环境监测中的传感器

传感器技术编辑整理

随着人类对环境质量的重视和关注, 在实际的环境检测过程中, 人们往往需要既可以方便携带, 又能够实现多种待测物持续动态监测的分析设备和仪器。 借助新型的传感器技术, 能够满足上述需求。 

传感器技术一般主要包括两部分: 能与待测物反应的部分以及信号转换器部分。 后者的作用是将与待测物反应后的变化转换成可被仪器识别的电学或光学信号。 

根据检测方法的不同, 传感器可分为光学传感器、 电化学传感器等；根据反应原理的不同, 传感器可分为酶生物传感器、免疫传感器、化学传感器; 根据检测对象不同, 传感器可以分为液体传感器和气体传感器。 

1、监测氮氧化物的传感器

氮氧化物是常见的大气污染物，过多的氮氧化物也是光化学烟雾的罪魁，严重影响着人们的身心健康，甚至危及公众的生命。氮氧化物的主要来源是化石矿物的燃烧，在光照的条件下形成严重危害环境的NO2。氮氧化物传感器原理就是利用氧电极生成一种特定的消耗亚硝酸盐的细菌，通过计算溶解氧浓度的变化来计算出氮氧化物的含量。

因为生成的细菌是以硝酸盐作为能源，而且只是以这种硝酸盐作为能源，因此，在实际的应用过程中具有唯一性不会因为其他物质的干扰而受到影响。国外一些研究学者利用膜的原理进行了更加深入的研究，从而间接的测出了空气中含量非常低的NO2的浓度。

2、硫酸盐传感器应用

在进行大气监测的过程中除了氮化物，硫化物同样是严重影响人们生产生活的污染物。在氮氧化物中SO2，是酸雨以及酸雾形成的主要原因，而且传统的方法虽然可以测出SO2的含量，但是方法复杂而且不够准确。

最近研究学者发现特定传感器能够将亚硫酸盐进行氧化，在进行氧化的过程中会消耗一部分的氧气，这就会使电极溶解氧下降从而生成电流效应。利用传感器可以有效的得到亚硫酸盐的含量值，不但速度快而且可靠度高。

3、二氧化碳传感器的应用

二氧化碳是形成温室效应的主要物质，在进行监测二氧化碳的过程中采用传统的方法会有不同离子以及挥发性酸的干扰，这样就会严重影响监测到的二氧化碳值。经过几年的科学发展，鲁中明等人研究出了一种利用指示剂的方法来进行监测二氧化碳的指示剂，这样的指示剂能够将190ppm以下的二氧化碳浓度精确的测量出，而且此类传感器的体积小而且耗能低。这种传感器的应用解决了在工程中长期自动监测的问题，大大的提高了工作效率。

4、在其他类型气体中的应用

除了含量比较高的污染性其他外，一些常见的气体：甲醛、甲烷、氨等等同样是影响着人们的生活。但是由于这些气体的含量比较低，而且这些气体具有隐蔽性的特点，所以在实际的生活中往往不会受到人们的重视。祝艳涛等人通过对甲醛等气体的研究综合了一系列的研究现状，分析到现有的甲醛传感器存在的一系列问题，并且根据自己的实际研究预测了甲醛传感器的发展趋势；其他学者利用特定的细菌作为基质，可以实现对大气污染物进行不问断的监测。

1、特点分析。

电化学传感器受压力变化影响较小，但传感器内的压力差可能会损坏传感器，因此保持压力均衡是传感器正常工作的前提；电化学传感器对温度较为敏感，温度高于25℃时，读数较高，而低于25℃时，读数较低。电化学传感器对待测样品选择性较强，传感器类型、待测样品浓度和目标气体都会影响选择程度，选择性高、可靠性好的检测氧气的传感器，其他类型的则容易受到干扰。

