微波技術(shù)在水污染監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

朱小會(huì)　齊仁龍

摘要：文章應(yīng)用微波監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)水污染的樣品進(jìn)行檢測(cè)，利用各種金屬離子對(duì)電磁波具有不同的吸收衰減的特性，并通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)建立數(shù)據(jù)表和得出相關(guān)結(jié)論，以此可以判斷出水污染的種類(lèi)。

關(guān)鍵詞：水污染；微波監(jiān)測(cè)；敏感頻率

水是生命之源，是人類(lèi)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)。目前，水污染已經(jīng)嚴(yán)重影響了人們的生活質(zhì)量和水平，成為一個(gè)急需解決的熱點(diǎn)問(wèn)題。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人們已經(jīng)清楚地認(rèn)識(shí)到了水污染給生態(tài)環(huán)境及人體健康帶來(lái)的危害。污染水的物質(zhì)主要包括氰化物、硫化物、各類(lèi)酸堿性化合物以及多種重金屬物質(zhì)（主要包括汞、鉛等），除此之外還有一些微生物、懸浮物等。

本文利用微波檢測(cè)技術(shù)對(duì)水污染進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明，通過(guò)此方法可以判斷出水中污染物的種類(lèi)，為水污染的檢測(cè)提供了一個(gè)新的方法和手段，對(duì)環(huán)境保護(hù)和人體的健康起到一定的作用。

1 微波檢測(cè)理論

微波技術(shù)是近代科學(xué)的重大成就之一，微波是指波長(zhǎng)在1mm至100cm之間的電磁波，頻率高達(dá)300MHz到300GHz，故又稱(chēng)之為超高頻波。目前，微波檢測(cè)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、衛(wèi)生、軍事、通信、環(huán)境保護(hù)等各個(gè)領(lǐng)域，微波檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)為微波與物質(zhì)之間相互作用所表現(xiàn)出的不同特性，文章所使用的微波檢測(cè)技術(shù)是以微波與損耗媒質(zhì)相互作用為研究基礎(chǔ)。所謂的損耗媒質(zhì)是指，當(dāng)電磁波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，造成電磁波能量衰減的媒質(zhì)。

電磁波在待檢測(cè)水樣中傳播時(shí)，同污染物產(chǎn)生極化和磁化反應(yīng)，導(dǎo)致電磁波在傳輸?shù)倪^(guò)程中產(chǎn)生極化和磁化衰減。描述各種污染物（損耗媒質(zhì)）的主要參數(shù)有電導(dǎo)率o、磁導(dǎo)率μ和相對(duì)介電常數(shù)ε。由大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)可知，絕大多數(shù)物質(zhì)（磁性體除外）的磁導(dǎo)率μ都近似等于真空中的磁導(dǎo)率μ₀。介質(zhì)在微波場(chǎng)中的極化，表現(xiàn)為電場(chǎng)電流密度的損耗，介質(zhì)的復(fù)介電常數(shù)ε_c以來(lái)表示，即：（1）

其中的實(shí)數(shù)部分為污染物的介電常數(shù)ε，它反映了該污染物的極化特性；虛數(shù)部分σ/ω表示媒質(zhì)的導(dǎo)電情況，σ≠0說(shuō)明媒質(zhì)是有耗媒質(zhì)。污染物質(zhì)可以吸收部分的微波信號(hào)，可用污染物質(zhì)的介質(zhì)損耗角的正切值t gδ來(lái)描述吸收程度，t gδ越大，介質(zhì)吸收微波的能力越強(qiáng)。（2）

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)可知，物質(zhì)吸收微波能的有效程度與波形的頻率有關(guān)，微波頻率不同，對(duì)物質(zhì)的影響程度和吸收程度有所不同。每一種污染物質(zhì)都能找到一個(gè)影響較大的一個(gè)頻率，即特性頻率或敏感頻率，在該頻率下，微波的損耗最大，物質(zhì)吸收微波能最有效。一般來(lái)說(shuō)，水中污染物的電導(dǎo)率σ≠0，對(duì)電磁波的能量有吸收作用；某種頻率的電磁波還可能激發(fā)污染分子中的電子躍遷。因此電磁波在污染的水中進(jìn)行傳播時(shí)，其場(chǎng)強(qiáng)的振幅將隨著傳播距離d的增加按指數(shù)規(guī)律衰減。電磁波能量的一部分被吸收。電導(dǎo)率σ越大，電磁波頻率越高，場(chǎng)強(qiáng)衰減越快。

