CN205898741U - 探测海底热液的数据自容式丝状三电极传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种探测海底热液的数据自容式丝状三电极传感系统，实现海底热液羽状流中的金属离子浓度异常检测，同时引入温度传感，完成不同传感器数据融合与校准，提高了极端环境中的传感器的检测准确性和抗干扰能力。该传感器系统由钛合金耐压腔体和固定在腔体内的数据自容式金属离子检测仪器组成，其中金属离子检测仪器包括电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和传感器，以完成系统的自动检测与数据存储，实现对海底金属离子浓度和温度的长期监测，对于海底热液探测具有极大的参考价值与应用前景。

Description

探测海底热液的数据自容式丝状三电极传感系统

技术领域

本实用新型涉及电化学传感器领域，尤其涉及一种用于海底复杂环境的金属离子浓度和温度异常长期监测的丝状三电极传感系统。

背景技术

海底热液活动普遍发生在大洋中活动板块边界以及板内火山活动中心。海底热液对于人类认识地球深处活动、海底热液矿产探索、极端环境下生物进化方式以及生命起源等科学问题的研究有着重要的意义。海底热液富含多种金属成分，海底金属离子浓度异常探测对海底热液及海底热液矿床的发现有着重要的意义。

海底由于环境复杂特殊，常规金属离子检测设备很难用于现场原位检测，传统的先深海采样、再实验室检测的方式，不仅工作量大、耗时久，而且技术难度大，耗费大量人力物力。相比之下，溶出伏安法通过在恒定电位下对重金属离子预富集，极大提高工作电极表面重金属的浓度，随后施加由负至正的扫描电压，使富集的重金属重新氧化为离子态，通过重金属对应的特征峰进行定量分析。溶出伏安法具有很低的检测下限，能同时检测多种重金属，测量时间短，灵敏度高，操作简单，可作为快速长期监测手段。

传统大电极尺寸较大，结构不具韧性，且多采用聚四氟乙烯等材料封装，很难保证海底高压环境下的正常使用，同时微纳电极由于采用硅基底或玻璃基底，材料易碎，也难以在复杂海底环境中使用。丝状金属电极尺寸小，具有金属韧性与强度，适应海底高压环境中。目前，尚未见有关国内外研究者将丝状三电极用于海底热液金属离子浓度探测的相关报告。

随着海底探测需求的发展，海底金属离子长期原位监测愈加重要。本实用新型采用丝状金电极、丝状铂电极以及电镀氯化银的丝状银电极的丝状三电极组合，引入温度传感数据对金属离子浓度模型校准，同时用于修正海底热液预测模型，以解决海底洋流温度等多种因素影响，提高海底热液传感器的抗干扰能力。同时该系统钛合金耐压腔体内含聚合物锂电池和串行闪存，可以满足海底长期电源供应和数据存储的需求，在深海探测等方面具有极大的应用前景。

发明内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种探测海底热液的数据自容式丝状三电极传感系统，本实用新型可以用于海底金属离子浓度和温度的长期监测，达到海底热液探测的应用要求。

本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：一种探测海底热液的数据自容式丝状三电极传感系统，该系统由钛合金耐压腔体和数据自容式金属离子检测仪器组成；所述金属离子检测仪器包括电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和传感器；所述传感器包括丝状金电极、丝状铂电极、丝状银电极和温度传感器；丝状银电极通过电镀方式在表面电镀一层氯化银膜；所述丝状金电极、丝状铂电极、丝状银电极和温度传感器固定在钛合金耐压腔体的钛合金密封盖上，一端暴露在腔体外部；所述电源模块、模拟电路模块和数字电路模块通过铜柱固定在钛合金耐压腔体腔内，模拟电路模块通过同轴屏蔽线分别与丝状金电极、丝状铂电极、丝状银电极和温度传感器相连；所述数字电路模块和模拟电路模块通过电源线与电源模块相连。

进一步地，所述丝状金电极作为工作电极，且为直径0.5mm、长10mm的金丝；所述丝状铂电极作为对电极，且为直径0.5mm、长10mm的铂丝；所述丝状银电极作为参比电极，且为直径0.5mm、长10mm的银丝。

进一步地，所述模拟电路模块包括I/V变换电路，滤波、调零及放大电路，模数转换电路，运算放大器，数模转换电路，温度传感器调理电路和有缘屏蔽电路；所述数字电路模块包括微处理器、实时时钟芯片、存储芯片和串行接口；所述电源模块包括聚合物锂电池和电源管理电路；所述模拟电路模块在前端对丝状三电极的输出信号进行LC初步滤波，采用同轴电缆线来传输，同时对丝状金电极和丝状银电极的屏蔽层采用有源屏蔽电路提高屏蔽效果；所述数模转换电路、模数转换电路、温度传感器调理电路、实时时钟芯片、存储芯片和串行接口均与微处理连接；微处理器通过实时时钟芯片获取实时时间；微处理器利用串行接口与上位机通讯，接收指令，或者将存储芯片中的检测结果传递给上位机；数模转换电路的输出分别连接有源屏蔽电路和运算放大器的同相输入端；丝状银电极连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的输出端连接丝状铂电极；丝状金电极、I/V变换电路、滤波、调零及放大电路、模数转换电路依次连接；所述温度传感器与温度传感器调理电路连接。

