昂貴的電導率探頭的成本節(jié)約替代方案改進了設計

加州大學圣巴巴拉分校機械工程師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，因此在實驗室進行復雜的實驗最終會非常昂貴。” 他補充說，尖端的脆弱性也限制了可以在現(xiàn)場進行的實驗，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，例如在海洋學中，”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電探針設置 - 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。”

進入米蘭理工大學(Politecnico di Milano)的微電子學和傳感器專家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，兩位工程師設計并制造了一種電導率探頭，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)濟實惠且高分辨率的多通道水電導率傳感器”的論文中得到了強調(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

主要設計挑戰(zhàn) - 復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，他認為Carminati有這個想法。該設備名為“Conduino”(因為它測量電導率，基于Arduino)，該設備采用模塊化設計，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微控制器有時被認為是科學界的玩具，但它是一種用于快速原型設計數(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的結合非常適合調(diào)整和集成控制復雜實驗的寶貴代碼的需要，這對于流體動力學和海洋學領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)儀器進行最精細，最高分辨率的測量，但Conduino實現(xiàn)了與大多數(shù)應用的商用設備相同的性能水平。

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

“當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海洋學家Libe Washburn說。“例如，空中無人機可以飛越海洋，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研究的這些類型的空中無人機和水上交通工具，我們對這種新型傳感器非常感興趣。“

此外，加州大學圣地亞哥分校的Scripps海洋研究所計劃采用Conduino進行海洋儀器課程。