CN105223379A - 一种岩土渗流监测传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岩土渗流监测传感器及制备方法，该传感器制备方法包括以下步骤：（1）计算确定电解电极与电导电极间距；（2）确定基板的材质、形状及尺寸；（3）确定电解电极的材质、形状及尺寸；（4）确定电导电极的材质、形状、尺寸及数目；（5）电极制作及固定。本发明制作的传感器结构简单，体积小，成本低廉，示踪过程不引入新物质，无环境污染，方法所需测量距离小，能同时测定多个方向上的流速分量。

Description

一种岩土渗流监测传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及岩土渗流监测技术领域，尤其涉及一种岩土渗流监测传感器及制备方法。

背景技术

渗流流向、流速是岩土工程、水文地质领域非常重要的参数，对于污染物运移、油气开发、水土流失等相关问题的研究也具有重大意义。传统示踪法，由于示踪剂多为染料或电解质溶液，需要专门的投药装置，且投药点与测量位置必须间隔较长距离，难以成设计成一体化传感器实现连续监测；热示踪通过测量温度场变化，确定渗流流速、流向，光纤式测温渗流监测系统属于该种类型的其典型代表，由于光纤式测温渗流监测系统需要在监测范围内铺设光纤，故成本较高。因此，渗流监测迫切需要一种成本低廉切能充分满足实时量测传感器及制备方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种岩土渗流监测传感器及制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种岩土渗流监测传感器，包括基板和固定设置在基板上的一对电解电极以及一对或多对电导电极；

所述电解电极用于产生电解极化，

所述电导电极用于测量系统电导率。

按上述方案，所述电解电极与电导电极的最小间距d通过下式确定：

$d=\frac{5}{\mathrm{\ϵ}}\·\frac{D_L}{u_{\min }};$

其中，ε为测量允许的相对误差，D_L为所测量水中离子扩散系数，u_min为设计最小流速。

按上述方案，所述电解电极的形状为针型、圆盘型或同心圆型。

按上述方案，所述电导电极的形状为针型、圆盘型或带型。

一种岩土渗流监测传感器的制备方法，传感器包括基板和固定设置在基板上的电解电极以及电导电极；包括以下步骤：

1)确定电解电极与电导电极间距；最小电极间距可通过流速测量下限按下式进行估算：

$d=\frac{5}{\mathrm{\ϵ}}\·\frac{D_L}{u_{\min }}---\left(1\right)$

式(1)中d为最小电极间距，ε为测量允许的相对误差，D_L为所测量水中离子扩散系数，u_min为设计最小流速。

2)确定基板的材质、形状及尺寸。基板的材质依测量对象而确定，对于混凝土类的可以直接固定电极的测量对象，可以省略基板，将电极直接固化在混凝土内；对于无法固定电极的测量对象，可采用但不限于塑料、玻璃、树脂。基板的形状在保证电极布置的前提下无特殊要求。基板的尺寸应满足上述布置(1)中的最小电极间距。

3)确定电解电极的材质、形状及尺寸；所述电解电极材质为常温下导电的固态材质，所述电解电极的形状为针型、圆盘型或同心圆型，所述电解电极的尺寸在基板允许的范围内依电极常数而定；

电解电极材质采用常温下导电的固态材质，如铂、金、铜、不锈钢、石墨等。电解电极的形状依据传感器的测量目的确定，若测量固定方向的流速测量，可采用但不限于针型、圆盘型；若测量非固定方向的流速测量，可采用单不限于同心圆型。电解电极的尺寸在基板允许的范围内依电极常数而定，电解电极的电极常数应在0.1cm^-1-1cm^-1范围内。

4)确定电导电极的材质、形状、尺寸及数目；所述电导电极材质采用常温下导电的固态材质，所述电导电极的形状为针型、圆盘型或带型；所述电导电极的尺寸在基板允许的范围内依被测量溶液电导率范围而定；电导电极的数目为一对或多对；

电导电极材质采用常温下导电的固态材质，如铂、金、铜、不锈钢、石墨等。电导电极的形状可采用但不限于针型、圆盘型、带型。电导电极的尺寸在基板允许的范围内依被测量溶液电导率范围而定。电导电极的数目根据测量需要确定，固定方向的流速测量设置一对，非固定方向的流速测量设置多对；

