CN108387626B - 快速激活固态电极的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种快速激活固态电极系统及方法，该系统包括磁性固态电解质电极和校准台；所述校准台包括校准台基座、试管、电磁铁以及电路板；所述电磁铁设置于校准台基座下方，所述试管设置于所述校准基座上，所述试管内有磁性校准液，所述磁性固态电解质电极浸泡于所述磁性校准液内,所述电路板设置于所述校准台基座内，为所述电磁铁提供电流。该快速激活固态电极系统结构简单，利用电路板向电磁铁提供电流，从而使得电磁铁产生交变磁场，从而加速试管内磁性离子以及磁性电解质电极内的磁性离子运动，实现了磁性电解质电极的快速激活。
Description
技术领域
本发明涉及化学传感器领域，具体涉及一种快速激活固态电极的系统及方法。
背景技术
固态电极是一种以高分子聚合物为基体的全封闭式固态电极，因其具有较大的响应范围、在复杂环境中可取得电信号，并且装置简单、坚固、耐用使得其在诸多领域中具有较大的使用价值。
当前，采用微型固态电极对人体内部胃液中pH值进行检测，以对胃食道返流疾病加以监测。固态电极在使用前需在不同缓冲溶液中进行校准以获得标准曲线，而后通过监测胃液中的电信号转换为H+浓度信号，但校准前的固态电极需在溶液中浸泡激活以保证电极的输出电势稳定。目前，大多数固态电极的激活时间均较慢，有时甚至在未激活时便进行校准，会影响后期离子浓度的准确测定，大大影响固态电极的高效使用，因此，需采取措施提高固态电极的激活速度。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提供一种快速激活固态电极的系统及方法。
为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种快速激活固态电极系统，包括磁性固态电解质电极和校准台；所述校准台包括校准台基座、试管、电磁铁以及电路板；
所述电磁铁设置于校准台基座下方，所述试管设置于所述校准基座上，所述试管内有磁性校准液，所述磁性固态电解质电极浸泡于所述磁性校准液内,所述电路板设置于所述校准台基座内，为所述电磁铁提供电流。
该快速激活固态电极系统结构简单，利用电路板向电磁铁提供电流，从而使得电磁铁产生交变磁场，从而加速试管内磁性离子以及磁性电解质电极内的磁性离子运动，实现了磁性电解质电极的快速激活。
进一步的，所述电磁铁设置于所述试管正下方，这使得磁场能更好的作用于试管内磁性离子以及磁性电解质电极内的磁性离子。
进一步的，所述磁性校准液和磁性固态电解质电极内均含有Fe3O4和/或Fe2O3，这加速了磁性电解质电极的激活。
进一步的，所述电路板包括第一整流模块、H桥逆变器、H桥驱动电路、单片机、导电线圈、传感器和ADC转换模块；
所述第一整流模块输入端连接市电，将市电转换为直流电，所述第一整流模块的输出端连接所述H桥逆变器第一输入端，所述H桥逆变器输出端连接所述导电线圈驱动输入端，所述H桥逆变器将所述直流电转换为交流电，驱动所述导电线圈；
所述传感器对H桥逆变器输出电流进行检测，其输出端连接所述ADC转换模块输入端，将所述传感器所采集的电流信号进行模数信号转换，所述ADC转换模块输出端连接所述单片机输入端，所述单片机输出端连接所述H桥驱动电路输入端，所述H桥驱动电路输入端连接所述H桥逆变器第二输入端。
该电路板将市电通过第一整流模块转化为直流电，再通过H桥逆变器，将该直流电转化为交流电驱动导电线圈，H桥逆变的过程中，输出电流通过传感器进行检测后再以ADC转换模块进行信号转换，传递到单片机后通过H桥驱动电路对输出波形进行调整以达到所需输出波形，控制电流的方向以及大小。
本发明还提出了一种快速激活固态电极的方法，包括以下步骤：
S1，将质量分数为0％ˉ50％的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3与水凝胶物理混合均匀得到磁性固态电解质，再将所述磁性固态电解质、电极以及电极外壳进行组装得到磁性固态电解质电极；
S2，将质量分数为0％ˉ50％的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3分散于不同的pH值的缓冲溶液中，得到磁性校准液；
S3，开启所述快速激活固态电极系统的电源，磁性校准液预热3-5分钟；
S4，将所述磁性固态电解质电极放置入所述磁性校准液中，浸泡1-3分钟后，完成磁性固态电解质电极的激活。
进行校准时，所述快速激活固态电极系统通电后，所述导电线圈周围形成磁场，所述单片机对输出电流进行调节，使得进入电磁铁的电流发生变化，从而得到交变性磁场的效果；
当形成的磁感线方向向上时，试管内部的磁性离子以及磁性电解质中的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3朝上方运动；
