探討大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中傳感器的應(yīng)用

蔡寶雄　王利榮　周雅華

摘要：在人們不斷追求安逸環(huán)境的過(guò)程中，環(huán)保理念在人群中也逐漸的得到了提高。尤其是對(duì)于生活中必不可少的大氣有著更高的追求。在大氣監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，傳感器是十分重要的一個(gè)監(jiān)測(cè)手段，它能夠?qū)Υ髿鈾z測(cè)提供實(shí)時(shí)的理論支持，將反饋的信息進(jìn)行整合與治理將有效的提高大氣的治理水平。本文將主要分析大氣監(jiān)測(cè)過(guò)程中傳感器的分類以及如何運(yùn)轉(zhuǎn)等方面進(jìn)行詳細(xì)的闡述，并對(duì)其在應(yīng)用過(guò)程中特定的局限性進(jìn)行總結(jié)，希望為以后的大氣監(jiān)測(cè)和治理提供一定的理論上的支持。

關(guān)鍵詞：傳感器；監(jiān)測(cè)；大氣；環(huán)境

中圖分類號(hào)X8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A 文章編號(hào)2095-6363（2016）06-0046-02

人類的生產(chǎn)生活都離不開(kāi)大氣，所以說(shuō)大氣環(huán)境的好壞直接影響著生活的質(zhì)量。在21世紀(jì)的今天，工業(yè)、交通運(yùn)輸發(fā)展迅速，特別是化石燃料的應(yīng)用過(guò)程中粉塵以及氮氧化物和硫氧化物的肆無(wú)忌憚的排放對(duì)環(huán)境質(zhì)量造成了很大的危害。在出行甚至日常生活中，也不得不佩戴厚厚的口罩，呼吸病比例呈現(xiàn)線性的增長(zhǎng)。因此，如何用最新的技術(shù)去控制大氣中的污染物的含量，還大家綠水青山是現(xiàn)在領(lǐng)導(dǎo)者首要考慮的問(wèn)題。在進(jìn)行控制污染物的過(guò)程中對(duì)污染物進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)是非常重要的，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)檢測(cè)手段了解污染物的成分以及含量才可以采取特定的治理手段和方法，從而可以高效的提高環(huán)境治理效率。雖然現(xiàn)在監(jiān)測(cè)手段不斷的進(jìn)步，傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)而且還可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)使得傳感器在監(jiān)測(cè)過(guò)程中占據(jù)著重要的地位。

1.傳感器的定義和工作原理

1.1傳感器的定義以及類型

傳感器分為物理和化學(xué)兩種類型，是能夠?qū)⑻囟ǖ幕瘜W(xué)或者物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電能元件。高速的經(jīng)濟(jì)發(fā)展已經(jīng)使得傳感器變得非常完善，信號(hào)的轉(zhuǎn)換也由原來(lái)的電信號(hào)延伸到各個(gè)領(lǐng)域，從而形成了一個(gè)很大的傳感器體系。另外，根據(jù)性質(zhì)的不同，傳感器還可以分為不同的類型。其中免疫傳感器和離子選擇電極就是根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同而進(jìn)行分類整理的。

1.2傳感器的應(yīng)用原理

傳感器的組成主要包括2部分：其中第一個(gè)就是識(shí)別檢測(cè)對(duì)象的分子識(shí)別系統(tǒng)，此系統(tǒng)也是實(shí)現(xiàn)物理化學(xué)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的主要零件部分，它直接影響著傳感器的選擇質(zhì)量。轉(zhuǎn)換部分就是將產(chǎn)生的物理以及化學(xué)等變化轉(zhuǎn)化為可以分析的電信號(hào)，從而可以利用電化學(xué)的手段對(duì)電信號(hào)進(jìn)行收集以及整理，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最終對(duì)后續(xù)的治理提供良好的理論支撐。

2.大氣監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的傳感器

2.1監(jiān)測(cè)氮氧化物的傳感器

氮氧化物是常見(jiàn)的大氣污染物，過(guò)多的氮氧化物也是光化學(xué)煙霧的罪魁，嚴(yán)重影響著人們的身心健康，甚至危及公眾的生命。氮氧化物的主要來(lái)源是化石礦物的燃燒，在光照的條件下形成嚴(yán)重危害環(huán)境的NO2。氮氧化物傳感器原理就是利用氧電極生成一種特定的消耗亞硝酸鹽的細(xì)菌，通過(guò)計(jì)算溶解氧濃度的變化來(lái)計(jì)算出氮氧化物的含量。

因?yàn)樯傻募?xì)菌是以硝酸鹽作為能源，而且只是以這種硝酸鹽作為能源，因此，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中具有唯一性不會(huì)因?yàn)槠渌镔|(zhì)的干擾而受到影響。國(guó)外一些研究學(xué)者利用膜的原理進(jìn)行了更加深入的研究，從而間接的測(cè)出了空氣中含量非常低的NO2的濃度。

2.2硫酸鹽傳感器應(yīng)用

在進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)的過(guò)程中除了氮化物，硫化物同樣是嚴(yán)重影響人們生產(chǎn)生活的污染物。在氮氧化物中SO2，是酸雨以及酸霧形成的主要原因，而且傳統(tǒng)的方法雖然可以測(cè)出SO2的含量，但是方法復(fù)雜而且不夠準(zhǔn)確。

