CN106018504B - 一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法 - Google Patents
一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106018504B CN106018504B CN201610301258.4A CN201610301258A CN106018504B CN 106018504 B CN106018504 B CN 106018504B CN 201610301258 A CN201610301258 A CN 201610301258A CN 106018504 B CN106018504 B CN 106018504B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water content
- temperature
- sensor
- compensation
- double compensation
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 title claims description 10
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 title claims 9
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title abstract description 12
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 53
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 26
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000001139 pH measurement Methods 0.000 claims abstract description 16
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 5
- 239000011889 copper foil Substances 0.000 claims description 4
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 3
- 238000012417 linear regression Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 3
- 238000000540 analysis of variance Methods 0.000 claims 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 claims 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 abstract description 16
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 8
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 6
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011707 mineral Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000611 regression analysis Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法，通过含水量传感器经过信号处理电路输出含水量θ，pH传感器经过信号处理电路输出电压E，热电阻温度传感器经过信号处理电路输出温度T；判断含水量θ的大小，若θ小于10％，则pH测量结果不可信，增加含水量，再次进行测量，直到含水量θ大于10％；若10％<θ<50％，则对pH测量结果进行温度含水量双补偿处理；若θ大于50％，则对pH测量结果进行温度单补偿处理。本发明制备的土壤栽培基质复合传感器经过温度和含水量补偿，提高了对不同含水量和不同温度情况下pH测量的适应性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及电化学传感器的制备领域，更具体的说是涉及一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法，用于实现对有一定含水量的土壤、栽培基质的pH测试。
背景技术
土壤和栽培基质是由矿物和有机物的混合组成，存在着固体，气体和液体状态，属于非均相体系，液体和气体主要存在于固体颗粒间隙中，复杂的组成和非均相混合态，使得土壤表现出迥然不同的物理化学特性，为土壤栽培基质等的理化性状的原位测量带来难度。
土壤和栽培基质等的pH测量，实质是检测土壤基质等中的氢离子的浓度。众所周知，氢离子主要是由酸在水中电离产生。而且氢离子是“裸露”的质子，半径很小，极易被其他水分子吸引生成水合氢离子(H3O+)，通常情况下氢离子都是以水合氢离子的形式存在。因此，土壤中氢离子与土壤中的水息息相关，要实现土壤基质等非均相体系的pH的原位测量，就必须找到一种方法能够快速吸附土壤中的水分，进而吸附氢离子，进而快速原位测量土壤栽培基质等的pH。然而，即使对于同一被测对象，当含水量不同时，往往具有不同的pH值，从而无法准确衡量土壤栽培基质等的pH水平；同时，基于能斯特响应的pH传感器，对温度具有很明显的依赖性，因此要实现对土壤栽培基质等的pH原位测量，必须考虑含水量及温度对pH测量的影响。
目前关于pH值检测补偿技术的研究主要集中于普通pH电极的温度补偿上，如陈瑶等在其论文《pH传感器温度补偿模型研究》中提到以铂电阻温度传感器和最小二乘法建立水质pH监测中的温度补偿模型；又如中国发明专利公开号CN201110381702.5公开了一种pH测量仪的自动三点标定和温度补偿方法，对复合玻璃电极pH检测进行了温度补偿。以上研究主要针对的是溶液环境下的pH检测，对pH电极进行温度补偿，在一定程度上提高了pH检测精度，但是对于土壤、栽培基质等复杂环境的pH检测补偿问题并未涉及。
