【導(dǎo)讀】電導(dǎo)率傳感器技術(shù)是一個(gè)非常重要的工程技術(shù)研究領(lǐng)域 ,用于對(duì)液體的電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量 ,被廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活中 ,成為電力、 化工、 環(huán)保、 食品、 半導(dǎo)體工業(yè)、 海洋研究開發(fā)等工業(yè)生產(chǎn)與技術(shù)開發(fā)中必不可少的一種檢測(cè)與監(jiān)測(cè)裝置。電導(dǎo)率傳感器主要對(duì)工業(yè)生產(chǎn)用水、 人類生活用水、 海水特性、 電池中電解液性質(zhì)等進(jìn)行測(cè)量與檢測(cè)。
電導(dǎo)率傳感器的種類
電導(dǎo)率傳感器根據(jù)測(cè)量原理與方法的不同可以分為電極型電導(dǎo)率傳感器、電感型電導(dǎo)率傳感器以及超聲波電導(dǎo)率傳感器。
電極型電導(dǎo)率傳感器根據(jù)電解導(dǎo)電原理采用電阻測(cè)量法對(duì)電導(dǎo)率實(shí)現(xiàn)測(cè)量，其電導(dǎo)測(cè)量電極在測(cè)量過程中表現(xiàn)為一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)；電感型電導(dǎo)率傳感器依據(jù)電磁感應(yīng)原理實(shí)現(xiàn)對(duì)液體電導(dǎo)率的測(cè)量；超聲波電導(dǎo)率傳感器根據(jù)超聲波在液體中變化對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，其中以前2種傳感器應(yīng)用最為廣。
電極型電導(dǎo)率傳感器
1、兩電極型電導(dǎo)率傳感器技術(shù)現(xiàn)狀與特點(diǎn)
兩電極型電導(dǎo)率傳感器電導(dǎo)池由一對(duì)電極組成，在電極上施加一恒定的電壓，電導(dǎo)池中液體電阻的變化導(dǎo)致測(cè)量電極的電流發(fā)生變化，并符合歐姆定律，用電導(dǎo)率代替電阻率，用電導(dǎo)代替金屬中的電阻，即用電導(dǎo)率和電導(dǎo)來表示液體的導(dǎo)電能力，從而實(shí)現(xiàn)液體電導(dǎo)率的測(cè)量。
目前，兩電極型電導(dǎo)率傳感器測(cè)量范圍為0~20000μS/cm，并電極常數(shù)不同具有不同的量程：電極常數(shù)為0.01／cm，測(cè)量范圍為0~20μS／cm；電極常數(shù)為0.1／cm，測(cè)量范圍為0.1-200μS／cm；電極常數(shù)為1.0／cm，測(cè)量范圍為10-20 000μS/cm。
傳統(tǒng)電極型電導(dǎo)率傳感器電極是由一對(duì)平板電極組成，電極的正對(duì)面積與距離決定了電極常數(shù)。這種電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作工藝簡(jiǎn)單，但這種電極存在電力線邊緣效應(yīng)以及電極正對(duì)面積、電極間距難以確定等問題，電極常數(shù)不能通過尺寸測(cè)量計(jì)算得出，需要通過標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)定，最常用的一種標(biāo)準(zhǔn)溶液是0．010 0 mol／L氯化鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液。結(jié)合電導(dǎo)池原理對(duì)平板電極進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出了圓柱形電極、點(diǎn)電極、線電極、復(fù)合電極等。
電極型電導(dǎo)率傳感器具有以下特點(diǎn)：1)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便；2)后續(xù)處理電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)；3)測(cè)量精度高；4)使用方便。
2、四電極電導(dǎo)率傳感器技術(shù)現(xiàn)狀與特點(diǎn)
四電極電導(dǎo)池由2個(gè)電流電極和2個(gè)電壓電極組成，電壓電極和電流電極同軸，測(cè)量時(shí)被測(cè)液體在2個(gè)電流電極間的縫隙中通過，電流電極兩端施加了一個(gè)交流信號(hào)并通過電流，在液體介質(zhì)里建立起電場(chǎng)，2個(gè)電壓電極感應(yīng)產(chǎn)生電壓，使2個(gè)電壓電極兩端的電壓保持恒定，通過2個(gè)電流電極間的電流和液體電導(dǎo)率呈線性關(guān)系。