最近研究學(xué)者發(fā)現(xiàn)特定傳感器能夠?qū)喠蛩猁}進(jìn)行氧化，在進(jìn)行氧化的過(guò)程中會(huì)消耗一部分的氧氣，這就會(huì)使電極溶解氧下降從而生成電流效應(yīng)。利用傳感器可以有效的得到亞硫酸鹽的含量值，不但速度快而且可靠度高。

2.3二氧化碳傳感器的應(yīng)用

二氧化碳是形成溫室效應(yīng)的主要物質(zhì)，在進(jìn)行監(jiān)測(cè)二氧化碳的過(guò)程中采用傳統(tǒng)的方法會(huì)有不同離子以及揮發(fā)性酸的干擾，這樣就會(huì)嚴(yán)重影響監(jiān)測(cè)到的二氧化碳值。經(jīng)過(guò)幾年的科學(xué)發(fā)展，魯中明等人研究出了一種利用指示劑的方法來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)二氧化碳的指示劑，這樣的指示劑能夠?qū)?90ppm以下的二氧化碳濃度精確的測(cè)量出，而且此類傳感器的體積小而且耗能低。這種傳感器的應(yīng)用解決了在工程中長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，大大的提高了工作效率。

2.4在其他類型氣體中的應(yīng)用

除了含量比較高的污染性其他外，一些常見(jiàn)的氣體：甲醛、甲烷、氨等等同樣是影響著人們的生活。但是由于這些氣體的含量比較低，而且這些氣體具有隱蔽性的特點(diǎn)，所以在實(shí)際的生活中往往不會(huì)受到人們的重視。祝艷濤等人通過(guò)對(duì)甲醛等氣體的研究綜合了一系列的研究現(xiàn)狀，分析到現(xiàn)有的甲醛傳感器存在的一系列問(wèn)題，并且根據(jù)自己的實(shí)際研究預(yù)測(cè)了甲醛傳感器的發(fā)展趨勢(shì)；其他學(xué)者利用特定的細(xì)菌作為基質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣污染物進(jìn)行不問(wèn)斷的監(jiān)測(cè)。

3.傳感器的特點(diǎn)以及它的局限性

傳感器主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1）傳感器的組成材料是生物性較好且具有選擇性的分子，一般不需要預(yù)處理過(guò)程，材料的組成檢測(cè)與分離可以同時(shí)進(jìn)行，在測(cè)定時(shí)，不需要添加其他的物質(zhì)；2）傳感器的體積小，占地面積小，可以在線連續(xù)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)大氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；3）傳感器的反應(yīng)速度快，響應(yīng)靈敏迅速，所需樣品量少，其材料敏感，且固定化。因此可重復(fù)利用這種材料；4）傳感器價(jià)格相對(duì)便宜，便于推廣使用。其成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大型的分析儀器，在一些小公司的承受范圍內(nèi)。

傳感器具有上述的優(yōu)點(diǎn)，但是還存在著一些局限性。1）雖然傳感器應(yīng)用廣泛，但是在實(shí)際的應(yīng)用中，還存在著很多問(wèn)題。主要的局限性是關(guān)于傳感器的組成分子，傳感器的敏感膜上的分子固定量和固定分子的活性難以掌控。這樣就不能提供可靠的數(shù)據(jù)，測(cè)量的結(jié)果一致性較差，測(cè)量的精密度降低，傳感器的組成分子的活性受多種因素影響，例如溫度、pH值、污染程度等。這些影響因素都會(huì)降低傳感器的使用壽命。另外，生物膜的制備過(guò)程復(fù)雜、成本高、成功性小，不能實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)；2）測(cè)量大氣環(huán)境時(shí)，對(duì)周圍的環(huán)境要求嚴(yán)格，但是傳感器的抗干擾能力不強(qiáng)，因此，需要開(kāi)發(fā)抗干擾能力強(qiáng)的傳感器。

4.傳感器在大氣監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用前景

隨著社會(huì)對(duì)環(huán)境意識(shí)的提高，環(huán)境保護(hù)在人們心中占有的位置越來(lái)越高，促進(jìn)了環(huán)保事業(yè)的發(fā)展。傳感器應(yīng)用在大氣監(jiān)測(cè)方面的研究越來(lái)越多，傳感器的應(yīng)用局限也得到了部分改善。要想提高傳感器在大氣監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用范圍，必須克服傳感器自身的缺點(diǎn)。主要是提高傳感器的準(zhǔn)確性和靈敏度，操作簡(jiǎn)單易行，能夠批量生產(chǎn)生物膜等。要想在市場(chǎng)上占有一席之地，就要從傳感器質(zhì)量以及價(jià)格上著手。如果傳感器的成本低，操作簡(jiǎn)單，易于控制，監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)便，那么它在市場(chǎng)上一定是具有較大優(yōu)勢(shì)的。傳感器以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，必將在大氣監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮出重大作用，在分析大氣環(huán)境方面得到廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。

5.結(jié)論

在進(jìn)行大氣監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，利用傳感器作為研究與分析手段不但操作簡(jiǎn)單而且準(zhǔn)確性高，最重要的是相比于傳統(tǒng)的分析方法，該方法具有靈敏度高的特點(diǎn)，可以對(duì)空氣中微量的氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這就為大氣環(huán)境的綜合評(píng)估提供很大的數(shù)據(jù)支撐。但是任何東西都有不足之處，在使用傳感器的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)傳感器的運(yùn)行可靠性較差而且一般的傳感器使用年限很短，長(zhǎng)時(shí)間的使用就會(huì)使氣體的抗干擾能力減弱，這些問(wèn)題都需要研究者不斷的進(jìn)行修繕，只有這樣才可以充分發(fā)揮傳感器在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的作用。