91精品人妻互换日韩精品久久影视|又粗又大的网站激情文学制服91|亚州A∨无码片中文字慕鲁丝片区|jizz中国无码91麻豆精品福利|午夜成人AA婷婷五月天精品|素人AV在线国产高清不卡片|尤物精品视频影院91日韩|亚洲精品18国产精品闷骚

作者；張毅

本文基于離子選擇性電極和A/D轉(zhuǎn)換芯片，采用單片機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，利用圖形化虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)LabVIEW設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理軟件，構(gòu)建土壤重金屬檢測(cè)系統(tǒng)，并通過最小二乘法和能斯特方程研究離子選擇性電極響應(yīng)電位與目標(biāo)離子濃度之間的關(guān)系，建立離子選擇性電極電位與目標(biāo)離子的線性回歸方程模型，用于初步檢測(cè)土壤中痕量重金屬，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)濃度重金屬離子溶液進(jìn)行驗(yàn)證。

1  系統(tǒng)原理

    采集系統(tǒng)由離子選擇電極信號(hào)采集模塊，信號(hào)調(diào)理模塊，數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)分析模塊四部分組成，離子選擇電極傳感器陣列由多個(gè)離子選擇電極構(gòu)成；信號(hào)調(diào)理模塊采用高共模抑制比的儀表放大器設(shè)計(jì)放大電路并抑制噪聲；數(shù)據(jù)采集模塊使用串行A／D轉(zhuǎn)換芯片和主控單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換信號(hào)和數(shù)據(jù)通信；數(shù)據(jù)分析模塊利用LabVIEW8.2設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行顯示。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

2  傳感器電路

2.1  離子選擇性電極

    離子選擇性電極對(duì)某些離子有指示作用，其電位與溶液中對(duì)應(yīng)離子活度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。一個(gè)單一的離子選擇性電極的電位并不能進(jìn)行直接測(cè)量，需要對(duì)應(yīng)的參比電極的電勢(shì)保持恒定，一起投入到試驗(yàn)溶液中形成雙電極系統(tǒng)。離子選擇電極結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，主要包括3個(gè)部分：(l)敏感膜，它是一種敏感膜，由特殊的電活性材料制成，對(duì)應(yīng)特定離子的活性，產(chǎn)生平衡電勢(shì)，將定離子的活度轉(zhuǎn)換為膜電位。(2)內(nèi)參比電極，將膜電位引到外部電路，通常是銀／氯化銀(Ag/AgC1等。(3)內(nèi)參比液，含有與敏感膜和內(nèi)參比電極響應(yīng)的溶液離子，它通常是電解液，包含待測(cè)試離子和總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)緩沖溶液(TISAB，total ionic stren-gth adjustment buffer)，且其濃度是穩(wěn)定和已知的。離子選擇性電極元件靈巧，靈敏度好，選擇性高，響應(yīng)速度快以及便于攜帶等特點(diǎn)，對(duì)特定離子具有特殊的選擇性，對(duì)某些離子的測(cè)定靈敏度可達(dá)10-9數(shù)量級(jí)，能直接測(cè)定液體試樣，溶液的顏色和濁度一般不影響測(cè)試結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)采用的電極是市場(chǎng)上購(gòu)買的雷磁PCu-01型號(hào)的銅離子電極和雷磁232-1型號(hào)的參比電極，表1給出一般離子選擇電極指標(biāo)。

2.2  信號(hào)調(diào)理電路

  為保證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)阻抗匹配性和通用性，檢測(cè)儀器的輸入阻抗應(yīng)以內(nèi)阻最大的離子選擇性電極為參考基準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，離子選擇性電極的內(nèi)阻一般在兆歐到幾百兆歐之間。土壤溶液中重金屬離子濃度很低，因而電極棒輸出電壓也很低，同時(shí)，離子選擇電極工作環(huán)境較惡劣，離子選擇電極和參比電極的2個(gè)輸出端較容易受共模干擾。盡管運(yùn)算放大器對(duì)共模信號(hào)有較高的抑制能力，但實(shí)際情形中，共模信號(hào)并非都是直接加到運(yùn)算放大器的差動(dòng)輸入端，所以本模塊的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)具有高輸入阻抗，低輸出阻抗，低失調(diào)電壓和溫度漂移以及精密反饋特性和高的共模抑制比能力的弱信號(hào)放大電路。按照前置放大電路的設(shè)計(jì)思想，由于噪聲與信號(hào)同步被放大，而噪聲的幅度較大，所以在放大電路的后端接濾波電路�；�于以上考慮，本文采用ADI公司的高輸入阻抗，高共模抑制比，低功耗，高精度的AD620儀表放大器來設(shè)計(jì)離子選擇性電極信號(hào)調(diào)理電路。圖2為信號(hào)調(diào)理電路模塊電路圖。

3  模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集模塊

    A/D模塊使用美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7705進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。該芯片采用CMOS工藝，具有高分辨率、寬動(dòng)態(tài)范圍、自校準(zhǔn)、優(yōu)良的抗噪聲性能以及低電壓低功耗等特點(diǎn)。擁有16位ADC串行輸出，可編程串行外設(shè)接口SPl(serial peripheralinterface)優(yōu)先斷電，2路全差分模擬輸入通道以及三線串行接口，其串行SPI總線可以大大節(jié)省單片機(jī)的I/O口。系統(tǒng)主控核心選用深圳晶宏科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的STC90C516RD單片機(jī)，該單片機(jī)與傳統(tǒng)51單片機(jī)兼容，并支持SPI在線編程功能，還可以擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口。

AD7705通過SPI總線與單片機(jī)相連，把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送人單片機(jī)，由于該型號(hào)單片機(jī)硬件上無SPI總線，可以采用軟件方法進(jìn)行模擬。主控單片機(jī)將離子選擇電極經(jīng)由調(diào)理電路采集上來的數(shù)據(jù)，通過美信(MAXIM)公司生產(chǎn)的MAX232轉(zhuǎn)換芯片傳輸給上位機(jī)。單片機(jī)程序、A/D模塊驅(qū)動(dòng)程序以及SPI總線模擬程序等均由軟件KeilμVision3用C語(yǔ)言編寫。

4  上位機(jī)軟件

    上位機(jī)為配備串口預(yù)裝微軟XP系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，上位機(jī)軟件由LabVIEW 8.2來開發(fā)。上位機(jī)主要作用是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的通信，獲取離子電極采集到的數(shù)據(jù)，并在PC機(jī)上對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和分析。后續(xù)工作中還可以通過調(diào)用科學(xué)計(jì)算處理軟件MATLAB對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。圖3為上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)框架圖。

    LabVIEW 8.2是基于圖形編譯語(yǔ)言的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，它具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、信號(hào)生成、信號(hào)處理、輸入輸出控制等功能。與傳統(tǒng)編程采取的文本語(yǔ)言相比，LabVIEW使用圖形化的G語(yǔ)言編程，界面更加友好直觀，是一種直覺式圖形程序語(yǔ)言。由于其虛擬儀器的特性，具有非常好的擴(kuò)展性和移植性。系統(tǒng)采用LabVIEW里的VISA串口與上位機(jī)建立RS232串口通信，VISA串口下使用到函數(shù)包括串口配置函數(shù)VISA Configure Serial Port、串口寫入函數(shù)VISA Write以及串口關(guān)閉函數(shù)VISA Close;系統(tǒng)利用事件結(jié)構(gòu)功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、保存以及查詢歷史數(shù)據(jù)功能，并且可以利用其選項(xiàng)卡控件功能建立數(shù)據(jù)顯示表格、數(shù)據(jù)顯示曲線和歷史數(shù)據(jù)顯示選項(xiàng)卡子控件，系統(tǒng)運(yùn)行過程中可進(jìn)行各種界面的切換。

5  試驗(yàn)結(jié)果與分析

5.1  能斯特方程

    在電化學(xué)中，能斯特( Nernst)方程用來計(jì)算電極上相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)(Eo)來說的指定氧化還原對(duì)的平衡電壓(E)�？梢悦枋鲫P(guān)系膜電位和測(cè)試特定離子濃度的活性之間的關(guān)系，其簡(jiǎn)化方程可以表示為：

    式(l)中，E為膜電位(mV)；Eo為標(biāo)準(zhǔn)電極電位(mV)；R為氣體常數(shù)(8.314J/(K．mol》；丁為絕對(duì)溫度(K)；n為離子電荷數(shù)；F為法拉第常數(shù)(96 487 C/mol);a為離子活度(mol/L)；±為陽(yáng)離子帶加號(hào)，陰離子帶負(fù)號(hào)。

    離子選擇性電極方法可以測(cè)量目標(biāo)離子的活性與其濃度，但離子活度( activity)和離子濃度之間的關(guān)系被描述離子活度系數(shù)：

    式(2)中，y為離子活度系數(shù)，c為離子濃度(mo/L)。

    離子活度系數(shù)不是常數(shù)，它受溶液的離子強(qiáng)度的影響。在電解質(zhì)溶液中由于離子之間的相互作用，使電解質(zhì)的總濃度不能代表其有效濃度，需要引進(jìn)一個(gè)經(jīng)驗(yàn)校正系數(shù)（活度系數(shù)），以表示實(shí)際溶液與理想溶液的偏差。因此，在使用離子選擇性電極的測(cè)量方法中，添加一些總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑TISAB，使試驗(yàn)溶液的離子強(qiáng)度保持恒定，這樣離子活度系數(shù)保持不變。本文實(shí)驗(yàn)中采用硝酸鉀作為總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑。作為一個(gè)結(jié)果，因而能斯特方程可以簡(jiǎn)化為：E=K+S lgCM2+。

5.2  離子選擇電極校正方程的建立

    在許多實(shí)際問題中，我們常常需要尋找2個(gè)（或多個(gè)）變量之間的關(guān)系，并期望使用觀測(cè)得到的數(shù)據(jù)建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，其中最常用的模型是線性模型。因而，為得到相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)并驗(yàn)證數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)檢測(cè)效果，通過銅離子選擇電極在濃度范圍lxl0-4 mol/L-5x10-7 mol/L的硝酸銅溶液中的電位，通過使用簡(jiǎn)單的線性回歸方程來擬合電極電位和溶液中銅離子的濃度對(duì)數(shù)之間的關(guān)系，可以建立離子選擇電極電位與目標(biāo)離子濃度之間的關(guān)系，即：

    式(3)中K是截距，S是線性相關(guān)系數(shù)。

    為求得線性回歸方程中相應(yīng)的K和S值，通過最小二乘法來計(jì)算K和S值的最大似然估計(jì)，使得：

    Q值最小。即使得Q對(duì)K和S的偏導(dǎo)數(shù)均等于零，

即分別為：

    令x=lgCct2+，假設(shè)有，z組數(shù)據(jù)，相應(yīng)可以得到以下關(guān)系式：

    求解上面方程組，可以得到相應(yīng)K和S值的最大似然估計(jì)，即：

    式(7)中：Ei是銅離子選擇性電極的電勢(shì)；x是每組銅離子濃度的對(duì)數(shù)；n是樣本數(shù)量；工是所有的樣品溶液銅離子濃度對(duì)數(shù)的算術(shù)平均值，

    配制多種濃度硝酸銅標(biāo)準(zhǔn)溶液，各種濃度溶液均由0.1 mol/L硝酸銅溶液稀釋而來，配制方法如下：準(zhǔn)確稱取1.875 9硝酸銅，用水溶解煮沸后滴加幾滴硝酸，防止水解，轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中，用去離子水稀釋至標(biāo)線，搖勻。將此溶液分別稀釋成所需濃度溶液，儲(chǔ)存于容量瓶備用。本實(shí)驗(yàn)選擇l mo/L的硝酸鉀溶液為總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑(TISAB)，采用六次甲基四胺為緩沖劑，其濃度為0.1 mol/L，總離子強(qiáng)度調(diào)節(jié)劑和緩沖劑標(biāo)準(zhǔn)溶液配制方法與0.1 mol/L硝酸銅溶液類似。準(zhǔn)確移取某一濃度硝酸銅溶液5 mL，加入1 mol/L硝酸鉀溶液5 mL，0.1 mol/L六次甲基四胺溶液10mL，準(zhǔn)確稀釋至50 mL，添加少量硝酸調(diào)節(jié)溶液pH至5.5，溫度保持在室溫25-30℃，原因是在此范圍內(nèi)銅離子選擇電極響應(yīng)較為靈敏和穩(wěn)定。測(cè)量不同濃度下離子選擇電極的電位，測(cè)量前離子電極均在濃度0.001 mol/L的硝酸銅溶液中活化th。表2為相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

