用于检测饮用水TDS值的电容式传感器、柔性标签及方法
技术领域
本发明涉及新型传感器技术领域，具体涉及用于检测饮用水TDS值的电容式传感器、柔性标签及方法。
背景技术
工业发展和人口的增加对饮用水安全产生重要影响，对人们身体健康造成潜在威胁。2017年7月1日，由国家标准委和卫生部联合发布《生活饮用水卫生标准》作为强制性国家标准正式实施。生活饮用水水质应符合多种指标，包括微生物指标、毒理指标、感官性状和一般化学指标、放射性指标等，其检测方法与仪器设备比较复杂。其中，溶解性固体总量(TotalDissolved Solids，TDS)，也就是水中全部溶质的总量(单位为毫克/升)被当作反映水质的一个参考指标。它能够反映水中钙、镁、钠、钾等离子的浓度，与水的硬度和导电率有很好的对应关系。因此，TDS值的获取通常可以通过测量水的导电率，分析溶液中的含盐量来间接的反映出TDS值的大小。
目前常用的TDS测量笔都是探针接触式测量，检测原理为根据TDS值和导电率成正比的理论基础，将尺寸固定的导电探针浸入被测液体中测量出液体的导电率，换算得出TDS值。电路结构上分两种方法：一种是采用直流电路，直接加电压于探针两极，测量两极电压，计算得到等效导电率；另一种是采用脉冲交变电路，硬件方式在探针端产生一个脉冲波形从而使探针两端加有交变的直流电压，再测定两极电压，计算导电率。
现有的常用饮用水TDS测量笔存在的主要问题有：1.现有方法均属于接触式测量，金属探针长时间使用会产生不同程度的极化现象导致测量误差；2.使用方法是将测量笔导电探针浸入被测水样中进行测量，因测量过程存在接触卫生问题而造成待测水样的浪费；3.现有TDS测量笔均需要电池供电，需要根据供电电池的使用寿命而定期地更换电池，久放不用容易老化；4.饮用水TDS测量笔为专用测量仪器，用户在不同应用场合随时使用不够便捷。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于检测饮用水TDS值的电容式传感器、柔性标签及方法，避免更换电池和探针老化问题，能够方便的粘贴在饮用水容器壁上，使用户可以快速、卫生、便捷的完成测量任务，具有较高的实际应用价值。
本发明的第一方面提供一种用于检测饮用水TDS值的电容式传感器，该电容式传感器包括：
一电极层，该电极层的截面为多个间隔设置的电极；
一与电极层一侧固定连接的粘接层，用于与待检测物之间实现粘接；
一设置于电极层另一侧的屏蔽层，用于屏蔽该侧的电磁信号；以及
一填充于电极层以及屏蔽层之间的绝缘层，用于隔离电极层以及屏蔽层。
优选地，电极层采用叉指电极电容、平面并行双极板电容、环形嵌套电极中的一种。
本发明的第二方面提供一种用于检测饮用水TDS值的电容式传感器柔性标签，该柔性标签包括：一柔性PCB板以及集成于该柔性PCB板上的电容式传感器。
优选地，柔性PCB板上还集成有：
一与电容式传感器连接的电容-数字转换模块，用于对电容式传感器的信号新型转换；
一与电容-数字转换模块连接的微控制器模块；以及
一与微控制器模块连接的高频RFID收发模块，用于实现高频射频读写。
优选地，高频RFID收发模块包括高频RFID芯片、与高频RFID芯片连接的匹配电路以及与匹配电路连接的高频RFID天线。
优选地，高频RFID收发模块包括一RF-DC整流电路。
本发明的第三方面提供一种用于检测饮用水TDS值的电容式传感器柔性标签的工作方法，包括：
S10：将电容式传感器粘贴于待检测水样的容器壁上；
S20：电容-数字转换模块接收电容式传感器的信号并进行转化；
S30：微控制器模块读取电容-数字转换模块转化的数据并通过高频RFID收发模块进行读写。
优选地，步骤S20中，对电容-数字转换模块接收电容式传感器的数据并进行转化之前还包括初始化过程S101，具体包括：
S101-1：RF-DC整流电路对微控制器模块以及电容-数字转换模块供电；
S101-2：微控制器模块初始化：
S101-2：高频RFID收发模块以及电容-数字转换模块初始化，使能电容-数字转换。
优选地，在微控制器模块读取电容-数字转换模块转化的数据之前还包括一个转换判断过程S201，具体包括：对电容-数字转换过程进行判断，如果转化完成，则对电容-数字转换模块转换的数据进行读取，如果没有转换完成，则进行等待。
优选地，高频RFID收发模块进行读写的过程还包括一个对高频RFID收发模块的判断过程S301，具体包括：判断高频RFID收发模块是否空闲，若高频RFID收发模块为空闲，则关闭高频RFID收发模块的读写功能，并将传感器数据更新到高频RFID芯片的NDEF数据段中，然后打开高频RFID收发模块的读写功能供NFC智能手机等读写器询问；若高频RFID收发模块正在进行读写操作，则等待读写操作完成再进行数据更新。
本发明具有的优点和积极效果是：本发明利用电容式传感器完成非接触测量，清洁卫生，可避免接触造成待测水样的浪费；通过射频无线供电完成测量与通信，无需频繁更换电池，使用寿命长；可制备成一个柔性传感器标签贴在测量容器上，成本低且使用方便；通过对小型化元器件在柔性基板的集成，使得传感器集成度高、结构简单、重量轻，可以便捷的粘贴到容器壁上，用支持NFC的手机便捷读取测量数据，方便普通大众用户日常使用。
附图说明
图1是本发明的电容式传感器的结构示意图；
图2是本发明的柔性标签的结构示意图；
图3是本发明的柔性标签的电路结构框图；
图4是本发明的微控制器模块的电路原理图；
图5是本发明的电容-数字转换模块的电路原理图；
图6是本发明的高频RFID芯片的电路原理图；
图7是本发明的高频RFID天线的电路原理图；
图8是本发明的检测饮用水TDS值的电容式传感器柔性标签的测量系统的结构示意图；
图9是本发明的用于检测饮用水TDS值的电容式传感器柔性标签的工作方法的流程图；
图10是本发明的初始化过程的流程图；
图11是本发明的对电容数字转换过程判断的流程图；
图12是本发明的对射频模块进行判断过程的流程图。
图中：
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步的描述。
如图1所示，本发明提供一种用于检测饮用水TDS值的电容式传感器，该电容式传感器10包括：一电极层101，该电极层101的截面为多个间隔设置的电极；一与电极层101一侧固定连接的粘接层102，用于与待检测物之间实现粘接；一设置于电极层101另一侧的屏蔽层103，用于屏蔽该侧的电磁信号；以及一填充于电极层101以及屏蔽层103之间的绝缘层104，用于隔离电极层101以及屏蔽层103。
在该电容式传感器10使用的过程中，将粘接层102一侧粘贴于待检测物上，待检测物为待检测的水样，该水样通常置于一容器内，本发明的电容式传感器10可以粘贴于装有水样的容器的容器壁上，将待测水样作为电介质构成变介电常数型电容式传感器，用于感受不同TDS值待测水样的介电特性，通过计算可获得待测水样的TDS值。
具体的，相邻电极之间形成弧形的电场，待测的水样处于该弧形电场内，即待测的水样为该弧形电场的电介质，当待测水样的TDS值发生改变，待测水样的介电常数发生改变，电极层101之间的电容值发生改变。
在本发明的电容式传感器10中，电极层101另一侧设置有屏蔽层103，用于屏蔽该侧的电磁信号，使得传感器待测水样一侧电场集中，避免外部电磁场对测量信号的影响；进一步地，在电极层101以及屏蔽层103之间还设置有一绝缘层104，将电极层101以及屏蔽层103隔开。
进一步地，电极层101可以采用叉指电极电容或环形嵌套电极。
进一步地，本发明提供一种用于检测饮用水TDS值的电容式传感器柔性标签，该柔性标签包括：一柔性PCB板以及集成于该柔性PCB板上的如权利要求1或2所述的电容式传感器10。
进一步地，如图2所示，柔性PCB板上还集成有：一与电容式传感器10连接的电容-数字转换模块20，用于对电容式传感器10的信号新型转换；一与电容-数字转换模块20连接的微控制器模块30；以及一与微控制器模块30连接的高频RFID收发模块50，用于实现高频射频读写。
在该柔性标签中，将电容式传感器10集成于柔性PCB板上，制备成可以自由弯曲的柔性可粘贴的传感器标签，可粘贴于饮用水容器壁上，将待测水样作为电介质构成变介电常数型电容式传感器，用于感受不同TDS值待测水样的介电特性，通过计算可获得待测水样的TDS值。具体地，电极层101和电容-数字转换模块20、微控制器模块30、高频RFID收发模块50制作在一块PET材料基板柔性PCB上。
进一步地，在本发明的一个具体的实施例中，电容-数字转换模块20采用24位高分辨率内嵌温度传感器的超低功耗电容-数字转换器，其可以在较低电压供电情况下正常工作，可实现快速电容-数字转换，在微控制器模块30控制下将电容式传感器10的测量信号转换为数字信号同时读取温度值，并通过I2C串行总线将转换的电容值和温度值发送至微控制器模块30进行进一步处理。
进一步地，如图3所示，高频RFID收发模块50包括高频RFID芯片501、与高频RFID芯片501连接的匹配电路502以及与匹配电路502连接的高频线圈天线503；其中，高频线圈天线503和匹配电路502通过与读写器天线磁谐振耦合产生感应交流电压，同时完成射频信号的发送与接收；匹配电路502是为了达到高频线圈天线503和高频RFID芯片501内部阻抗的共轭匹配，达到最高无线能量传输效率。
进一步地，高频RFID收发模块50还包括一RF-DC整流电路505，RF-DC整流电路505分别与微控制器模块30和电容-数字转换模块20连接，RF-DC整流电路505将所产生交流电信号变换为直流电压，为后续微控制器模块30和电容-数字转换模块20供电。