本实用新型的有益效果是，本实用新型采用丝状三电极和温度传感器作为检测元件，通过多种传感器的数据融合与校准，提高系统的探测海底热液的准确度与抗干扰能力。设计的传感系统针对海底应用环境，采用高强度钛合金制作密封耐压腔体，并通过定时自动检测和检测结果自容式存储，实现该系统在海底复杂环境下长期监测重金属离子浓度和温度的需求，为海底热液探测提供数据与模型参考。

附图说明

图1是本实用新型传感系统的结构框图；

图2是本实用新型数据自容式金属离子检测仪器的电路结构图；

图中，丝状银电极1、丝状金电极2、丝状铂电极3、温度传感器4、钛合金耐压腔体5、钛合金密封盖6、数字电路模块7、模拟电路模块8、电源模块9、I/V变换电路10、滤波、调零及放大电路11、模数转换电路12、运算放大器13、数模转换电路14、温度传感器调理电路15、有缘屏蔽电路16、微处理器17、实时时钟芯片18、存储芯片19、串行接口20、聚合物锂电池21、电源管理电路22。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型用于海底热液探测，传感系统由钛合金耐压腔体5和数据自容式金属离子检测仪器组成；所述金属离子检测仪器包括电源模块9、模拟电路模块8、数字电路模块7和传感器；所述传感器包括丝状金电极2、丝状铂电极3、丝状银电极1和温度传感器4；丝状银电极1通过电镀方式在表面电镀一层氯化银膜；所述丝状金电极2、丝状铂电极1、丝状银电极3和温度传感器4固定在钛合金耐压腔体5的钛合金密封盖6上，一端暴露在腔体外部；所述电源模块9、模拟电路模块8和数字电路模块7通过铜柱固定在钛合金耐压腔体腔5内，模拟电路模块8通过同轴屏蔽线分别与丝状金电极2、丝状铂电极1、丝状银电极3和温度传感器4相连；所述数字电路模块7和模拟电路模块8通过电源线与电源模块9相连。

如图2所示，所述模拟电路模块8包括I/V变换电路10，滤波、调零及放大电路11，模数转换电路12，运算放大器13，数模转换电路14，温度传感器调理电路15和有缘屏蔽电路16；所述数字电路模块7包括微处理器17、实时时钟芯片18、存储芯片19和串行接口20；所述电源模块9包括聚合物锂电池21和电源管理电路22；数据自容式金属离子检测仪器使用聚合物锂电池21供电，并通过电源管理电路22为各个模块提供相应的电源。

所述模拟电路模块8在前端对丝状三电极的输出信号进行LC初步滤波，采用同轴电缆线来传输，同时对丝状金电极2和丝状银电极1的屏蔽层采用有源屏蔽电路提高屏蔽效果；对于PCB板上的信号走线也采取了短路环的形式来提高信噪比。

所述数模转换电路14、模数转换电路12、温度传感器调理电路15、实时时钟芯片18、存储芯片19和串行接口20均与微处理17连接；该系统可采用16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器MSP430F5438A作为微处理17，实现对整个系统检测过程的控制。微处理器17通过实时时钟芯片18获取实时时间，从而达到定时检测和给检测结果加时间戳的目的；微处理器17利用串行接口20与上位机通讯，接收指令，或者将存储芯片19中的检测结果传递给上位机；实时时钟芯片18采用DS1302，存储芯片19采用高速Flash芯片SST25VF032B，可保证约5000次检测结果存储的应用要求。

数模转换电路14的输出分别连接有源屏蔽电路16和运算放大器13的同相输入端，用来提供有缘屏蔽电路电压16和电化学反应所需要的偏压；数模转换电路14采用TI公司的DAC8831芯片，为SPI接口的16位数模转换器。

丝状银电极1连接运算放大器13的反相输入端，运算放大器13的输出端连接丝状铂电极3；丝状金电极1、I/V变换电路10、滤波、调零及放大电路11、模数转换电路12依次连接，通过I/V变换10电路将微弱的电化学信号(电流信号)转换成较强的电压信号，同时转换出的电压信号经过滤波、调零及放大电路11进行信号调理后，经模数转换电路12传输到微处理器17；模数转换电路12采用TI公司的ADS8509芯片，该芯片为16位250kHzCMOS模数转换器，具有SPI接口，用来对产生的电化学信号进行采集。所述滤波、调零及放大电路11的信号调理过程具体为：利用四个不同的一阶无源RC滤波器对电压信号进行低通滤波，除去电路中的可能引入的高频噪声；引入调零电路对送入模数转换电路的信号进行预处理，消除直流偏置，充分利用模数转换电路的量程；对信号进行一次同相放大，充分利用模数转换电路12的量程，实现高分辨率高精度转换。