发明内容
本发明克服已有pH传感器技术的不足，提出一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法，用于实现对有一定含水量的土壤、栽培基质等的pH测试。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法，通过含水量传感器经过信号处理电路输出含水量θ，pH传感器经过信号处理电路输出电压E，热电阻温度传感器经过信号处理电路输出温度T；判断含水量θ的大小，若θ小于10％，则pH测量结果不可信，增加含水量，再次进行测量，直到含水量θ大于10％；若10％<θ<50％，则对pH测量结果进行温度含水量双补偿处理；若θ大于50％，则对pH测量结果进行温度单补偿处理。
上述方案中，温度含水量双补偿方法为：pH传感器标定方程为E＝k*pH+b，其中k为响应斜率，b为常数项，通过双因素正交试验和多元回归方差分析，分别确定温度T和含水量θ对响应斜率k和常数项b的补偿模型，经过温度含水量双补偿，得到
上述方案中，所述的温度单补偿方法为：通过分段测量多种温度下的pH值，采用最小二乘法进行线性回归分析，确定温度T对响应斜率k和常数项b的补偿模型，经过温度补偿，得到
上述方案中，所述含水量传感器，pH传感器，热电阻温度传感器和信号处理电路均集成到基板上。
上述方案中，所述含水量传感器采用平板电容法制成，以嵌入基板中的铜箔极板作为敏感元件。
上述方案中，所述pH传感器采用平板式薄膜全固态复合pH传感器，所述平板式薄膜全固态复合pH传感器采用石墨烯基作为基底材料，并分别对电极表面进行织构化处理，形貌为凹坑或凹槽。
上述方案中，所述平板式薄膜全固态复合pH传感器包括工作电极和参比电极，分别布置在基板的两个表面。
有益效果：
(1)本发明制备的土壤栽培基质复合传感器经过温度和含水量补偿，提高了对不同含水量和不同温度情况下pH测量的适应性和准确性。
(2)对pH传感器参比电极和工作电极表面进行织构化处理，织构化表面呈现出超亲水特性，从而达到快速吸附氢离子的目的，实现pH的快速测量。
附图说明
图1是本发明所述的土壤栽培基质多参数复合传感器结构示意图。
图2是含水量传感器截面示意图。
图3是pH传感器截面示意图。
图4是本发明所述的一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法工作流程图。
其中，1-含水量传感器；2-pH传感器；3-热电阻温度传感器；4-信号处理电路；5-基板；11-铜箔极板；21-工作电极；22-参比电极；23-石墨烯基。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述：
如图4所示，一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法，通过含水量传感器1经过信号处理电路4输出含水量θ，pH传感器2经过信号处理电路4输出电压E，热电阻温度传感器3经过信号处理电路4输出温度T；判断含水量θ的大小，若θ小于10％，则pH测量结果不可信，增加含水量，再次进行测量，直到含水量θ大于10％；若10％<θ<50％，则对pH测量结果进行温度含水量双补偿处理；若θ大于50％，则对pH测量结果进行温度单补偿处理。
温度含水量双补偿方法为：pH传感器标定方程为E＝k*pH+b，其中k为响应斜率，b为常数项，通过双因素正交试验和多元回归方差分析，分别确定温度T和含水量θ对响应斜率k和常数项b的补偿模型，经过温度含水量双补偿，得到
所述的温度单补偿方法为：通过分段测量多种温度下的pH值，采用最小二乘法进行线性回归分析，确定温度T对响应斜率k和常数项b的补偿模型，经过温度补偿，得到
如图1所示，所述含水量传感器1，pH传感器2，热电阻温度传感器3和信号处理电路4均集成到基板5上。
如图2所示，所述含水量传感器1采用平板电容法制成，以嵌入基板5中的铜箔极板11作为敏感元件。所述pH传感器2采用平板式薄膜全固态复合pH传感器，所述平板式薄膜全固态复合pH传感器采用石墨烯基23作为基底材料，并分别对电极表面进行织构化处理，形貌为凹坑或凹槽。
如图3所示，所述平板式薄膜全固态复合pH传感器2包括工作电极21和参比电极22，分别布置在基板5的两个表面。
Claims (5)
1.一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法，其特征在于，通过含水量传感器(1)经过信号处理电路(4)输出含水量θ，pH传感器(2)经过信号处理电路(4)输出电压E，热电阻温度传感器(3)经过信号处理电路(4)输出温度T；判断含水量θ的大小，若θ小于10％，则pH测量结果不可信，增加含水量，再次进行测量，直到含水量θ大于10％；若10％<θ<50％，则对pH测量结果进行温度含水量双补偿处理；所述温度含水量双补偿处理方法为：pH传感器标定方程为E＝k*pH+b，其中k为响应斜率，b为常数项，通过双因素正交试验和多元回归方差分析，分别确定温度T和含水量θ对响应斜率k和常数项b的补偿模型，经过温度含水量双补偿，得到
若θ大于50％，则对pH测量结果进行温度单补偿处理，所述的温度单补偿处理方法为：通过分段测量多种温度下的pH值，采用最小二乘法进行线性回归分析，确定温度T对响应斜率k和常数项b的补偿模型，经过温度补偿，得到
2.根据权利要求1所述的一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法，其特征在于，所述含水量传感器(1)，pH传感器(2)，热电阻温度传感器(3)和信号处理电路(4)均集成到基板(5)上。
3.根据权利要求1所述的一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法，其特征在于，所述含水量传感器(1)采用平板电容法制成，以嵌入基板(5)中的铜箔极板(11)作为敏感元件。
