一种用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构及检测方法与流程

本发明涉及一种声波器件，尤其涉及一种用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构及检测方法，属于新型传感器领域。

背景技术：

智能家居是智能传感器的典型应用领域，在面临机遇的同时也存在着挑战。以洗衣机为例，智能洗衣机不仅要求洗衣机具有智能开关、智能漂洗等常规功能，还希望站在用户的角度提供更实用的功能，如智能检测洗衣机的洗涤剂残留量。实现洗涤剂残留量检测，不仅可以洗净即停，使衣物漂洗干净，防止洗涤剂与皮肤接触后出现不良症状，还能改变消费者习惯，根据需要放入适量的洗涤剂，从而避免洗涤剂的浪费，使环境更友好，洗衣机更绿色更环保。

洗衣机洗涤剂由表面活性剂等六种物质构成，其中表面活性剂最为重要，占整个洗涤剂成分的15%-40%。表面活性剂可分为四种：阴离子、非离子、阳离子、两性离子，其中阴离子表面活性剂的使用最为广泛，如洗衣粉，其次为非离子表面活性剂，如洗衣液。目前，非离子表面活性剂的应用越来越广泛，原因是与阴离子表面活性剂相比，非离子有很多显著的优势，如稳定性高，相容性好，更强的乳化能力、润湿能力、洗涤能力和耐硬水能力等。

目前在液体传感领域主要采用化学传感器，包括滴定法、色谱分析法、伏安法、电位法等。滴定法和色谱分析法很难与洗衣机集成，伏安法和电导率传感器可方便地用在洗衣机上，但电导率传感器不适合测量不导电的表面活性剂，采用伏安法也不适于测量非离子表面活性剂。

声波传感器是一种新型传感器。声波传感器以压电材料作为敏感器件，利用压电效应，通过叉指换能器在压电基片上激发出弹性波，主要根据声波的传播特性随被测对象变化来实现检测功能。通常来说，声波传感器可分为声表面波传感器、声板波传感器、乐甫波传感器三种类型。其中，乐甫波传感器最适于液相检测。

声波传感器用于液相检测时，通常有以下两种方案：

方案一：在激发声波的压电基片上加上一层特异性化学或生物薄膜或涂层，该薄膜或涂层会吸附特定化学成分的待测对象，通过质量负载作用使得声波传感器的谐振频率发生变化，根据谐振频率与待测物浓度的关系实现对待测物浓度的测量。其优点是具有特异选择性，对其它不能吸附的对象不敏感。其缺点是工艺复杂，下一次测量时需要去掉薄膜或涂层上之前被吸附的物质，操作较繁琐，且耐用性、可靠性不高。

方案二：不需要增加特异性化学或生物薄膜或涂层，采用“普适性指纹检测法”，即不同浓度的待测对象具有不同的指纹，其相应的密度、粘度、介电常数、电导率为指纹的特征，通过间接测量待测对象的密度、粘度、介电常数、电导率等特征参数来实现对其成分或浓度的检测。其优点是制作工艺较为简单，并且由于不需要特异性化学或生物涂层，因此更耐用、可靠性更高。缺点是不具有特异选择性，容易对温度等环境因素敏感。

文献“j.l.vivancos,z.racz,m.cole,etal.detergentssensingsystembasedonsh-sawdevices.procediaengineering,2011,25:1125-1128”和“j.l.vivancos,z.racz,m.cole,etal.surfaceacousticwavebasedanalyticalsystemforthedetectionofliquiddetergents.sensorsandactuatorsb:chemical,2012,171-172:469-477”通过实际制作谐振型水平剪切声表面波器件和实际测试，从原理上描述了声波传感器采用方案二“普适性指纹检测法”检测洗涤剂残留量的可行性，但存在着以下问题：

（1）不能消除温度对检测结果的影响，因此测试时需要将温度控制在22±0.1℃。

（2）测试时需要自由化和金属化两个声波器件，且无论是自由化还是金属化器件都需要参考通道和相应的参考液体，由此带来测量过程的繁琐和复杂。

（3）虽然介绍了采用pdms微液腔并通过拧上螺钉以避免洗涤剂检测时漏液的方法，但实际使用时，经常会出现螺钉拧得较松从而仍然漏液，或者螺钉拧得较紧导致声波衰减过大甚至压电基片破碎的情况出现。

