《测控技术与环境保护》由会员分享，可在线阅读，更多相关《测控技术与环境保护（14页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、测控技术与环境保护-空气质量的检测 空气质量对人的影响至关重要,利用传感器检测空气质量是当今流行的一种方法，本文介绍了传感器在空气质量检测方面的原理应用，分析了当前气体传感器的优点和不足,以及气体传感器的发展趋势和前景。空气对于人的重要性人们每时每刻都离不开氧,并通过吸入空气而获得氧。科学研究表明：一个成年人每天需要吸入空气达 6500 升以获得足够的氧气，因此，被污染了的空气对人体健康有直接的影响.可见，空气品质对人的影响是至关重要的.环境污染背景 当今,人类正面临“煤烟污染”、“光化学烟雾污染”、“室内空气污染”。专家检测发现,就室内空气而言，存在 50 多种挥发性有机物,其中致癌物质就有
2、20 多种，致病病毒 200 多种。危害较大的主要有:氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙 烯等。大量触目惊心的事实证实,室内空气污染已成为危害人类健康的“隐形杀手”,也成为全 世界各国共同关注的问题。据统计,全球近一半的人处于室内空气污染中，室内环境污染已经 引起 3.7的呼吸道疾病，2的慢性肺病和 15的气管炎、支气管炎和肺癌。空气质量检测的的核心技术-传感器检测技术是人们认识和改造世界的一种必不可少的重要技术手段。 而传感器是科学实验和工业生产等活动中对信息资源的开发获取、 传输与处理的一种重要工具.气体检测装置主要是由传感器和相关电路组成.传感器是整个探测器的关键部位，它是决定其可靠性的重要
3、因素之一。下面将介绍六种在空气质量检测方面发挥重要作用的传感器。 1。金属氧化物半导体式传感器。金属氧化物半导体式传感器利用被测气体的吸附作用， 改变半导体的电导率，通过电流变化的比较,激发报警电路。由于半导体式传感器测量时受环 境影响较大，输出线形不稳定。 金属氧化物半导体式传感器，因其反应十分灵敏,故目前广泛使 用的领域为测量气体的微漏现象。 催化燃烧式传感器. 催化燃烧式传感器原理是目前最广泛使用的检测可燃气体的原理之一，具有输出信号线形好、指数可靠、价格便宜、无与其他非可燃气体的交叉干扰等特点.催化燃烧式传感器采用惠斯通电桥原理,感应电阻与环境中的可燃气体发生无焰燃烧，是温度 使感应电
4、阻的阻值发生变化，打破电桥平衡,使之输出稳定的电流信号,再经过后期电路的放 大、稳定和处理最终显示可靠的数值。 3。定电位电解式传感器。定电位电解式传感器是目前测毒类现场最广泛使用的一种技术， 在此方面国外技术领先，因此此类传感器大都依赖进口。定电位电解式气体传感器的结构：在 一个塑料制成的筒状池体内,安装工作电极、 对电极和参比电极，在电极之间充满电解液，由多 孔四氟乙烯做成的隔膜,在顶部封装。前置放大器与传感器电极的连接,在电极之间施加了一定的电位，使传感器处于工作状态.气体与的电解质内的工作电极发生氧化或还原反应，在对电极发生还原或氧化反应，电极的平衡电位发生变化，变化值与气体浓度成正比
5、。迦伐尼电池式氧气传感器。 迦伐尼电池式氧气传感器的结构：在塑料容器的一面装有对氧气透过性良好的、 130m 的聚四氟乙烯透气膜,在其容器内侧紧粘着贵金属(铂、 厚 黄金、 银等）阴电极,在容器的另一面内侧或容器的空余部分形成阳极（用铅、 镉等离子化倾向大的金属)。用氢氧化钾。氧气在通过电解质时在阴阳极发生氧化还原反应，使阳极金属离子化,释放 出电子，电流的大小与氧气的多少成正比,由于整个反应中阳极金属有消耗,所以传感器需要 定期更换.目前国内技术已日趋成熟,完全可以国产化此类传感器 5.红外式传感器。 红外式传感器利用各种元素对某个特定波长的吸收原理,具有抗中毒性好， 反应灵敏,对大多数碳氢