為了滿足海洋研究開發(fā)的需要，中國(guó)國(guó)家海洋技術(shù)中心李建國(guó)對(duì)開放式四電極電導(dǎo)率傳感器展開了研究與開發(fā)，成功研制了用于海水電導(dǎo)率測(cè)量的四電極電導(dǎo)率傳感器，其性能指標(biāo)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平：測(cè)量范圍為0～65 mS／cm；測(cè)量精度為±O．007 mS／cm。
目前成熟的四電極電導(dǎo)率傳感器其測(cè)量范圍為0—2S／cm，并且電極常數(shù)不同具有不同的測(cè)量范圍。
四電極電導(dǎo)率傳感器具有以下特點(diǎn)：1)電流電極同電壓電極分開，電流電極上采用恒流源供電，有效的避免了極化阻抗的影響；2)靈敏度高、抗污染能力強(qiáng)；3)四電極電導(dǎo)池具有超微結(jié)構(gòu)、導(dǎo)流空間大、距離短，適于長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。
3、電極型電導(dǎo)率傳感器的應(yīng)用
電極型電導(dǎo)率傳感器被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)、生活以及軍事領(lǐng)域：1)人類飲用水水質(zhì)的監(jiān)測(cè)；2)工業(yè)用水水質(zhì)監(jiān)測(cè)；3)蓄電池電解液密度的監(jiān)測(cè)；4)電解制氧、制氫裝置中水質(zhì)的監(jiān)測(cè)；5)海洋測(cè)量、海洋資源調(diào)查、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)。
4、電極型電導(dǎo)率傳感器關(guān)鍵技術(shù)
1)電極極化效應(yīng)的消除
為降低電極極化帶來的測(cè)量偏差，通常采取提高供電電源的頻率、電極極板涂鉑黑、加大極板面積等方法。
2)電容效應(yīng)的消除
為了消除電容效應(yīng)，提高測(cè)量靈敏度，通常采取2種方法：一是加大液體電阻，這種方法不容易實(shí)現(xiàn)；二是提高頻率，降低電容容抗。但頻率的提高會(huì)受到一定的限制，一般是高阻時(shí)采用低頻，低阻采用高頻。
3)多電極電導(dǎo)池設(shè)計(jì)制作
多電極電導(dǎo)池要求每對(duì)電極保持嚴(yán)格對(duì)稱，并相對(duì)其他電極的距離固定，這對(duì)電極基座的加工提出了很高的要求。電極基座多采用高性能陶瓷材料制作，電極材料多采用高性能金屬材料，二者膨脹系數(shù)存在較大差異，造成電極的燒結(jié)、封裝困難。通常采用中間溫度系數(shù)的過渡材料進(jìn)行燒結(jié)，封裝，但效果不是十分理想。
5、電極型電導(dǎo)率傳感器未來發(fā)展趨勢(shì)
1)多電極與微電極成為電極型電導(dǎo)率傳感器發(fā)展方向之一。兩電極型電導(dǎo)率傳感器由于存在電極極化，其測(cè)量范圍、測(cè)量精度受到極大的限制，多電極體系電導(dǎo)率傳感器在測(cè)量范圍、測(cè)量精度方面均取得了突破。經(jīng)過多年的研究開發(fā)，目前，四電極結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率傳感器已經(jīng)研制成功，并成功商業(yè)化。中國(guó)國(guó)家海洋技術(shù)中心已經(jīng)開展了七電極電導(dǎo)率傳感器的研究與開發(fā)，并已經(jīng)在電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、燒結(jié)、封裝等方面取得了一定的成就。
2)電導(dǎo)率傳感器與單片機(jī)技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合，電導(dǎo)率傳感器與單片機(jī)技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)測(cè)量的自動(dòng)化，使電導(dǎo)測(cè)量的適應(yīng)性和測(cè)量精度均得到提高。
3)優(yōu)化激勵(lì)信號(hào)的形式使測(cè)量數(shù)據(jù)精度更高，采用速度更快。
4)在電極數(shù)目增加受到限制的情況下，優(yōu)化激勵(lì)順序，針對(duì)同一個(gè)電導(dǎo)率分布盡可能得到最多的獨(dú)立測(cè)量數(shù)據(jù)。
6、電極材料發(fā)展
由于電導(dǎo)率傳感器電導(dǎo)電極具有一定的特殊性，因此對(duì)用于制作電極的材料有一定的要求：1)良好的導(dǎo)電性能；2)由于電極與被測(cè)介質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)會(huì)腐蝕電極表面，要求電極有穩(wěn)定的化學(xué)特性。