4.根据权利要求1所述的一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法，其特征在于，所述pH传感器(2)采用平板式薄膜全固态复合pH传感器，所述平板式薄膜全固态复合pH传感器采用石墨烯基(23)作为基底材料，并分别对电极表面进行织构化处理，形貌为凹坑或凹槽。
5.根据权利要求4所述的一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法，其特征在于，所述平板式薄膜全固态复合pH传感器(2)包括工作电极(21)和参比电极(22)，分别布置在基板(5)的两个表面。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610301258.4A CN106018504B (zh) | 2016-05-09 | 2016-05-09 | 一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610301258.4A CN106018504B (zh) | 2016-05-09 | 2016-05-09 | 一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106018504A CN106018504A (zh) | 2016-10-12 |
| CN106018504B true CN106018504B (zh) | 2018-10-09 |
Family
ID=57098863
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610301258.4A Active CN106018504B (zh) | 2016-05-09 | 2016-05-09 | 一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106018504B (zh) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106645329B (zh) * | 2016-11-09 | 2019-02-05 | 江苏大学 | 一种GO-Nafion双层膜修饰的pH、含水量复合传感器及其制备方法 |
| CN107345928A (zh) * | 2017-08-28 | 2017-11-14 | 云南神谷科技股份有限公司 | 一种具有金属电极的土壤pH值传感器 |
| JP6996738B2 (ja) * | 2017-10-27 | 2022-01-17 | ラピスセミコンダクタ株式会社 | 測定装置 |
| CN110514721B (zh) | 2019-07-24 | 2021-08-03 | 江苏大学 | 一种自储水自补水pH传感器 |
| CN110927223B (zh) * | 2019-12-12 | 2021-07-30 | 中国农业大学 | 一种土壤含水量校正装置及其进行校正的方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1041652A (zh) * | 1988-07-11 | 1990-04-25 | K.D.T.系统有限公司 | 湿度检测探头 |
| US5430384A (en) * | 1994-07-22 | 1995-07-04 | Onset Computer Corp. | Temperature compensated soil moisture sensor |
| CN102830684A (zh) * | 2012-09-14 | 2012-12-19 | 江苏物联网研究发展中心 | 一种实用的植物生长环境监测控制系统 |
| CN203015562U (zh) * | 2012-11-15 | 2013-06-26 | 广东机电职业技术学院 | 立体绿化无线智能灌溉系统 |
| CN103424147A (zh) * | 2013-08-27 | 2013-12-04 | 江苏大学 | 无土栽培基质多参数检测仪 |
| CN104007158A (zh) * | 2014-05-21 | 2014-08-27 | 江苏大学 | 全固态一体式pH复合电极装置及其电极的制备方法 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1023154C (zh) * | 1989-12-31 | 1993-12-15 | 中南林学院 | 土壤水分双电极田间定位测量仪 |
| WO2008052351A1 (en) * | 2006-11-03 | 2008-05-08 | Hortau Inc. | Porous medium electrical conductivity sensor |
| CN102072925A (zh) * | 2010-08-16 | 2011-05-25 | 江苏大学 | 一种基质湿度、电导率原位检测仪及用于盐分测定的方法 |
| CN102175737A (zh) * | 2010-12-30 | 2011-09-07 | 中国科学技术大学 | 营养液组分在线检测的离子选择电极交叉敏感校正方法及装置 |
| CN102435645B (zh) * | 2011-12-28 | 2013-10-23 | 江苏大学 | 一种无土栽培基质含水量、电导率检测方法及其传感器 |
| CN102565150A (zh) * | 2012-01-13 | 2012-07-11 | 北京盈胜泰科技术有限公司 | 一种土壤相对湿度和土壤肥力变化的检测装置及监测系统 |
| CN103207217B (zh) * | 2013-04-26 | 2015-04-22 | 江苏大学 | 一种非插入式栽培基质含水量传感器 |
-
2016
- 2016-05-09 CN CN201610301258.4A patent/CN106018504B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1041652A (zh) * | 1988-07-11 | 1990-04-25 | K.D.T.系统有限公司 | 湿度检测探头 |