6、化合物都有反应。但结构复杂，成本高。 6ID 光离子化气体传感器。PID 由紫外灯光源和离子室等主要部分构成,在离子室有正 负电极，形成电场，待测气体在紫外灯的照射下,离子化，生成正负离子,在电极间形成电流,经放 大输出信号。P 具有灵敏度高，无中毒问题,安全可靠等优点。 五、气体检测仪器仪表产业发展现状深度分析近年来，随着中国经济的高速发展,仪器仪表产业也得到了快速发展,自 24 年产销首次 突破千亿元大关，行业发展进入了快车道,2006 年行业总产值突破两千亿元;0年仪器仪表 行业总产值达 3078 亿元，增长率高达 8；据仪器仪表行业协会统计，8年上半年仪器仪表 行业总产值实现 175。
7、 亿元,同比增长 23.8%，其中分析仪器、 环境监测仪器仪表增长率高达32。科学技术的进步为气体检测仪器仪表行业的发展提供了条件,市场和政府政策的推动、 人们安全意识的提高、相关法规法律的完善是气体检测行业发展的核心动力,这些推动使气体检测仪器仪表行业处于产业高速增长期。 从技术发展的角度看，根据使用传感器原理的不同，常见的气体检测仪器仪表各自有适用气体及应用领域，新技术新产品正在成为未来气体检测仪器仪表的主流。 六、对未来空气质量检测的展望随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大 气污染、 工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出
8、了更高的要 求. 纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体传感器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、传感技术、故障诊断技术、智能技术等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监 测多种气体的全自动数字式的智能气体传感器将是该领域的重要研究方向。近年来,空气质量监测越来越受到人们的重视，国内外的众多企业与研究机构在气体传感器研发领域取得了长足进步,目前气体传感器正向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展。日本FIGARO公司开发生产的系列半导体气体传感器代表了目前气体传感器领域最新的水平,为研究开发空气质量监测系统创
9、造了有利条件,提供了一条简单而实用的途径。1 半导体气敏传感器及其特性 半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体(主要是金属氧化物）表面接触时,产生的电导率等物性变化来检测气体.半导体气敏器件被加热到稳定状态下,当气体接触器件表面而被吸附时，吸附分子首先在表面自由地扩散(物理吸附）,失去其运动能量,其间的一部分分子蒸发，残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附)。这时，如果器件的功函数小于吸附分子的电子亲和力，则吸附分子将从器件夺取电子而变成负离子吸附。具有负离子吸附倾向的气体最典型的是O2，称为氧化型气体或电子接收性气体.如果器件的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放电子，而成为
10、正离子吸附。具有这种正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和酒类等，称为还原型气体或电子供给性气体。2 GS2600传感器基本测量电路传感器基本测量电路如下图所示。此传感器要求有两个电压输入:加热器电压H和电路电压VC。加热器电压VH加于集成加热器上以保持传感器在一个特定的最佳感应温度。电路电压V被加载以便于测量与气敏元件串联的负载电阻电压Vot。此传感器有极性所以电路电压VC必须是直流。可以用一个公共的电源来同时供给H和V以满足传感器的电气需求。合理选择负载电阻RL使报警门限电压最优化,并使半导体传感器功耗小于15mw。当目标气体存在时，传感器功耗在R与R相等时最大。TS2600传感器
