如果系統精度、效率和可靠性至關重要，那么設計傳感器節點無線數據傳輸以用于遠程監控就會是一個相當大的挑戰。 而溶液的pH值是許多行業需要考慮的一種測量，今天我們分享的參考設計的目的是評估pH玻璃探針的特性，從而解決硬件和軟件設計的不同挑戰，并提出一種利用射頻收發器模塊從探針無線傳輸數據的解決方案。 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。在化學中，酸堿度通過一種數值尺度來衡量，稱為pH值。依據嘉士伯基金會的定義，pH值代表氫離子濃度。此尺度是一個對數尺度，范圍為1到14。pH值的數學表達式為： 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。對數尺度反映了一種溶液相對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，試紙就會發生化學反應，導致其顏色改變，由此指示pH水平。這一類大體上包括兩種方法： 將已知pH值對應的標準顏色與利用緩沖溶液浸入測試液體的指示器顏色進行比對； 將pH試紙先浸沒在指示器中，然后浸入測試液體中，將其顏色與標準顏色進行比對。雖然上述兩種方法很容易實現，但是溫度和測試溶液中的雜質很容易引起誤差。 pH玻璃探針 最常用的pH指示器是pH探針。它由一個玻璃測量電極和一個參比電極構成。典型玻璃探針由玻璃薄膜及其中封入的鹽酸(HCl) 溶液組成。外殼內部有一根鍍AgCl的銀線，其充當參比電極并與 HCL溶液接觸。玻璃膜外部的氫離子擴散通過玻璃膜，置換相應數量的鈉離子(Na )，多數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薄膜上。Na 的多余電荷在傳感器輸出端產生一個電壓。 探針類似于一塊電池。當把探針置于溶液中時，測量電極產生一個電壓，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行比較。隨著溶液酸性的增強（pH值變低），玻璃電極電位相對于參比電極陽性增強( mV)；隨著溶液堿性的增強（pH值變高），玻璃電極電位相對于參比電極陰性增強(-mV)。這兩個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下會產生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，零點容差 T = 環境溫度(25°C) n = 1（25°C），價（離子上的電荷數） F = 96485庫侖/摩爾，法拉第常數 R = 8.314 伏特-庫侖/°K摩爾，阿伏加德羅氏數 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。溶液溫度的變化會改變其氫離子的活性。當溶液被加熱時，氫離子運動速度加快，結果導致兩個電極間電位差的增加。另外，當溶液冷卻時，氫活性降低，導致電位差下降。根據設計，在理想情況下，當置于pH值為7的緩沖溶液中時，電極會產生零伏特電位。典型pH探針的規格如下表所示。 表1. pH玻璃探針的典型規格 pH探針在本研究中起著重要作用，因為數據可靠性取決于傳感器的精度和可靠性。選擇pH探針時，有兩個重要因素需要考慮： --緩沖溶液溫度改變之后的穩定時間 --pH值改變之后的穩定時間 作為例子，下面的數據摘自Jenway的應用筆記“Jenway高性能pH電極評估”，顯示了探針在給定測試條件下發生溫度變化后的穩定性能。制備一種溶液，其緩沖液在20°C時的pH值為7，在60°C時的pH值為4。讓各電極在以200 rpm轉速攪拌的pH 7緩沖液中穩定。然后用去離子水清洗電極，并將其轉移到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。評估讀數持續10秒保持穩定所需的時間。對每個探針重復測試三次。 表2. 緩沖溶液溫度改變之后的穩定時間表3. 緩沖溶液pH值改變之后的穩定時間 在所示給定條件下，Jenway探針的性能與通用pH探針相比，響應時間要快最多50%。使用類似這樣的儀表會非常有利，因為其樣本吞吐速率很高，分析數據所需的時間會大大縮短。 傳感器模擬信號調理電路 為了理解信號調理電路，必須知道傳感器探針的等效電路圖。如上一節所述，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，充當與pH電壓源串聯的電阻，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），這些電阻上也會產生相對較大的壓降，嚴重降低儀表測得的電壓。更糟糕的是，測量電極產生的電壓差非常小，處于毫伏范圍（理想情況下，室溫時每pH單位對應59.16 mV）。用于此任務的儀表必須非常靈敏，并且有超高輸入電阻。 模數轉換 對于此類應用，給定傳感器的響應時間時，數據采樣速率將是一個問題。假設傳感器分辨率為0.001 V rms，ADC滿量程電壓范圍 1 V，則實現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采樣速率對低功耗應用可能是一個重要因素，因為ADC的采樣速率與功耗直接相關。在傳感器的響應時間一定時，典型ADC采樣速率可設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量。 第二部分：收發器 傳輸pH和溫度數據需要收發器，控制收發器需要微控制器。收發器和微控制器的選擇涉及到一些重要考量。選擇收發器必須考慮如下因素：