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

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，他用來測量水密度的儀器的尖端 - 電導(dǎo)率探頭 - 已經(jīng)壞了，使得裝置無用，而且他的工作暫時處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

該探頭尖端由四個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，” 流體動力學(xué)專家Luzzatto-Fegiz說。“但棘手的是，除了脆弱之外，它們還很昂貴，因此在實驗室進(jìn)行復(fù)雜的實驗最終會非常昂貴。” 他補(bǔ)充說，尖端的脆弱性也限制了可以在現(xiàn)場進(jìn)行的實驗，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。“在你的實驗室派出一大批本科生使用這些東西會很棒，但是你無法合理地做到這一點。”

Luzzatto-Fegiz設(shè)計了自己的解決方案，有點惱火，并且不愿意繼續(xù)花費大約一千美元來獲得另一個導(dǎo)電探針設(shè)置 - 更不用說失去的時間 - 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。

“我不是電子專家，”Luzzatto-Fegiz說。“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)和傳感器專家Marco Carminati，他也是Luzzatto-Fegiz兒時最好的朋友。在訪問UCSB教授的家鄉(xiāng)米蘭并使用現(xiàn)成產(chǎn)品的過程中，兩位工程師設(shè)計并制造了一種電導(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也達(dá)到了相同的靈敏度。更通用，更堅固，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的緊密間隔電極來自精簡的USB插頭信用：Sonia Fernandez

主要設(shè)計挑戰(zhàn) - 復(fù)制花式探針尖端與其間隔緊密的電極 - 解決了我們許多人已經(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，他認(rèn)為Carminati有這個想法。該設(shè)備名為“Conduino”(因為它測量電導(dǎo)率，基于Arduino)，該設(shè)備采用模塊化設(shè)計，可定制，也可以通過USB供電，非常便于攜帶。它還包括多個并行操作的傳感器，而不是商用設(shè)備的單個傳感器。

Luzzatto-Fegiz說：“在你的空閑時間，你可以在你的車庫里賺幾百美元。” 該設(shè)計包括一個不銹鋼軸和一個Matlab控制的Arduino電子板，是開源的，所以任何人都可以制作一個。

“盡管Arduino微控制器有時被認(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。“它與Matlab的結(jié)合非常適合調(diào)整和集成控制復(fù)雜實驗的寶貴代碼的需要，這對于流體動力學(xué)和海洋學(xué)領(lǐng)域的研究人員來說是常見的。”

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

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

“當(dāng)使用小型溫度和壓力傳感器組合時，Conduino 將允許從各種自治平臺測量海洋中的鹽度和水密度，”UCSB海洋學(xué)家Libe Washburn說。“例如，空中無人機(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輛上，用于水中水的物種采樣。同事和我正在工作對于沿海海洋學(xué)研究的這些類型的空中無人機(jī)和水上交通工具，我們對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海洋研究所計劃采用Conduino進(jìn)行海洋儀器課程。