（4）虽然测试结果从原理上验证了不同浓度洗涤剂会导致声波器件传播特性的变化，但并没有叙述相应逆问题的解决方法，即如何根据声波器件传播特性的变化来获知具体的洗涤剂残留量浓度值。

发明专利《一种用于液体多参数传感的乐甫波器件结构及检测方法》（申请号：201510124141.9，申请日：2015.03.20）仅用一个乐甫波器件就能实现对液体密度、粘度、介电常数和电导率的并行检测，但不能消除温度对检测结果的影响，而且待测液体需要分别位于两个液体敏感区上的两个液槽内，操作过程较繁琐。除此之外，鉴于器件采用叉指换能器沉积在压电基片表面中部而两个反射栅分别沉积在左右两侧的形式，与两个反射栅沉积在压电基片同侧的常规器件相比，在长度方向的尺寸增大了一倍，不利于器件的小型化实现。

发明专利《一种多叉指并联型乐甫波器件结构及其批量液体检测方法》（申请号：201510207974.1，申请日：2015.04.28）虽然在实现对液体多特征参数并行检测的同时能消除温度对检测结果的影响，但待测液体同样需要分别位于两个液槽内，器件在长度方向的尺寸同样较长。除此之外，由于器件输出信号为叉指之间的时延回波，与延迟线型器件结构的反射栅反射回波相比，信号时延和幅值对液体特征参数的灵敏度均显著降低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构及检测方法，使用单端双通道延迟线型乐甫波器件及人工神经网络模型分析方法实现对洗涤剂残留量的检测，同时也可实时监测环境温度并消除环境温度变化对洗涤剂残留量检测结果的影响。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构，乐甫波器件采用单端双通道延迟线型结构，包括压电基片、叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅、压电薄膜、液体敏感区；

其中，叉指换能器沉积在压电基片左侧；

第一反射栅、第四反射栅沉积在压电基片的上半部分构成乐甫波的第一传播通道；

第二反射栅、第三反射栅沉积在压电基片的下半部分构成乐甫波的第二传播通道；

第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅的孔径均相等，且略小于叉指换能器孔径的一半，使得乐甫波的两个传播通道彼此独立；

液体敏感区设置于第一反射栅、第二反射栅与第三反射栅、第四反射栅之间，其长度小于第二反射栅与第三反射栅之间的距离，宽度与叉指换能器的孔径相等；

压电薄膜溅射在压电基片表面并覆盖叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅、液体敏感区。

作为本发明用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构的进一步优选方案，所述液体敏感区的上半部分和下半部分分别为不同的电学结构，其中，上半部分为自由化电学结构，下半部分为金属化电学结构。

作为本发明用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构的进一步优选方案，所述液体敏感区的下半部分的压电薄膜表面镀有一层接地的金属薄膜。

作为本发明用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构的进一步优选方案，所述压电基片为36°yx钽酸锂，所述压电薄膜为氧化锌薄膜。

作为本发明用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构的进一步优选方案，所述叉指换能器为单相单向换能器，其使激发出的乐甫波只沿压电基片右侧传播，避免常规叉指换能器激发乐甫波时因双向传播导致能量损耗一半的问题。

作为本发明用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构的进一步优选方案，第一反射栅、第二反射栅、第三反射栅、第四反射栅与叉指换能器的距离各不相同，以确保测试时四个反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉。

作为本发明用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构的进一步优选方案，设第一反射栅与叉指换能器的距离为l1，第二反射栅与叉指换能器的距离为l2，第三反射栅与叉指换能器的距离为l3，第四反射栅与叉指换能器的距离为l4，则l1与l2的差值、l3与l4的差值应大于乐甫波在外部阅读器发射的射频查询脉冲持续时间内传播距离的一半；在保证乐甫波通过液体敏感区时衰减不致过大的前提下，l2与l3的差值应尽可能大，使乐甫波器件对洗涤剂的残留量检测更灵敏。

作为本发明用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构的进一步优选方案，检测洗涤剂残留量时，乐甫波器件首先需要通过普通双面胶粘贴在定制的pcb底板上，然后在器件正上方放上定制的下部具有微小凸台的pdms面板，pdms面板上的凸台尺寸与乐甫波器件的液体敏感区尺寸一致，用作负载洗涤剂残留液的液槽；