| US5430384A (en) * | 1994-07-22 | 1995-07-04 | Onset Computer Corp. | Temperature compensated soil moisture sensor |
| CN102830684A (zh) * | 2012-09-14 | 2012-12-19 | 江苏物联网研究发展中心 | 一种实用的植物生长环境监测控制系统 |
| CN203015562U (zh) * | 2012-11-15 | 2013-06-26 | 广东机电职业技术学院 | 立体绿化无线智能灌溉系统 |
| CN103424147A (zh) * | 2013-08-27 | 2013-12-04 | 江苏大学 | 无土栽培基质多参数检测仪 |
| CN104007158A (zh) * | 2014-05-21 | 2014-08-27 | 江苏大学 | 全固态一体式pH复合电极装置及其电极的制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 《Responses of soil respiration and its temperature/moisture sensitivity to precipitation in three subtropical forests in southern China》;H.Jiang 等;《Biogeosciences》;20130618;第10卷;3963-3982页 * |
| 《便携式无土栽培基质多参数无线检测仪》;徐坤 等;《农业机械学报》;20150331;第46卷(第3期);302-309页 * |
| 《基于修饰膜的全固态pH传感器及应用研究》;徐坤;《CNKI中国博士论文全文数据库》;20171231;85-102页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106018504A (zh) | 2016-10-12 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106018504B (zh) | 一种土壤基质栽培多参数复合传感器的pH检测双补偿方法 | |
| Ansari et al. | Current progress in organic–inorganic hetero-nano-interfaces based electrochemical biosensors for healthcare monitoring | |
| Li et al. | Porous ionic membrane based flexible humidity sensor and its multifunctional applications | |
| Ali et al. | Potentiometric determination of iron in polluted water samples using new modified Fe (III)-screen printed ion selective electrode | |
| Hernández et al. | Determination of calcium ion in sap using carbon nanotube-based ion-selective electrodes | |
| JP2017534064A5 (zh) | ||
| CN111189892A (zh) | 一种基于DGT技术检测土壤Eh变化的方法 | |
| CN103954691B (zh) | 一种材料成分分数无损检测方法 | |
| CN104977293B (zh) | 一种电化学发光检测金属离子的方法 | |
| CN103528928A (zh) | 一种基于石墨烯的单细胞传感方法 | |
| Hossain et al. | Micro-heater embedded ISFET pH sensor with high-k gate dielectrics for enhanced sensitivity | |
| CN103837582B (zh) | 一种用于土遗址保护的微损夯土盐分测量前端结构 | |
| CN101995424A (zh) | 塑料电位离子选择感测器及其制造方法 | |
| CN110568144B (zh) | 一种氨氮检测的温度补偿方法 | |
| CN2715151Y (zh) | 土壤盐分传感器 | |
| CN103674169A (zh) | 无管埋入式地下水水位及水位变化的自动测量方法 | |
| CN107091861A (zh) | 一种测量水下不同深度水体电阻率的装置及方法 | |
| Ping et al. | Screen-printed potentiometric strip for calcium ion determination in water and milk | |
| CN103149265B (zh) | 基于线性扫描伏安法和三电极传感器快速测定铜的方法 | |
| CN109507267A (zh) | 用于生物硫化氢快捷检测的传感材料及其制备方法 | |
| CN104977334B (zh) | 一种测量生物需氧量的实验装置和方法 | |
| CN104849594B (zh) | 离子液体电输运性质高精度测量装置及用其测量磁电阻效应的方法 | |
| Joly et al. | All-solid-state multimodal probe based on ISFET electrochemical microsensors for in-situ soil nutrients monitoring in agriculture | |
| Gong et al. | Research on coplanar capacitive sensor design for film thickness measurement | |
| CN103123333B (zh) | 基于三电极传感器和示差脉冲伏安法快速测定铅的方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |