》（項目編號：20141BDH80001)。

喻嶸（1973- ），南昌大學講師，碩士研究生，主要研究方向新型傳感器及信號處理。