当形成的磁感线方向向下时，则试管内部的磁性离子以及磁性电解质中的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3朝下方运动；
通过改变输出电流的方向和大小，加快各磁性粒子的运动速度，使得磁性固态电解质温度升高，磁性固态电解质和校准液中各粒子移动速度加快，实现快速激活所述磁性固态电解质电极。
通过该方法大大缩短固态电极的激活时间且保障了电极后续的使用性能，具有较大实用意义。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是校验台整体结构图；
图2是校验台组装图；
图3是电路板的电路框图；
图4是激活时校准台、磁性固态电解质和磁性校准液的相互作用关系图；
图5是磁性电解质电极装配流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1至图2所示，本发明提供了一种快速激活固态电极系统，包括磁性固态电解质电极和校准台；所述校准台包括校准台基座、试管、电磁铁以及电路板。
所述电磁铁设置于校准台基座下方，所述试管设置于所述校准基座上，所述试管内有磁性校准液，所述磁性固态电解质电极浸泡于所述磁性校准液内,所述电路板设置于所述校准台基座内，为所述电磁铁提供电流。
其中，磁性固态电解质电极通过磁性固态电解质、电极外壳、氯化银电极三者组装而成，磁性固态电解质为具有磁性的高分子聚合物；磁性校准液为含有磁性粒子的固定pH值的缓冲溶液；校准台在校准时提供交变磁场。
试管为非磁场屏蔽材料制成的一端具有开口的管，电磁铁为在铁芯的外部缠绕与其功率相匹配的导电线圈形成的组件，垂直放置于校准台基座下方，当电流通过时会在电磁铁周围形成一个磁场，通过改变电流方向及大小可以改变电磁铁产生的磁场强弱及方向。电路板控制流入电磁铁中电流大小及方向，校准台基座用以进行试管的安放。
磁性固态电解质电极和磁性校准液均含有磁性粒子，校准台可为磁性固态电解质和校准液中的磁性微粒提供交变磁场从而使磁性微粒快速运动。此系统使得固态电极加速激活的原理为：如图4所示，当固态电极进行校准时，磁性固态电解质电极放置于缓冲液中并和缓冲液整体置于校准台上，校准台通电后在其周围产生交变磁场；此时，校准液和磁性固态电解质电极中的磁性微粒在磁场作用下运动，使得磁性固态电解质温度升高，磁性固态电解质和校准液中各粒子移动速度加快，溶液迅速稳定，从而达到快速激活的效果。
其中，电路板，如图3所示，包括第一整流模块、H桥逆变器、H桥驱动电路、单片机、导电线圈、传感器和ADC转换模块。
所述第一整流模块输入端连接市电，将市电转换为直流电，所述第一整流模块的输出端连接所述H桥逆变器第一输入端，所述H桥逆变器输出端连接所述导电线圈驱动输入端，所述H桥逆变器将所述直流电转换为交流电，驱动所述导电线圈。
所述传感器对H桥逆变器输出电流进行检测，其输出端连接所述ADC转换模块输入端，将所述传感器所采集的电流信号进行模数信号转换，所述ADC转换模块输出端连接所述单片机输入端，所述单片机输出端连接所述H桥驱动电路输入端，所述H桥驱动电路输入端连接所述H桥逆变器第二输入端。第二整流模块将市电转换为5V直流电为单片机供电。传感器优选但不限于为霍尔传感器。
电路板将220V交流电通过第一整流模块转化为直流电，再通过H桥逆变器，该直流电转化为交流电驱动导电线圈。H桥逆变的过程中，输出电流通过霍尔传感器进行检测后再以ADC转换模块进行模数信号转换，传递到单片机后通过H桥驱动电路对输出波形进行调整以达到所需输出波形。单片机控制该电路板输出的电路的方向以及大小。
为了使激活效果更好，电磁铁设置于所述试管正下方。磁性校准液和磁性固态电解质电极内均含有Fe3O4和/或Fe2O3。
本发明还提出了一种快速激活固态电极的方法，包括以下步骤：
S1，将质量分数为0％ˉ50％的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3与水凝胶物理混合均匀得到磁性固态电解质，再将所述磁性固态电解质、电极以及电极外壳进行组装得到磁性固态电解质电极，如图5所示。
S2，将质量分数为0％ˉ50％的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3分散于不同的pH值的缓冲溶液中，得到磁性校准液。
S3，开启所述快速激活固态电极系统的电源，磁性校准液预热3-5分钟。
S4，将所述磁性固态电解质电极放置入所述磁性校准液中，浸泡1-3分钟后，完成磁性固态电解质电极的激活。
进行校准时，所述快速激活固态电极系统通电后，所述导电线圈周围形成磁场，所述单片机对输出电流进行调节，使得进入电磁铁的电流发生变化，从而得到交变性磁场的效果；