5)电极制作及固定；将基板裁剪成确定的形状及尺寸，电极材料裁剪成确定的形状及尺寸，采用胶黏剂或等效方法将电导电极和电解电极固定在基板上，电导电极和电解电极间距固定且符合步骤1)中的约束。

本发明产生的有益效果是：本发明传感器结构简单，体积小，成本低廉，示踪过程不引入新物质，无环境污染，方法所需测量距离小，能同时测定多个方向上的流速分量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例装置的结构示意图；

图2是本发明实施例装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实例1：测量电导率在50-1500μScm^-1之间的天然水，流速范围0.01cms^-1-0.1cms^-1，固定方向的流速测量传感器及制备方法，

如图1所示，该传感器包括基板和固定设置在基板上的一对电解电极以及一对或多对电导电极；

所述电解电极用于产生电解极化；

所述电导电极用于测量系统电导率；

取最小流速u_min＝0.01cm·s^-1，D_L＝10^-5cm²·s^-1，ε＝1％，计算电解电极与电导电极的最小间距d， $d=\frac{5}{\mathrm{\ϵ}}\·\frac{D_L}{u_{\min }}=0.5cm.$

电解电极的材质采用铜；电极形状采用平行条带，电极宽1.00mm，长5.00mm，厚度35μm，间隔距离1.00mm，电极常数约为0.4；

电导电极的材质采用铜、电极形状采用平行条带，电极宽1.00mm，长5.00mm，厚度35μm，间隔距离1.00mm，电极常数约为0.4。电导电极数量为一对，设置在下游方向；

基板材质采用FR-4单面覆铜板，厚度0.8mm，铜箔厚度1oz，形状为长方形，长25mm，宽5.00mm。

该传感器的制备方法包括以下步骤：

(1)确定电解电极与电导电极间距。取最小流速u_min＝0.01cm·s^-1，D_L＝10^-5cm²·s^-1，ε＝1％，计算最小电极间距

(2)确定电解电极的材质、形状及尺寸。电解电极的材质采用铜；电极形状采用平行条带，电极宽1.00mm，长5.00mm，厚度35μm，间隔距离1.00mm，电极常数约为0.4；

(3)确定电导电极的材质、形状、尺寸及数目。天然水电导率在50-1500μScm^-1之间，按电导率测量规范，电导常数应在0.1cm^-1-1cm^-1之间。电导电极的材质采用铜、电极形状采用平行条带，电极宽1.00mm，长5.00mm，厚度35μm，间隔距离1.00mm，电极常数约为0.4。电导电极数量为一对，设置在下游方向；

(4)确定基板的材质、形状及尺寸。基板材质采用FR-4单面覆铜板，厚度0.8mm，铜箔厚度1oz，形状为长方形，长25mm，宽5.00mm；

(5)电极制作及固定。基板裁剪成步骤(4)形状及尺寸，去油洗净烘干，用油性笔按步骤(2)形状、尺寸在基板一端覆铜面上绘制电解电极，按步骤(1)在距离电解电极2cm位置的覆铜面上用油性笔按步骤(3)形状、尺寸绘制一对电导电极，待油墨干透后放入盐酸、双氧水、水体积比为2:1:4的溶液中，待覆铜面上余铜腐蚀完后取出，先用水洗净，再用丙酮去除油墨，最后用水清洗完成传感器制作。

实例2：测量电导率在50-1500μScm^-1之间的天然水，流速范围0.01cms^-1-0.1cms^-1，非固定方向的流速测量传感器及制备方法。

如图2所示，该传感器包括基板和固定设置在基板上的一对电解电极以及一对或多对电导电极；

所述电解电极用于产生电解极化；

所述电导电极用于测量系统电导率；

取最小流速u_min＝0.01cm·s^-1，D_L＝10^-5cm²·s^-1，ε＝1％，计算电解电极与电导电极的最小间距d， $d=\frac{5}{\mathrm{\ϵ}}\·\frac{D_L}{u_{\min }}=0.5cm.$

电解电极的材质采用铜；电极形状采用同心圆，内电极直径1.00mm、线宽0.50mm，外电极直径3.00mm、线宽0.50mm，电极厚度35μm，间隔距离1.00mm，电极常数约为0.2；

电导电极的材质采用铜，电极形状采用平行弧带，内电极直径8mm、线宽0.50mm、弧度60°，外电极直径10mm、线宽0.50mm、弧度60°，电极厚度35μm，电极常数约为0.3；平行弧带电导电极数量为4对，与电解电极同心均匀分布，电导电极间间隔30°；

