在许多工业、农业或医疗领域，溶液pH值的高低是其所经常要考虑的测量项目之一。本文的主要目的是评估pH值玻璃探测器(pH glass probe)的特性，以解决硬件和软件设计时所面临到的不同挑战，并提出一种使用射频(RF)收发器模块从探测器进行无线数据传输的解决方案。

本文的第一部分将先探讨pH值探测器，接着考察与前端信号调节电路相关的不同设计挑战，以及如何在数据转换中以低成本实现高精度和可靠性。由于校准技术是提高数据处理准确度和精密度的方法，因此文中也将讨论一些校准技术，例如，在分散的预定义数据中以最小二乘法求取近似值的一般多项式拟合(general polynomial fit)，以便进行pH值校准。最后，在本文的最后一部分则将会为读者介绍一款无线监控系统的参考电路设计。

了解由pH值定义的pH值探测器

水溶液的酸碱度可以是酸性、碱性或是中性。在化学领域，酸碱性是以一组数字刻度来测量，这一刻度称为pH值；根据嘉士伯基金会(Carlsberg Foundation)的解释，它代表的是氢离子浓度值(power of hydrogen)。这一刻度是对数的，从1到14。这一pH值在数学上可以pH=-log(H+)表示。

因此，如果氢离子的浓度为1.0×10-2mol/L，则pH=-log(1.0×10-2)=2。

水溶液如蒸馏水的pH值为7，这是一个中性值。pH值低于7的溶液是酸性，而pH值高于7的则被认为是碱性的溶液。对数刻度给出一种溶液与另一种溶液相比较时的酸性程度。

例如，pH值为5的溶液的酸性是pH值为6的溶液的10倍，并且比pH值为8的溶液酸性高1,000倍。

˙pH值指示剂 有许多方法可用来测量水溶液的pH值。石蕊试纸指示剂或玻璃探测器都可用来测量pH值。

˙石蕊试纸 石蕊试纸指示剂通常由从地衣(lichen)中提取出来的染料所组成，这些染料可作为pH值高低的指示剂。一旦与溶液接触，试纸就会产生化学反应，使得颜色改变，从而指出该溶液的pH值。这一范畴基本上包括两种方法：一种方法是利用缓冲溶液，将对应于已知pH值的标准颜色与浸没在测试液体中的指示剂的颜色比较；而另一种方法则是准备一张浸泡在指示剂中的pH值试纸，然后将该试纸浸入测试液体中，并将其颜色与标准颜色比较。虽然上述两种方法都很容易实现，但它们可能因为温度和测试溶液中的外来物质而很容易出错。

˙pH值玻璃探测器 最常用的pH值指示剂是pH值探测器。它是由玻璃测量电极和参考电极所组成。典型的玻璃探测器是由密封着氯化氢(HCl)溶液的薄玻璃膜所构成。外壳的内部有一条涂有AgCl的银导线，它可作为参考电极，且与HCI溶液接触。

在玻璃膜外部的氢离子会扩散穿过玻璃膜，并取代相应数量的钠离子(Na+)，这些钠离子通常都存在于大多数的玻璃中。该阳离子是难以捉摸的，并且大部分会被限制在膜具有较低浓度那一侧的玻璃表面。来自Na+的过量电荷会在传感器的输出端产生电位电压。

该探测器类似于电池。当探测器置于溶液中时，测量电极将视溶液中的氢的活性而产生一个电压，并与参考电极的电位比较。当溶液的酸性变得更强(pH值更低)时，与参考电极相比，玻璃电极电位的正值会变多(+mV)；而随着溶液的碱性变得更强(pH值更高)时，与参考电极相比，玻璃电极电位的负值会变多(-mV)。这两个电极之间的差异是测量到的电位，理想的状况下，典型的pH值探测器会在25℃的情况下产生59.154mV/pH单位。这通常可由能斯特(Nernst)方程式表示，如下所示：

其中：

E=具有未知活性的氢电极的电压；a=±30mV，零点公差(zero point tolerance)；T=25℃时的环境温度；n=1，25℃时，原子价(离子上的电荷数)； F=96,485库仑/mol，法拉第(Faraday)常数； R=8.314伏特-库仑/°Kmol，亚佛加厥数(Avogadro’s number)； pH=未知溶液的氢离子浓度；pHISO=7，参考的氢离子浓度。

该方程式显示，所产生的电压取决于溶液的酸度或碱度，并且以已知的方式，随氢离子的活性而改变。溶液温度的变化改变了其氢离子的活性，当溶液温度升高时，氢离子的移动速度加快，这将导致两个电极之间的电位差增加。此外，当溶液冷却时，氢的活性会降低，使得电位差也随之降低。电极的设计让它在放进pH值为7的缓冲溶液中时，可产生零伏特(V)电位。

典型的pH值探测器将具有如表1所示的规格。

表1：pH值玻璃探测器的典型规格。

pH值探测器将在这次的研究中扮演重要的角色，因为资料的可靠性将取决于传感器的精度和稳定性。在选择pH值探测器时所要考虑的两项关键因素是：其在温度改变后的稳定时间及其在缓冲溶液pH值有所改变后的稳定