在液槽与乐甫波器件的液体敏感区之间加上尺寸与两者一致的pmma双面胶，然后在pdms面板和pcb底板上对应的定位孔处拧上螺钉以实现乐甫波器件与液槽的一体化安装；pmma双面胶的作用是实现液槽与液体敏感区的封合，避免不采用pmma双面胶时出现螺钉拧得较松从而漏液，或者螺钉拧得较紧导致声波衰减过大甚至压电基片破碎的情况出现。

应用乐甫波器件结构的洗涤剂残留量检测方法，包括如下步骤：

步骤a：在环境温度可控，洗涤剂残留试样浓度可随意配比的实验条件下，对乐甫波器件进行测试，获得大量数据；

步骤b：阅读器根据步骤a获得的数据建立并训练人工神经网络模型，模型的输入量为乐甫波器件的脉冲回波信号特征值，模型的输出量为环境温度和洗涤剂残留液浓度；

步骤c：在环境温度未知的条件下，将待测洗涤剂残留液引入液槽；

步骤d：阅读器发射射频查询脉冲电信号，该脉冲电信号通过pcb底板上的射频头进入叉指换能器，叉指换能器将该脉冲电信号转换为乐甫波信号向器件右端传播；

步骤e：第一传播通道中的乐甫波信号遇到第一反射栅产生部分反射和部分透射；经第一反射栅反射的乐甫波信号再进入叉指换能器被转换为第一脉冲回波信号，通过pcb底板上的射频头回到阅读器；经第一反射栅透射的乐甫波信号经过液体敏感区的上半部分，遇到第四反射栅产生部分反射和部分透射；经第四反射栅反射的乐甫波信号再经过液体敏感区的上半部分、第一反射栅进入叉指换能器被转换为第四脉冲回波信号，通过pcb底板上的射频头回到阅读器；

步骤f：第二传播通道中的乐甫波信号遇到第二反射栅产生部分反射和部分透射；经第二反射栅反射的乐甫波信号再进入叉指换能器被转换为第二脉冲回波信号，通过pcb底板上的射频头回到阅读器；经第二反射栅透射的乐甫波信号经过液体敏感区的下半部分，遇到第三反射栅产生部分反射和部分透射；经第三反射栅反射的乐甫波信号再经过液体敏感区的下半部分、第二反射栅进入叉指换能器被转换为第三脉冲回波信号，通过pcb底板上的射频头回到阅读器；

步骤g：阅读器分析处理获得的回波信号，计算第一脉冲回波信号与第二脉冲回波信号之间的相位差，第一脉冲回波信号与第四脉冲回波信号之间的相位差，第四脉冲回波信号的幅值，第二脉冲回波信号与第三脉冲回波信号之间的相位差，第三脉冲回波信号的幅值，作为脉冲回波信号的特征值；

步骤h：阅读器将上述脉冲回波信号特征值输入训练好的人工神经网络，获得环境温度和洗涤剂残留液的浓度。

进一步的，步骤a具体分为如下步骤：

步骤a：给定环境温度，将已知浓度的洗涤剂残留试样引入液槽；

步骤b：按照与步骤d、步骤e、步骤f、步骤g相同的步骤，获得与给定环境温度和已知浓度的洗涤剂残留试样对应的脉冲回波信号特征值；

步骤c：在环境温度不变的情况下，按一定步长改变洗涤剂残留试样的浓度，重复步骤a、步骤b；

步骤d：按一定步长改变环境温度，重复步骤a、步骤b、步骤c。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.与滴定法、色谱分析法、伏安法、电位法等液体传感领域广泛采用的化学传感器相比，易于与洗衣机集成，并且适于测量洗涤剂中各种类型的表面活性剂；