基板材质采用FR-4单面覆铜板，厚度0.8mm，铜箔厚度1oz，形状为圆形，直径12.00mm。

包括以下步骤：

(1)确定电解电极与电导电极间距。取最小流速u_min＝0.01cm·s^-1，D_L＝10^-5cm²·s^-1，ε＝1％，计算最小电极间距

(2)确定电解电极的材质、形状及尺寸。电解电极的材质采用铜；电极形状采用同心圆，内电极直径1.00mm、线宽0.50mm，外电极直径3.00mm、线宽0.50mm，电极厚度35μm，间隔距离1.00mm，电极常数约为0.2；

(3)确定电导电极的材质、形状及尺寸。天然水电导率在50-1500μScm^-1之间，按电导率测量规范，电导常数应在0.1cm^-1-1cm^-1之间。电导电极的材质采用铜，电极形状采用平行弧带，内电极直径8mm、线宽0.50mm、弧度60°，外电极直径10mm、线宽0.50mm、弧度60°，电极厚度35μm，电极常数约为0.3。电导电极数量4对，与电解电极同心均匀分布，电导电极间间隔30°；

(4)确定基板的材质、形状及尺寸。基板材质采用FR-4单面覆铜板，厚度0.8mm，铜箔厚度1oz，形状为圆形，直径12.00mm；

(5)电极制作及固定。基板裁剪成步骤(4)形状及尺寸，去油洗净烘干，用油性笔按步骤(2)形状、尺寸在基板一端覆铜面上绘制电解电极，按步骤(1)计算的间距在覆铜面上用油性笔按步骤(3)形状、尺寸绘制四对电导电极，待油墨干透后放入盐酸、双氧水、水体积比为2:1:4的溶液中，待覆铜面上余铜腐蚀完后取出，先用水洗净，再用丙酮去除油墨，最后用水清洗完成传感器制作。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种岩土渗流监测传感器，其特征在于，包括基板和固定设置在基板上的一对电解电极以及一对或多对电导电极；

所述电解电极用于产生电解极化；

所述电导电极用于测量系统电导率。

2.根据权利要求1所述的岩土渗流监测传感器，其特征在于，所述电解电极与电导电极的最小间距d通过下式确定：

$d=\frac{5}{\mathrm{\ϵ}}\·\frac{D_L}{u_{\min }};$

其中，ε为测量允许的相对误差，D_L为所测量水中离子扩散系数，u_min为设计最小流速。

3.根据权利要求1所述的岩土渗流监测传感器，其特征在于，所述电解电极的形状为针型、圆盘型或同心圆型。

4.根据权利要求1所述的岩土渗流监测传感器，其特征在于，所述电导电极的形状为针型、圆盘型或带型。

5.一种岩土渗流监测传感器的制备方法，传感器包括基板和固定设置在基板上的电解电极以及电导电极；其特征在于，包括以下步骤：

1)确定电解电极与电导电极间距；最小电极间距可通过流速测量下限按下式进行估算：

$d=\frac{5}{\mathrm{\ϵ}}\·\frac{D_L}{u_{\min }}---\left(1\right)$

式(1)中d为最小电极间距，ε为测量允许的相对误差，D_L为所测量水中离子扩散系数，u_min为设计最小流速；

2)确定基板的形状及尺寸；基板的形状在保证电极布置的前提下无特殊要求；基板的尺寸应满足上述最小电极间距；

3)确定电解电极的材质、形状及尺寸；所述电解电极材质为常温下导电的固态材质，所述电解电极的形状为针型、圆盘型或同心圆型，所述电解电极的尺寸在基板允许的范围内依电极常数而定；

4)确定电导电极的材质、形状、尺寸及数目；所述电导电极材质采用常温下导电的固态材质，所述电导电极的形状为针型、圆盘型或带型；所述电导电极的尺寸在基板允许的范围内依被测量溶液电导率范围而定；电导电极的数目为一对或多对；

5)电极制作及固定；将基板裁剪成确定的形状及尺寸，电极材料裁剪成确定的形状及尺寸，采用胶黏剂或等效方法将电导电极和电解电极固定在基板上，电导电极和电解电极间距固定且符合步骤1)中的约束。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3)中电解电极的形状依据传感器的测量目的确定。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤4)中电导电极的数目根据测量需要确定。