常用的電極材料有鉑、不銹鋼、銅、銀等。鉑是一種極好的電極材料，但價(jià)格較高，在實(shí)際應(yīng)用中，一般采用不銹鋼和金屬銅做電極材料。
隨著材料科學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步，一些新型的材料被用來加工電導(dǎo)率傳感器電極，如導(dǎo)電陶瓷、鈦合金等，取得了較好的效果。
電感型電導(dǎo)率傳感器
1、電感型電導(dǎo)率傳感器技術(shù)現(xiàn)狀與特點(diǎn)
電感型電導(dǎo)率傳感器采用電磁感應(yīng)原理對(duì)電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量，液體的電導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)與感應(yīng)電壓／激磁電壓呈正比關(guān)系，激磁電壓保持不變，電導(dǎo)率與感應(yīng)電壓成正比。
電感型電導(dǎo)率傳感器檢測(cè)器不直接與被測(cè)液體接觸，因此，不存在電極極化與電極被污染的問題。電感型電導(dǎo)率傳感器的原理決定了這類傳感器僅適用于測(cè)量具有高電導(dǎo)率的液體：測(cè)量范圍為1000-2000000μS／cm。
電感型電導(dǎo)率傳感器具有以下特點(diǎn)：1)極強(qiáng)的抗污染能力與耐腐蝕性；2)不存在電極極化、電容效應(yīng)，可以用于高電導(dǎo)率液體測(cè)量；3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便；4)制作工藝簡(jiǎn)單。
2、電感型電導(dǎo)率傳感器的應(yīng)用
電感型電導(dǎo)率傳感器多用于高電導(dǎo)率液體的測(cè)量與檢測(cè)：1)海洋開發(fā)與研究，對(duì)海水的鹽度進(jìn)行測(cè)量分析(深海溫鹽深剖面自記儀)；2)生活廢水、工業(yè)廢水水質(zhì)的檢測(cè)；3)化工生產(chǎn)過程中單一組分溶液濃度的監(jiān)測(cè)分析；4)用于強(qiáng)酸、強(qiáng)堿濃度的測(cè)量。
3、電感型電導(dǎo)率傳感器關(guān)鍵技術(shù)
1)傳感器檢測(cè)器制作封裝
激磁線圈與感應(yīng)線圈需要嚴(yán)格在同一軸線，為了提高測(cè)量精度，線匝需要緊密排列，并且線匝之間需要具有良好的屏蔽，降低干擾性耦合的產(chǎn)生。
2)激勵(lì)電壓、頻率
激勵(lì)電壓、頻率決定了電感型電導(dǎo)率傳感器的靈敏度與線性度，在傳感器結(jié)構(gòu)確定的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)確定激勵(lì)電壓、頻率等參數(shù)，使傳感器獲得最佳的靈敏度與線性。
3)檢測(cè)器微型化
電感型電導(dǎo)率傳感器檢測(cè)由線圈構(gòu)成，檢測(cè)器微型化就是將線圈直徑減小、減少匝數(shù)，線圈直徑過小、匝數(shù)過少將會(huì)影響傳感器測(cè)量的靈敏度以及測(cè)量范圍。
4、電感型電導(dǎo)率傳感器未來發(fā)展趨勢(shì)
1)傳感器微型化成為電感型電導(dǎo)率傳感器發(fā)展方向之一。材料加工制備技術(shù)的發(fā)展使得檢測(cè)器有可能實(shí)現(xiàn)微型化，從而使傳感器實(shí)現(xiàn)微型化。
2)電感型電導(dǎo)率傳感器與單片機(jī)、微系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率測(cè)量的自動(dòng)化。通過采用這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)激勵(lì)信號(hào)可調(diào)控性，從而使測(cè)量精度、線性度得到提高。
隨著電導(dǎo)率測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，電導(dǎo)率傳感器已由最初的兩電極型、電感型電導(dǎo)率傳感器發(fā)展到多電極、微電極電導(dǎo)率傳感器，可以看出：多電極、微電極、微結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為電導(dǎo)率傳感器發(fā)展方向，并與單片機(jī)、微系統(tǒng)等技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)率測(cè)量的自動(dòng)化、精密化。
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