昂貴的電導(dǎo)率探頭的成本節(jié)約替代方案改進(jìn)了設(shè)計(jì)

加州大學(xué)圣巴巴拉分校機(jī)械工程師Paolo Luzzatto-Fegiz感到沮喪。再一次，他用來(lái)測(cè)量水密度的儀器的尖端 - 電導(dǎo)率探頭 - 已經(jīng)壞了，使得裝置無(wú)用，而且他的工作暫時(shí)處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

該探頭尖端由四個(gè)裝在玻璃中的小鉑電極組成，薄而且靈敏度高，能夠在微量水中進(jìn)行測(cè)量。但是，如果這種精確的儀器不斷破碎，它有什么用?

“他們的工作非常好，” 流體動(dòng)力學(xué)專(zhuān)家Luzzatto-Fegiz說(shuō)。“但棘手的是，除了脆弱之外，它們還很昂貴，因此在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)最終會(huì)非常昂貴。” 他補(bǔ)充說(shuō)，尖端的脆弱性也限制了可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，以免撞擊某些東西，或者雜散的碎片與毫米厚的鉑金和玻璃末端接觸。

“這也限制了可以用它做的教學(xué)，例如在海洋學(xué)中，”Luzzatto-Fegiz說(shuō)。“在你的實(shí)驗(yàn)室派出一大批本科生使用這些東西會(huì)很棒，但是你無(wú)法合理地做到這一點(diǎn)。”

Luzzatto-Fegiz設(shè)計(jì)了自己的解決方案，有點(diǎn)惱火，并且不愿意繼續(xù)花費(fèi)大約一千美元來(lái)獲得另一個(gè)導(dǎo)電探針設(shè)置 - 更不用說(shuō)失去的時(shí)間 - 只讓它再次破裂。制造商文化的興起 - 特別是DIY電子產(chǎn)品 - 帶來(lái)了一些希望，并產(chǎn)生了一種讓MacGyver感到自豪的設(shè)備。

“我不是電子專(zhuān)家，”Luzzatto-Fegiz說(shuō)。“我知道流體，所以我需要與了解電子產(chǎn)品的人聯(lián)系。”

進(jìn)入米蘭理工大學(xué)(Politecnico di Milano)的微電子學(xué)和傳感器專(zhuān)家Marco Carminati，他也是Luzzatto-Fegiz兒時(shí)最好的朋友。在訪問(wèn)UCSB教授的家鄉(xiāng)米蘭并使用現(xiàn)成產(chǎn)品的過(guò)程中，兩位工程師設(shè)計(jì)并制造了一種電導(dǎo)率探頭，不僅成本低于傳統(tǒng)探頭的一小部分，而且在接近同一靈敏度的同時(shí)也達(dá)到了相同的靈敏度。更通用，更堅(jiān)固，可以承受偶爾的爆震。他們的工作在一篇題為“經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且高分辨率的多通道水電導(dǎo)率傳感器”的論文中得到了強(qiáng)調(diào)，該論文發(fā)表在Sensors&Actuators B：Chemical期刊上。

Conduino的緊密間隔電極來(lái)自精簡(jiǎn)的USB插頭信用：Sonia Fernandez

主要設(shè)計(jì)挑戰(zhàn) - 復(fù)制花式探針尖端與其間隔緊密的電極 - 解決了我們?cè)S多人已經(jīng)坐在我們的垃圾抽屜中的自相殘殺裝置：微型USB連接器插頭。

“你所做的就是剝離外部金屬屏蔽層并暴露這些鍍金電極，它們是完美的，”Luzzatto-Fegiz說(shuō)，他認(rèn)為Carminati有這個(gè)想法。該設(shè)備名為“Conduino”(因?yàn)樗鼫y(cè)量電導(dǎo)率，基于Arduino)，該設(shè)備采用模塊化設(shè)計(jì)，可定制，也可以通過(guò)USB供電，非常便于攜帶。它還包括多個(gè)并行操作的傳感器，而不是商用設(shè)備的單個(gè)傳感器。

Luzzatto-Fegiz說(shuō)：“在你的空閑時(shí)間，你可以在你的車(chē)庫(kù)里賺幾百美元。” 該設(shè)計(jì)包括一個(gè)不銹鋼軸和一個(gè)Matlab控制的Arduino電子板，是開(kāi)源的，所以任何人都可以制作一個(gè)。

“盡管Arduino微控制器有時(shí)被認(rèn)為是科學(xué)界的玩具，但它是一種用于快速原型設(shè)計(jì)數(shù)字接口的絕佳工具，可控制在USB電極上定制的高分辨率模擬電路，”Carminati說(shuō)。“它與Matlab的結(jié)合非常適合調(diào)整和集成控制復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的寶貴代碼的需要，這對(duì)于流體動(dòng)力學(xué)和海洋學(xué)領(lǐng)域的研究人員來(lái)說(shuō)是常見(jiàn)的。”

雖然一些實(shí)驗(yàn)和操作需要傳統(tǒng)儀器進(jìn)行最精細(xì)，最高分辨率的測(cè)量，但Conduino實(shí)現(xiàn)了與大多數(shù)應(yīng)用的商用設(shè)備相同的性能水平。

“對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，你不需要那么好。對(duì)于我個(gè)人所遇到的任何應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這足夠小了。”Luzzatto-Fegiz說(shuō)。

“當(dāng)使用小型溫度和壓力傳感器組合時(shí)，Conduino 將允許從各種自治平臺(tái)測(cè)量海洋中的鹽度和水密度，”UCSB海洋學(xué)家Libe Washburn說(shuō)。“例如，空中無(wú)人機(jī)可以飛越海洋，然后降低傳感器包裝，以獲得海水性質(zhì)的垂直剖面。該包裝也可以安裝在自主海洋車(chē)輛上，用于水中水的物種采樣。同事和我正在工作對(duì)于沿海海洋學(xué)研究的這些類(lèi)型的空中無(wú)人機(jī)和水上交通工具，我們對(duì)這種新型傳感器非常感興趣。“

此外，加州大學(xué)圣地亞哥分校的Scripps海洋研究所計(jì)劃采用Conduino進(jìn)行海洋儀器課程。