所述温度传感器4与温度传感器调理电路15连接，温度传感器4的电阻信号通过温度传感器调理电路15调理产生相应的电压信号，继而被微处理器17内部模数转换单元采集。在伏安检测的同时记录温度值，进行电化学信号和温度信号的数据融合，校准受环境温度影响的电化学信号，可提高极端环境中的传感器的检测准确性和抗干扰能力。

进一步地，所述丝状金电极2作为工作电极，且为直径0.5mm、长10mm的金丝；所述丝状铂电极3作为对电极，且为直径0.5mm、长10mm的铂丝；所述丝状银电极1作为参比电极，且为直径0.5mm、长10mm的银丝。

本系统的检测原理如下：该系统利用各种重金属的特征氧化还原电位的差异进行检测；首先进行电压富集：丝状金电极1作为工作电极，在丝状金电极1上施加恒定电位，重金属离子被还原为原子态，沉积于丝状金电极1表面；其次进行电解溶出：使用差分脉冲溶出伏安法，即在丝状金电极1上施加线性变化的直流扫描电压的基础上，叠加小振幅的矩形脉冲电位，在每次叠加脉冲前某一采样时间和脉冲终止前某一采样时间采集电流信号，记录两次采集的电流信号差值，得到差分脉冲溶出伏安曲线。不同的重金属通过其特异性的氧化电位进行区分，且氧化峰电流的幅值与样品重金属浓度呈线性关系，用于重金属的定量分析。

本实用新型完整的工作流程为：上位机通过串行接口20给微处理器17发送检测指令，包括参数设置，定时检测等。当实时时钟芯片18到达定时时间时，微处理器17控制仪器开始重金属离子浓度和温度检测，并将检测结果存储在存储芯片19中。上位机通过串行接口20给微处理器17发送结果读取指令，微处理器17读取存储芯片19相应结果，并通过串行接口20返回上位机。

Claims (3)

1.一种探测海底热液的数据自容式丝状三电极传感系统，其特征在于，该系统由钛合金耐压腔体和数据自容式金属离子检测仪器组成；所述金属离子检测仪器包括电源模块、模拟电路模块、数字电路模块和传感器；所述传感器包括丝状金电极、丝状铂电极、丝状银电极和温度传感器；丝状银电极通过电镀方式在表面电镀一层氯化银膜；所述丝状金电极、丝状铂电极、丝状银电极和温度传感器固定在钛合金耐压腔体的钛合金密封盖上，一端暴露在腔体外部；所述电源模块、模拟电路模块和数字电路模块通过铜柱固定在钛合金耐压腔体腔内，模拟电路模块通过同轴屏蔽线分别与丝状金电极、丝状铂电极、丝状银电极和温度传感器相连；所述数字电路模块和模拟电路模块通过电源线与电源模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种探测海底热液的数据自容式丝状三电极传感系统，其特征在于，所述丝状金电极作为工作电极，且为直径0.5mm、长10mm的金丝；所述丝状铂电极作为对电极，且为直径0.5mm、长10mm的铂丝；所述丝状银电极作为参比电极，且为直径0.5mm、长10mm的银丝。

3.根据权利要求1所述的一种探测海底热液的数据自容式丝状三电极传感系统，其特征在于，所述模拟电路模块包括I/V变换电路，滤波、调零及放大电路，模数转换电路，运算放大器，数模转换电路，温度传感器调理电路和有缘屏蔽电路；所述数字电路模块包括微处理器、实时时钟芯片、存储芯片和串行接口；所述电源模块包括聚合物锂电池和电源管理电路；

所述模拟电路模块在前端对丝状三电极的输出信号进行LC初步滤波，采用同轴电缆线来传输，同时对丝状金电极和丝状银电极的屏蔽层采用有源屏蔽电路提高屏蔽效果；所述数模转换电路、模数转换电路、温度传感器调理电路、实时时钟芯片、存储芯片和串行接口均与微处理连接；微处理器通过实时时钟芯片获取实时时间；微处理器利用串行接口与上位机通讯，接收指令，或者将存储芯片中的检测结果传递给上位机；数模转换电路的输出分别连接有源屏蔽电路和运算放大器的同相输入端；丝状银电极连接运算放大器的反相输入端，运算放大器的输出端连接丝状铂电极；丝状金电极、I/V变换电路、滤波、调零及放大电路、模数转换电路依次连接；所述温度传感器与温度传感器调理电路连接。