    通過最小二乘法建立離子選擇電極的校正方程，代入表2中實(shí)際檢測(cè)到各濃度范圍內(nèi)銅離子選擇電極的電位，代人計(jì)算可以得到S和K值的最大似然估計(jì)，經(jīng)計(jì)算，得到S和K值最大似然估計(jì)分別為：

    于是得到了擬合后銅離子選擇電極的校正方程，其線性回歸模型為：E=267.047+29.494lgCCu2+。經(jīng)計(jì)算，得到線性相關(guān)系數(shù)R2=0.996 2，可以看出溶液中銅離子濃度和電極電位顯示出良好的擬合。即得到離子濃度

5.3  線性回歸模型的驗(yàn)證

    為了驗(yàn)證上述線性回歸模型的準(zhǔn)確性，同樣采用上述方法配制多種已知濃度標(biāo)準(zhǔn)硝酸銅溶液，通過檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量銅離子選擇電極的電位，通過上面得到的回歸模型計(jì)算溶液中銅離子濃度，與溶液實(shí)際濃度進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證通過最小二乘法建立的線性回歸模型是否符合要求。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到表3數(shù)據(jù)。

由表3可以看出利用最小二乘法建立的銅離子選擇電極線性回歸模型的計(jì)算值與溶液中銅離子的實(shí)際測(cè)量值相對(duì)誤差在2.0%-7.2%之間，說明在精度要求不是太高的情況下，檢測(cè)系統(tǒng)顯示出較高的實(shí)用價(jià)值，可以應(yīng)用于土壤重金屬的快速檢測(cè)。

6  結(jié)論

  本文基于離子選擇電極與單片機(jī)初步建立了土壤重金屬含量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了離子選擇電極對(duì)土壤溶液中目標(biāo)離子電位的檢測(cè)。借鑒能斯特方程，采用最小二乘法擬合了銅離子選擇電極響應(yīng)電位和銅離子濃度的線性回歸模型，建立了兩者之間的函數(shù)關(guān)系，并對(duì)模型的效果進(jìn)行驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明，線性回歸模型的計(jì)算值與實(shí)際值間的相對(duì)誤差在2 .0%-7.2%之間，回歸模型的預(yù)測(cè)效果基本上可以滿足一般精度要求的檢測(cè)。離子選擇電極和單片機(jī)構(gòu)成了一個(gè)完整的重金屬含量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，且文中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，具有良好的擴(kuò)展性，后續(xù)工作可以繼續(xù)進(jìn)行相關(guān)研究，實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多種重金屬的檢測(cè)。檢測(cè)系統(tǒng)可以用于土壤痕量重金屬的初步檢測(cè)分析，對(duì)土壤土地利用、項(xiàng)目可行性研究、污染控制、環(huán)境預(yù)警等方面起到一定的積極作用。

7摘  要：設(shè)計(jì)了一套基于離子選擇性電極與單片機(jī)技術(shù)的土壤重金屬含量檢測(cè)系統(tǒng)，并基于能斯特( Nemst)方程與最小二乘法研究了離子選擇性電極響應(yīng)電位與目標(biāo)離子濃度的線性回歸模型，建立兩者之間的函數(shù)關(guān)系。采用離子選擇性電極作為信號(hào)采集器，通過單片機(jī)系統(tǒng)和串行模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)了較高精度、低成本的數(shù)據(jù)采集，并基于LabVIEW 8.2軟件開發(fā)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的顯示、保存和打印。通過相關(guān)實(shí)驗(yàn)，得到銅離子選擇電極響應(yīng)電位E與離子濃度C的線性回歸方程為E=267.047+29.494lgCa2+，線性相關(guān)系數(shù)R2=0.9962。運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)濃度硝酸銅溶液對(duì)回歸模型進(jìn)行了驗(yàn)證，線性回歸模型的計(jì)算值與實(shí)際值間的相對(duì)誤差在2.0%-7.2%之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，回歸模型的預(yù)測(cè)效果基本上可以滿足一般精度要求的檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)可以用于土壤痕量重金屬的初步檢測(cè)分析。