傳感器在水質檢測中的應用綜述*

毛小英，王 歡，劉忠富

(大連民族大學信息與通信工程學院,遼寧 大連116600)

0 引言

隨著現代工業(yè)的不斷發(fā)展進步,和我們日常生活中對于用水的需求量不斷增加,水污染問題變得嚴重。由于水與我們日常生活和生產活動是離不開的,生活用水的優(yōu)劣質量決定了我們的身體健康,水環(huán)境的保護更是與我們人類的生存息息相關,所以水的質量也就越來越受人們的重視。水質檢測傳感器要檢測的水質參數是pH值、溶解氧、濁度、電導率、微生物。因此傳感器在水質檢測方面的應用研究有著很重要的現實意義,本文就傳感器在水質檢測方面的應用做了簡要的綜述[1]。

1 水質檢測中傳感器的功能及基本原理

通常在水質檢測系統(tǒng)中會運用到很多傳感器對水質參數檢測和采集,其中有基于光電力的物理類水質檢測傳感器,測量水溶液的濁度和電導率;基于一些化學反應的化學類水質檢測傳感器,測量水溶液PH值和溶解氧含量;基于微生物、酶類的生物類水質檢測傳感器[2],然后根據要測量的參數選擇傳感器檢測?；驹砗凸δ苁菣z測的信號,通過信號調理電路進行信號反饋,再對反饋的信息進行去噪、放大和可視化處理,完成水質參數的檢測,最后通過檢測的實際數據和標準的指標比對來判斷水質是否合格。傳感器是水質檢測系統(tǒng)中十分重要的組成部分,它是監(jiān)測并保護水環(huán)境的重要裝置。下面將分別對化學、物理和生物水質檢測傳感器進行綜合闡述。

圖1 原理框圖

1.1 化學類水質檢測傳感器

1.1.1 pH傳感器

pH值是用來描述水溶液中氫離子的濃度。pH傳感器是用來衡量水溶液酸堿程度的,主要工作原理是由測量電極和玻璃電極兩部分組成的原電池系統(tǒng),它們所組成的原電池要在玻璃膜和被測量的水溶液中氫離子進行離子交換,從而檢測溶液中的氫離子濃度,然后通過電極之間的電位差體現,進而得到被測量溶液pH值[3]。

圖2 pH傳感器原理框圖

它的特點是壽命長,而且在有毒離子水溶液中功能實現良好,抗化學腐蝕能力強,但它也存在測量反映時間較長的缺點。它適用于水質檢測、城市污水的處理監(jiān)測、溫室大棚pH值監(jiān)測、農業(yè)灌溉、印染造紙等領域。

1.1.2 溶解氧傳感器

溶解氧指的是在空氣中分子態(tài)氧氣溶解在水中的濃度,水體環(huán)境惡化會導致水體中繁殖很多惡化水體環(huán)境的厭氧微生物,所以溶解氧的實時監(jiān)測方便人們及時做出治理方案。溶解氧傳感器的基本原理是電化學法,要施加極化電壓在兩極板之間,使溶解氧透過高分子膜之后,在陰極發(fā)生還原反應,產生與試樣溶液中氧濃度成正比的電流。只要測得電流值大小,便可得到待測試樣中溶解氧的濃度[4]。

它的優(yōu)點是可以檢測出溶解氧含量,制作過程簡單、適用范圍廣和響應時間短。其主要應用于河流、海洋中氧含量的測量,日常飲用水中氧含量的測量,魚塘中生態(tài)生長條件氧含量的測量及調節(jié)。

1.2 物理類水質檢測傳感器

1.2.1 濁度傳感器

濁度檢測屬于光學現象,由水中的懸浮顆粒通過漫反射入射光引起,可以具體地反映出水體的衛(wèi)生指標和潔凈程度?；驹硎怯蓾岫扰c散射光之間符合多段線性關系,故濁度傳感器所采用的信號源一般是90°方向散射光。此外,它需要進行多點標定,溫度和光源強度的變化都會對測量結果準確性產生一定影響,故我們需要進行多次實驗探究和理論分析進行推算,從而驗證透射光與散射光的比值是否和濁度之間存在線性關系。