2.与在压电基片上加上一层特异性化学或生物薄膜或涂层的声波传感器液相检测方法相比，制作工艺较为简单，并且更耐用、可靠性更高；

3.采用单相单向叉指换能器，有利于器件的小型化；采用单端延迟线型结构，可提高检测灵敏度；采用双通道结构，器件只需一个液体敏感区；

4.器件仅一个液体敏感区并位于一个液槽内，将洗涤剂引入液槽时操作过程简单；

5.在液槽与液体敏感区之间加上pmma双面胶，可实现液槽与液体敏感区的紧密封合；

6.采用人工神经网络模型分析方法，不仅可通过器件的脉冲回波信号特征值检测洗涤剂残留量浓度，还可实时监测环境温度，并消除环境温度变化对检测结果的影响。

附图说明

图1是本发明的乐甫波器件结构示意图；

图2是本发明的乐甫波器件结构俯视剖面示意图；

图3是本发明的乐甫波器件结构纵向剖面示意图；

图4是本发明的pdms面板结构示意图；

图5是本发明的pdms面板结构俯视剖面示意图；

图6是本发明的pdms面板结构纵向剖面示意图；

图7是本发明的乐甫波器件脉冲回波信号示意图；

图8是本发明的人工神经网络结构模型示意图。

上述图中的标号名称：1.压电基片，2.叉指换能器，3.第一反射栅，4.第二反射栅，5.第三反射栅，6.第四反射栅，7.压电薄膜，8.液体敏感区，9.液槽，10.定位孔，11.查询脉冲，12.第一脉冲回波信号，13.第二脉冲回波信号，14.第三脉冲回波信号，15.第四脉冲回波信号，16.第一脉冲回波信号与第二脉冲回波信号之间的相位差，17.第一脉冲回波信号与第四脉冲回波信号之间的相位差，18.第二脉冲回波信号与第三脉冲回波信号之间的相位差，19.第三脉冲回波信号的幅值，20.第四脉冲回波信号的幅值，21.环境温度，22.洗涤剂残留量浓度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1、图2、图3所示，一种用于洗涤剂残留量检测的乐甫波器件结构。所述乐甫波器件为单端双通道延迟线型结构，包括压电基片1、叉指换能器2、第一反射栅3、第二反射栅4、第三反射栅5、第四反射栅6、压电薄膜7和液体敏感区8。其中，压电基片1所用材料为36°yx钽酸锂，压电薄膜7所用材料为氧化锌。压电薄膜7溅射在压电基片1表面并覆盖叉指换能器2、第一反射栅3、第二反射栅4、第三反射栅5、第四反射栅6、液体敏感区8。叉指换能器2沉积在压电基片1左侧，为单相单向换能器，其使激发出的乐甫波只沿压电基片右侧传播，避免了常规叉指换能器激发乐甫波时因双向传播导致能量损耗一半的问题，利于乐甫波器件的小型化。第一反射栅3、第四反射栅6沉积在压电基片1的上半部分构成乐甫波的第一个传播通道，第二反射栅4、第三反射栅5沉积在压电基片1的下半部分构成乐甫波的第二个传播通道。第一反射栅3、第二反射栅4、第三反射栅5、第四反射栅6的孔径均相等，并且略小于叉指换能器2孔径的一半，使得乐甫波的两个传播通道彼此独立。

第一反射栅3、第二反射栅4、第三反射栅5、第四反射栅6与叉指换能器2的距离各不相同，以确保测试时四个反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉。设第一反射栅3与叉指换能器2的距离为l1、第二反射栅4与叉指换能器2的距离为l2、第三反射栅5与叉指换能器2的距离为l3、第四反射栅6与叉指换能器2的距离为l4，则l1与l2的差值、l3与l4的差值应大于乐甫波在外部阅读器发射的射频查询脉冲持续时间内传播距离的一半。在保证乐甫波通过液体敏感区时衰减不致过大的前提下，l2与l3的差值应尽可能大，使乐甫波器件对洗涤剂的残留量检测更灵敏。

液体敏感区8设置于第一反射栅3、第二反射栅4与第三反射栅5、第四反射栅6之间，其长度小于第二反射栅4与第三反射栅5之间的距离，宽度与叉指换能器2的孔径相等。液体敏感区8的上半部分和下半部分分别为不同的电学结构，其中上半部分为自由化电学结构，下半部分为金属化电学结构。并且，液体敏感区8的下半部分的压电薄膜7表面镀有一层接地的金属薄膜。通过设置自由化电学结构和金属化电学结构的液体敏感区上半部分、下半部分，与乐甫波的两个传播通道对应，以分离洗涤剂残留液的密度、粘度两种机械参数和介电常数、电导率两种电学参数对反射栅回波信号的影响。

采用本发明的乐甫波器件结构检测洗涤剂残留量时，乐甫波器件首先需要通过普通双面胶粘贴在定制的pcb底板上，然后在器件正上方放上定制的具有微小凸台的pdms面板。pdms面板如图4、图5、图6所示，pdms面板上的凸台尺寸与乐甫波器件的液体敏感区8尺寸一致，用作负载洗涤剂残留的液槽9。在液槽9与乐甫波器件的液体敏感区8之间加上尺寸与两者一致的pmma双面胶，然后在pdms面板和pcb底板上对应的定位孔10处拧上螺钉以实现乐甫波器件与液槽9的一体化安装；pmma双面胶的作用是实现液槽9与液体敏感区8的封合，避免不采用pmma双面胶时出现螺钉拧得较松从而漏液，或者螺钉拧得较紧导致声波衰减过大甚至压电基片1破碎的情况出现。