根據(jù)參加極化的微觀粒子種類(lèi)，電介質(zhì)分子極化可分為電子極化、原子極化、偶極子轉(zhuǎn)向極化和界面極化，其中前兩種極化的弛豫時(shí)間在10^-15～10^-16S和10^-12～10^-13s，而微波交變電場(chǎng)振動(dòng)一周的時(shí)間約為10^-9～10^-12s。因此微波場(chǎng)不會(huì)引起電子極化和原子極化。而偶極子轉(zhuǎn)向極化和界面極化的時(shí)間和微波的頻率剛好吻合。各種污染物對(duì)電磁波具有吸收作用，主要是因?yàn)榻橘|(zhì)在微波中發(fā)生取向極化和界面極化，剛好吻合了微波頻率的結(jié)果。

2 水污染微波檢測(cè)系統(tǒng)

為了對(duì)水污染樣品進(jìn)行檢測(cè)，文章設(shè)計(jì)一基于微波的水污染檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由信號(hào)源、功率放大器、小信號(hào)放大器、檢波器、發(fā)射天線(xiàn)、接收天線(xiàn)6個(gè)部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如1所示。

該檢測(cè)系統(tǒng)的發(fā)送和接收天線(xiàn)均采用的是自補(bǔ)型阿基米德平面螺旋天線(xiàn)，該類(lèi)型天線(xiàn)的工作效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通阿基米德平面螺旋天線(xiàn)，天線(xiàn)的頻帶的寬度達(dá)到10個(gè)倍頻程或以上，完全可以滿(mǎn)足微波檢測(cè)系統(tǒng)的要求。且天線(xiàn)具有收發(fā)互易性，發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)兩者可以互換。

輸入的微波信號(hào)經(jīng)由功率放大器放大至足夠高的功率電平，以滿(mǎn)足發(fā)射天線(xiàn)或負(fù)載單元的要求。功率放大器的一個(gè)重要特點(diǎn)就是工作在大信號(hào)的非線(xiàn)性狀態(tài)。功率放大器的主要指標(biāo)有：頻率范圍為200-2000MHz；增益為30+1dB，駐波比≤2：1。

在水污染中，重金屬污染主要有銅、鉛、鋅、硒、汞、鎘等幾種金屬離子。文章主要針對(duì)水中的重金屬物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)前期大量的實(shí)驗(yàn)可知，該微波檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)金屬離子的吸收較為明顯，本實(shí)驗(yàn)選取了鉛、銅、鋅3種離子進(jìn)行討論分析，分別選用的化合物類(lèi)型為硝酸鉛、五水硫酸銅和七水硫酸鋅。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)初期，為了找出重金屬物質(zhì)的吸收峰，以?huà)哳l的方式在200-2000MHz頻率范圍內(nèi)測(cè)量了五水硫酸銅、七水硫酸鋅等物質(zhì)，找出了吸收峰的大概頻段在200～600MHz之間，然后將頻段設(shè)置在200～600MHz之間進(jìn)行仔細(xì)觀察和實(shí)驗(yàn)，最終，大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了微波檢測(cè)水污染方法的司行性。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，主要利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析。網(wǎng)絡(luò)分析儀上可以設(shè)置6個(gè)不同的MARKER點(diǎn)，通過(guò)這些點(diǎn)的設(shè)置，讀出各個(gè)金屬離子的敏感頻率。經(jīng)過(guò)多次測(cè)量，實(shí)驗(yàn)選取了10組相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)，不同濃度的金屬離子的敏感頻率如表1所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在250～350MHz的頻率范圍出現(xiàn)了明顯的峰值，污染物的種類(lèi)不同，出現(xiàn)峰值的位置也不盡相同。

根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，各種金屬離子的敏感頻率隨著金屬離子濃度的變化而變化，但是變化幅度不大。鉛離子的敏感頻率在346～347MHz之間，五水硫酸銅的頻率變化范圍在276～280MHz之間。七水硫酸鋅的變化范圍在305～307MHz之間。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)初期的實(shí)驗(yàn)研究，根據(jù)電磁波在媒質(zhì)中傳播時(shí)具有固定的諧振吸收頻率這一事實(shí)，且驗(yàn)證了微波檢測(cè)水污染這一方法的可行性。融合現(xiàn)有先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)，可以使得該檢測(cè)系統(tǒng)可視化和實(shí)時(shí)性，使之成為一個(gè)穩(wěn)定、可靠、高效的水污染監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。