11、基本测量电路半导体空气传感器TGS260-水质量的检测环境监测是环境科学的一个重要分支 ， 其目的是及时、 准确、全面地反映环境质量现状及发展趋势 ， 检测热变化 、光变化或直接产生电信号方式等 ； 化学变化、 热变化和光变化由信号传导器转化为易于输出的，与待测物质浓度成比例的电信号, 这个信号能够进一步被放大 、处理或储存， 然后利用电子仪器进行测量，记录，从而达到分析检测的目的.生物传感器在环境监测中的应用 对砷化物和硫化物的检测 环境管理、污染源控制 、环境规划和环境评价等提供科法 ，其缺点是 ： 分析速度慢， 操作复杂 ， 所需仪器昂贵.传统的环境监测方法通常采用离线分析方法,且不适宜
12、进行现场快速监测和连续在线分析 。随着环境污染问题日益严重 , 建立和发展连续、在线、快速的现场监测体系尤其重要.生物传感器是将生物感应元件与能够产生和待测砷污染主要来源于采矿、冶金化工、农药生产、制物浓度成比例的信号传导器结合起来的一种分析装积小、成本低、选择性好、灵敏度高、响应快等优势，能测领域有着广阔的应用前景 。 生物传感器的基本原理。Roberto 等从海水母中提取 了 一 种绿 色荧 光 蛋 白 质 （ geenluoesce pro2tin） ,通过基因转录研制出一种细菌荧光素酶生物传感器，生物传感器主要由生物感应元件和信号传导器两部分组成 .可用来制作生物感应元件的物质有酶、
13、酶 组分 、 生物体 、 组织、细胞、抗体、核酸、有机物分子等，其主要功能是对被测物质进行选择性作用，即识别被测物质，利用该生物传感器可检测亚微克量的亚砷酸盐和砷酸盐,对砷污染地区能进行在线、长期的环境监测，效果显著，且费用较低 。在焦化、选矿、造纸、印染、制革等工业废水通常含有被测物质。信号传导器的主要形式有电势测量式、电流测量式、电导率测量式、阻抗测定式、光强测量式、热量测定式、声强测量式、机械式等，其主要功能是将生物元件与被测物质相互作用所产生的物理化学效应转变为可以输出的电信号硫化物 ，包括溶解性的 H2、和 ,酸溶性的金HS属硫化物等.硫化物毒性较大,且易产生硫化氢，可危 害细胞色素
14、、氧化酶，造成细胞组织缺氧，甚至危及生命；它还腐蚀金属设备和管道，并可被微生物氧化成硫酸而加剧腐蚀性。因此,硫化物是水体污染的重要指其中分离筛选出的氧化硫硫杆菌作为分子识别元件，生物传感器的基本工作原理是 ：将具有分子识别功能的生物物质通过特殊加工技术涂敷固定在固态载体上（ 例如高分子膜等）,形成功能膜，当其与被测物质相接触时,膜内的感应物质首先与被测物质选择性地吸附，发生相互作用形成复合物，从而表现为化学变标 .王晓辉等从潮湿煤粉和硫铁矿附近酸性土壤制了一种测定硫化物的微生物电极。将该微生物电极中，当膜内微生物的内源呼吸活性一定时,溶液中的氧插入温度 、H 及溶解氧浓度均恒定的缓冲溶液体 分
15、子通过微生物膜扩散进入氧电极的速率也一定 。将含有 2的溶液加入缓冲溶液， S扩散进入微生物膜,并被膜内硫杆菌同化而耗氧 ，使氧分子扩散进入氧电极的速率降低,导致电极输出电流下降。通过对电流变化值的记录，可检测出S2 的浓度试验证明,硫化物微生物电极具有良好的准确度和精密度 , 测试设 备简单，操作方便，成本低 ，是一种有实用意义的生物 传感器. 对杀虫剂除草剂残留物的检测.利用生物传感器可直接、快速又方便地检测出各类杀虫剂（ 如有机磷和氨基甲酸脂类）和除草剂的残留物。生物基质不但可以测定残留物的浓度,还可以测定其毒性,这是传统的分析检测技术所达不到的.用于检测杀虫剂的最常见的酶是神经酶乙酰胆
16、碱 酶，它能催化乙酰胆碱水解成胆碱和乙酸。有机磷 是杀虫剂中的一大分支,包括对硫磷、马拉硫磷、甲氟磷酸异丙酯等,它们能与酶结合成非常稳定的共价物 磷酸基酶从而阻碍酶的活性。将固定化乙酰胆碱酯制 成的生物传感器放入含有杀虫剂的试样中就可以测量出酶活性的抑制程度。当酶不受抑制时 , 会输出一个 最大的稳定信号 ，而当溶液中含有抑制剂时,这个信号 的大小就会降低一个与抑制剂浓度成比例的量， 从而 达到检测的目的 。利用聚球蓝细菌细胞作为生物基质 的生物传感器可以用于检测水体中的除草剂 ,通过检 测细胞中光合成电子传输系统 ,当有污染物存在时，会 对传输系统产生干扰 .该方法非常简单方便 ，可迅速 提供污染信息,适于在线监测。 对废水水质的在线监测 Ish