具体地，高频RFID芯片501与微控制器模块30连接，其为微控制器可读写操作集成电路，通过微控制器模块30串行数据总线完成功能配置和数据交互，最终通过负载调制实现与读写器之间通过射频信号进行数据传输的功能。
进一步地，微控制器模块30为超低功耗、小型化、具有I2C串行通信总线的微控制器，通过I2C串行总线配置电容-数字转换模块20并采集转换数据，并通过I2C串行总线配置高频RFID收发模块50，控制其功能逻辑，通过电容式传感器10对TDS值进行温度补偿并将其更新到高频RFID芯片存储器中，最后使能RFID模块NFC读写功能完成射频读写操作。
如图4至图7所示，在本发明的一个具体的实施例中，电容-数字转换模块20采用芯片AD7747，微控制器模块30采用芯片MSP430G2403IRHB32R，高频RFID收发模块50的高频RFID芯片501采用芯片RF430CL330HIRGTR，匹配电路502包括一电容C3以及匹配电阻R4和R5，RF-DC整流电路505包括肖特基二极管D1和D2。
进一步地，芯片AD7747的引脚SDA、SCL、RDY分别与芯片MSP430G2403IRHB32R的引脚P1.7、P1.6、P2.0连接，芯片RF430CL330HIRGTR的引脚SDA、SCL、INTO、RST分别与芯片MSP430G2403IRHB32R的引脚P1.7、P1.6、P3.5、P3.6连接；芯片RF430CL330HIRGTR的引脚ANT1和ANT2之间连接有电容C3，电容C3的两端分别连接匹配电阻R4和R5，通过该匹配电阻R4和R5连接高频线圈天线503；高频线圈天线503的两端还连接有二极管D1和D2，通过二极管D1和D2连接微控制器模块30以及电容-数字转换模块20。
进一步地，本发明提供一种检测饮用水TDS值的电容式传感器柔性标签的测量系统，具体包括上述柔性标签，还包括一NFC智能设备。
支持NFC的智能设备，例如NFC智能手机、平板等，通过RFID射频供电完成NFC智能设备到柔性标签的能量传输，为柔性标签供电；柔性标签在被供电后进行初始化配置，读取电容测量值和温度值并保存至高频RFID收发模块50的存储器中。然后，高频RFID收发模块50通过NFC数据交换协议将测量结果发送至NFC智能设备显示，完成测量过程。
一种用于检测饮用水TDS值的电容式传感器柔性标签的工作方法，包括：
S10：将电容式传感器10粘贴于待检测水样的容器壁上；
S20：电容-数字转换模块20接收电容式传感器10的数据并进行转化；
S30：微控制器模块30读取电容-数字转换模块20转化的信号并通过高频RFID收发模块50进行读写。
进一步地，对电容-数字转换模块20接收电容式传感器10的信号并进行转化之前还包括初始化过程，具体包括：
S101：RF-DC整流电路505对微控制器模块30以及电容-数字转换模块20供电；
S102：微控制器模块30初始化：
S103：高频RFID收发模块50以及电容-数字转换模块20初始化，使能电容-数字转换。
在上述过程中，当电容式传感器10通过RF-DC整流电路505接收到高频RFID射频信号，通过电感耦合进行射频能量回收供电完成系统初始化，包括微控制器模块30、高频RFID收发模块50以及电容-数字转换模块20的初始化配置。
进一步地，在微控制器模块30读取电容-数字转换模块20转化的数据之前还包括一个转换判断过程S201，具体包括：对电容-数字转换过程进行判断，如果转化完成，则对电容-数字转换模块20转换的数据进行读取，如果没有转换完成，则进行等待。
高频RFID收发模块50进行读写的过程还包括一个对高频RFID收发模块50的判断过程，具体包括：S301：判断高频RFID收发模块50是否空闲，若高频RFID收发模块50为空闲，则S302：关闭高频RFID收发模块50的读写功能，进一步S303：将传感器数据更新到高频RFID芯片501的NDEF数据段中，然后S304：打开高频RFID收发模块50的读写功能供NFC智能手机等读写器询问；若高频RFID收发模块50正在进行读写操作，则等待读写操作完成再进行数据更新。
具体的，在该方法中，所述用于检测饮用水TDS值的电容式射频识别传感器标签，在支持NFC的智能手机通过RFID射频供电完成手机到标签的能量传输，为传感器标签供电。传感器标签在被供电后进行初始化配置，读取电容测量值和温度值并保存至高频RFID模块的存储器中。然后，高频RFID模块通过NFC数据交换协议将测量结果发送至智能手机显示，完成测量过程。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。