乐甫波器件的脉冲回波信号如图7所示。查询脉冲11为从阅读器发射链路耦合到阅读器接收链路的射频查询脉冲信号，第一脉冲回波信号12为第一反射栅3对应的回波信号，第二脉冲回波信号13为第二反射栅4对应的回波信号，第三脉冲回波信号14为第三反射栅5对应的回波信号，第四脉冲回波信号15为第四反射栅6对应的回波信号。第一脉冲回波信号12、第二脉冲回波信号13、第三脉冲回波信号14、第四脉冲回波信号15的时延与自由化、金属化电学结构的乐甫波传播速度有着一定的对应关系，第一脉冲回波信号12、第二脉冲回波信号13、第三脉冲回波信号14、第四脉冲回波信号15的幅值与自由化、金属化电学结构的乐甫波传播衰减有着一定的对应关系。

采用本发明的乐甫波器件结构检测洗涤剂残留量时用到的人工神经网络结构模型如图8所示。模型的输入量为乐甫波器件的脉冲回波信号特征值，分别为：第一脉冲回波信号与第二脉冲回波信号之间的相位差16、第一脉冲回波信号与第四脉冲回波信号之间的相位差17、第二脉冲回波信号与第三脉冲回波信号之间的相位差18、第三脉冲回波信号的幅值19和第四脉冲回波信号的幅值20。模型的输出量为环境温度21和洗涤剂残留量浓度22。

检测步骤如下：

1）在环境温度21可控，洗涤剂残留试样浓度22可随意配比的实验条件下，对乐甫波器件进行测试，获得大量数据；

2）阅读器根据步骤1获得的数据建立并训练人工神经网络模型；

3）在环境温度21未知的条件下，将待测洗涤剂残留液引入液槽9；

4）阅读器发射射频查询脉冲电信号，该脉冲电信号通过pcb底板上的射频头进入叉指换能器2，叉指换能器2将该脉冲电信号转换为乐甫波信号向器件右端传播；

5）第一个传播通道中的乐甫波信号遇到第一反射栅3产生部分反射和部分透射；经第一反射栅3反射的乐甫波信号再进入叉指换能器2被转换为第一脉冲回波信号12，通过pcb底板上的射频头回到阅读器；经第一反射栅3透射的乐甫波信号经过液体敏感区8的上半部分，遇到第四反射栅6产生部分反射和部分透射；经第四反射栅6反射的乐甫波信号再经过液体敏感区8的上半部分、第一反射栅3进入叉指换能器2被转换为第四脉冲回波信号15，通过pcb底板上的射频头回到阅读器；

6）第二个传播通道中的乐甫波信号遇到第二反射栅4产生部分反射和部分透射；经第二反射栅4反射的乐甫波信号再进入叉指换能器2被转换为第二脉冲回波信号13，通过pcb底板上的射频头回到阅读器；经第二反射栅2透射的乐甫波信号经过液体敏感区8的下半部分，遇到第三反射栅5产生部分反射和部分透射；经第三反射栅5反射的乐甫波信号再经过液体敏感区8的下半部分、第二反射栅4进入叉指换能器2被转换为第三脉冲回波信号14，通过pcb底板上的射频头回到阅读器；

7）阅读器分析处理获得脉冲回波信号特征值；

8）阅读器将上述脉冲回波信号特征值输入训练好的人工神经网络，获得环境温度21和洗涤剂残留液的浓度22。

其步骤1可细分为以下步骤：

a）给定环境温度21，将已知浓度的洗涤剂残留试样引入液槽9；

b）按照与上述步骤4、步骤5、步骤6、步骤7相同的步骤，获得与给定环境温度21和已知浓度的洗涤剂残留试样对应的脉冲回波信号特征值；

c）在环境温度21不变的情况下，按一定步长改变洗涤剂残留试样的浓度22，重复步骤a、步骤b；

d）按一定步长改变环境温度21，重复步骤a、步骤b、步骤c。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。