一种新型的平面叉指电极传感器的设计与应用实现

摘要

随着物联网应用的蓬勃发展，作为物联网神经末梢的传感器的发展相对缓慢，成为物联网发展的瓶颈。尤其在水质检测领域，深层次的无机盐污染危害严重，逐渐成为研究热点。本文提出了一种用于无机盐离子检测的新型的平面叉指电极传感器，围绕着检测机理和检测有效性展开研究。
　　在检测机理方面，本文以交流激励下的电极过程为基础，构建传感器-水体耦合模型，量化分析传感器-水体界面结构和电学性质，提出了平面叉指电极传感器的双电层模型。使用通用电学元件及其组合来等效传感器-水体界面的物理过程，建立了等效电路电路元件与物理过程之间的映射关系，最终提出了在无机盐溶液检测中平面叉指电极传感器的等效电路模型。基于交流阻抗分析，分别探讨了低频率段和高频率段的双电层结构及其对应的等效电路模型，并提出了以优化电极常数为目标的平面叉指电极传感器结构优化策略。
　　在检测有效性分析方面，使用COMSOL Multiphysic进行电极形状仿真探讨不同形状的电极在检测效果上的差异，明确了叉指结构的优越性。为此设计制作九组结构参数各异的传感器，并搭建实验平台进行测试。通过实验分析了传感器对硝酸盐的检测能力以及对不同无机盐的鉴别能力，实验证明平面叉指电极传感器具有较好的效用。最终结合平面叉指电极传感器与商用传感器，搭建了可实时获取水质信息，空间位置信息以及水面视频的分布式水质感知系统，为平面叉指电极传感器的应用奠定硬件和平台基础。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容及章节安排

第2章 电极-水体耦合模型与等效电路

2.1 交流激励下的电极-水体模型

2.2 电极-水体界面的双电层模型

2.3 等效电路基本构成

2.4 本章小结

第3章 平面叉指电极传感器检测机理分析

3.1 平面叉指电极传感器双电层模型

3.2 平面叉指电极传感器等效电路构建

3.3 平面叉指电极传感器结构优化

3.4 本章小结

第4章 平面叉指电极传感器仿真与实验分析

4.1 平面叉指电极传感器仿真分析

4.2 平面叉指电极传感器的设计与制作

4.3 实验平台的配置

4.4 实验分析与讨论

4.5 本章小结

第5章 分布式水质智能感知系统

5.1 分布式水质智能感知系统的设计方案

5.2 传感器的选型与设计

5.3 数据采集系统整体方案设计

5.4 分布式无线传输模块设计

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1本文工作总结

6.2未来工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果