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

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

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

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。