它的優(yōu)點是可靠性和準確性好,維護便捷。主要應用于洗衣機等產品水污濁程度的測量,通過測量水的污濁程度來判斷所洗物品潔凈程度,從而確定最佳的洗滌時間。

圖3 濁度傳感器原理框圖

1.2.2 電導率水質檢測傳感器

電導率是水體導電能力的體現,可以分為電極型和電感型兩類電導率傳感器,后者測量范圍雖大,但在一些低濃度測量過程中精度較低而不利于采用;前者具有體積小測量準集成方便的優(yōu)點。工作原理是電導率的電極是由兩個相互平行的電極板組成,測量過程中,在極板之間加直流電壓,測量極板之間的電流,方可計算出溶液電導率[5]。

它的優(yōu)點是不易被污染,耐高溫高壓,精確度高,耐腐蝕性強。具體應用在實驗室、工業(yè)生產和探測領域,用來測量飲用水或污水等各種溶液的電導性[6]。隨著電導率測量技術不斷發(fā)展,它已經逐漸發(fā)展成多電極、微電極的,可以看出,多電極和微電極微型化結構已經成為它發(fā)展的主要方向,未來還可能實現電導率傳感器與單片機、微型系統(tǒng)等技術的結合,實現電導率自動化精密測量。

1.3 生物類水質檢測傳感器

1.3.1 酶傳感器

酶是一種生物類催化劑,它在特定的環(huán)境下會發(fā)生特殊反應,靠自身鍵連到特定的基質上。目前,在國內外發(fā)展研究和應用中,酶傳感器是出現較多的一類生物傳感器,它的工作原理涉及到還原或氧化反應,而這些還原與氧化反應可以使用電化學方法來測定,通過測量的電流信號與被測物活度或濃度的關系,來測定酶活性[7]。

它的優(yōu)點是它具備比較高的選擇性,因為它具有專屬的反應性,能夠直接在水體情況復雜要檢測試樣的過程中進行選擇測定[8];它還可以實時檢測水體中有機磷化物和磷農藥的含量,故它在水質檢測方面是一個比較具有認可度的重要參考依據;它的優(yōu)點還有操作簡單且靈敏度高。其缺點為穩(wěn)定性較低。它在食品檢驗、生物工程技術生產農藥產品質量檢測、生物技術中生物大分子之間相互作用的監(jiān)測以及生物戰(zhàn)劑偵檢等領域發(fā)揮巨大作用。

1.3.2 BOD微生物傳感器

BOD就是指生化需氧量,是水質檢測中最常用、最重要的參考指標之一。工作原理是將微生物菌體固定在膜當中,與二氧化碳電極和氧電極一起構成了傳感器,相當于轉換器將膜內發(fā)生的變化轉換成了電信號。它主要是用來測定水體中微生物數量和類別,其次就是用來測定水體中化學物質是否有混濁試樣。BOD的測量方法主要采用的是標準稀釋測定法,將樣品放在(20±1)℃的條件下培養(yǎng),測量出培養(yǎng)前后的溶解氧差值即可[9]。

圖4 BOD微生物傳感器原理框圖

它的優(yōu)點是精確度高,專一性強,操作簡便,價格便宜以及在復雜體系中可進行快速在線連線監(jiān)測。它的缺點是測量時間過長。它可以進行水質實時在線監(jiān)測和提高水質污染的監(jiān)測水平和廢水處理過程的控制水平。它的出現為水質監(jiān)測的連續(xù)化和自動化提供了可能,相信在未來,微生物傳感器能夠在地表水、生活污水以及部分工業(yè)廢水的檢測等更多的領域,發(fā)揮出更強大的作用。

2 結論

目前,水環(huán)境質量的狀況監(jiān)測已經離不開各個功能的傳感器,雖然水質檢測傳感器已經發(fā)展了很多年,在水質檢測領域已經起到不可或缺的作用,但仍存在部分成本較高、測量結果不準確、靈敏度有限等情況,還是有著很大的發(fā)展空間的,所以現在對水質檢測傳感器的研究、發(fā)展方向和側重點應該放在降低成本、快速檢測、提高靈敏度、可靠性和智能化等方面,并期望達到與其他技術聯用的目的。可見在水質檢測方面,傳感器仍具有很重大的研究意義和發(fā)展前景,相信在未來,傳感器領域和水質檢測行業(yè)會做出新的創(chuàng)新研究,越來越好。