当形成的磁感线方向向上时，试管内部的磁性离子以及磁性电解质中的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3朝上方运动；
当形成的磁感线方向向下时，则试管内部的磁性离子以及磁性电解质中的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3朝下方运动；
通过改变输出电流的方向和大小，加快各磁性粒子的运动速度，使得磁性固态电解质温度升高，磁性固态电解质和校准液中各粒子移动速度加快，实现快速激活所述磁性固态电解质电极。
本实施例中的磁性固态电解质的还可以有其它制作方法，如下：
1、首先制备多孔或致密的聚合物微球，此微球具有可结合Fe、Co、Ni等金属离子的基团(如2COON、2OH、2SO3H、2NO2、2NH2)，随后依靠高分子在金属盐溶液中的溶胀以及功能基团与金属离子的作用来制备磁性聚合物微球，即磁性固态电解质。
2、在磁性粒子(Fe3O4和/或y-Fe2O3)和有机单体存在的条件下，根据不同的聚合方式加入引发剂、表面活性剂、稳定剂等进行聚合反应，得到核/壳式磁性高分子微球，即磁性固态电解质。
3、将磁性粒子分散于高分子溶液中，通过雾化、絮凝、沉积、蒸发等手段得到磁性高分子微球，即磁性固态电解质。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种快速激活固态电极系统，其特征在于，包括磁性固态电解质电极和校准台；所述校准台包括校准台基座、试管、电磁铁以及电路板；
所述电磁铁设置于校准台基座下方，所述试管设置于校准台基座上，所述试管内有磁性校准液，所述磁性固态电解质电极浸泡于所述磁性校准液内,所述电路板设置于所述校准台基座内，为所述电磁铁提供电流；
磁性固态电解质电极由磁性固态电解质、电极外壳、氯化银电极三者组装而成，磁性固态电解质电极内含有Fe3O4和/或Fe2O3；
所述电路板包括第一整流模块、H桥逆变器、H桥驱动电路、单片机、导电线圈、传感器和ADC转换模块；
所述第一整流模块输入端连接市电，将市电转换为直流电，所述第一整流模块的输出端连接所述H桥逆变器第一输入端，所述H桥逆变器输出端连接所述导电线圈驱动输入端，所述H桥逆变器将所述直流电转换为交流电，驱动所述导电线圈；
所述传感器对H桥逆变器输出电流进行检测，其输出端连接所述ADC转换模块输入端，将所述传感器所采集的电流信号进行模数信号转换，所述ADC转换模块输出端连接所述单片机输入端，所述单片机输出端连接所述H桥驱动电路输入端，所述H桥驱动电路输入端连接所述H桥逆变器第二输入端。
2.根据权利要求1所述的快速激活固态电极系统，其特征在于，所述电磁铁设置于所述试管正下方。
3.根据权利要求1所述的快速激活固态电极系统，其特征在于，所述磁性校准液内含有Fe3O4和/或Fe2O3。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的快速激活固态电极系统的快速激活固态电极的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将质量分数为0％-50％的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3与水凝胶物理混合均匀得到磁性固态电解质，再将所述磁性固态电解质、电极以及电极外壳进行组装得到磁性固态电解质电极；
S2，将质量分数为0％-50％的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3分散于不同的pH值的缓冲溶液中，得到磁性校准液；
S3，开启所述快速激活固态电极系统的电源，磁性校准液预热3-5分钟；
S4，将所述磁性固态电解质电极放置入所述磁性校准液中，浸泡1-3分钟后，完成磁性固态电解质电极的激活。
5.根据权利要求4所述的快速激活固态电极的方法，其特征在于，进行校准时，所述快速激活固态电极系统通电后，所述导电线圈周围形成磁场，所述单片机对输出电流进行调节，使得进入电磁铁的电流发生变化，从而得到交变性磁场的效果；
当形成的磁感线方向向上时，试管内部的磁性离子以及磁性电解质中的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3朝上方运动；
当形成的磁感线方向向下时，则试管内部的磁性离子以及磁性电解质中的纳米Fe3O4和/或γ-Fe2O3朝下方运动；
通过改变输出电流的方向和大小，加快各磁性粒子的运动速度，使得磁性固态电解质温度升高，磁性固态电解质和校准液中各粒子移动速度加快，实现快速激活所述磁性固态电解质电极。
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