2、测定原理。

电化学传感器是利用与待测气体发生反应，然后根据电信号与气体浓度的比值关系测定气体含量。典型的电化学传感器主要元件包括透气膜、电极、电解质和过滤器。

3、电化学传感器的应用。

较为常见的有湿度传感器、氧化氮传感器、硫化物气体传感器等。传统测定空气湿度的仪器为湿球式温度计、手摇式温度计以及通风式温度计等，电化学传感器测定湿度则更加灵敏。涂覆压电石英晶体用传感器是较为常用的湿度测定仪器，该仪器通过光合化学技术制成小型石英夺电晶体，然后将4种湿度敏感性较高的物质涂在石英晶体上；晶体是振荡电路中的共振器，其振动频率随质量的变化而改变，选择不同的涂层，即可测定不同气体的相对湿度。

二氧化硫是酸雨形成的主要原因，也是造成空气污染的主要原因之一。因此，利用传感器检测二氧化硫，可降低检测时间，提高检测精度。检测时，离子交换膜为固体聚合物，膜的一边含对电极和参比电极的内部电解液，另一边插入铂电极，组成二氧化硫传感器。

1、特点分析。

随着生物技术和电子技术的不断发展，生物传感技术也逐渐兴起并得到了广泛应用。生物传感器具有集成化、微型化和高度自动化特点，能快速有效地对待测样品进行检测，因此已经在生物制药、环境检测、食品工业等领域得到广泛应用。

2、检测原理。

生物传感器是由分子识别单元和转换器两个部分组成，利用生物分子识别待测样品，然后通过信号系统将生物分子所发生的物理或者化学变化转化为相应的电信号，再利用分析系统对检测结果进行分析展示。

3、生物传感器的应用。

根据国外相关报道，生物传感器相对于传统的电化学传感器来说具有一定优势，以有机磷和氨基甲酸酯农药的检测为例，传统检测方法最小检出量为400ng/kg，而利用固化了醛脱氢酶的酶传感器可大大提高检测精度，检出量最小值为9ng/kg。

将荧光细胞与中国大颊鼠的卵细胞重组的细胞序列可用于检测环境中的有毒物质，另外，科技的不断发展，也推动了生物传感器的改进，基于PCR技术和芯片技术的生物传感芯片、各种生化分析仪器不断被研发，方便携带、分析准确快速已经变为现实，生物传感技术在环境检测中的应用将越加广泛。

1、特点分析。

光纤传感是基于光纤盒光纤通信技术发展起来的一门传感技术，可用于大气、水质、生态保护中的检测。该技术具有体积小、灵敏度高、抗干扰能力强、耐腐蚀等优点，因此可在有毒、有害、易燃、易爆环境中应用。光纤传感器具有实时在线、分布式遥测使用的优点，可满足当前环保市场对环境指标快速、高效检测的需求。

2、检测原理。

光纤传感器是利用待检污染物与光相互作用，使光纤中光信号发生变化（或污染物与其他物质作用，间接改变光纤信号特性），然后通过光信号检测系统实现对其检测，从而得到污染物的相关信息值。光纤传感器一般由光源、光纤引线、敏感元件和信号检测分析设备几部分组成。

3、光纤传感器应用。

光纤pH传感器可检测水体pH值，其检测原理是根据特定染色材料的pH值固定比色指示剂原理，将染色材料制成透光或反光薄膜，用光谱分析法即可测定水中的pH值。光纤离子传感器将流动注射分析法、激光激发荧光谱技术、光纤传导技术以及CCD摄影技术等相结合，可对铜离子、锌离子、镉离子和镍离子进行快速检测。光学浊度传感器是利用激光在待测水样中反射光强度与入射光强度的变化情况而测定水样透明度下降状况。我国在光纤传感方面的研究相对较晚，不过数十年的发展，已经在这一领域取得了较为显著的成果。如中科院山东分院研发的光纤瓦斯气体传感器及其在线检测系统，可利用红外吸收光谱法和光线技术对甲烷等易燃易爆气体进行准确检测。