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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 500 多种挥发性有机物,其中致癌物质就有 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 35.7%的呼吸道疾病,22%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。 2.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。 4.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、 10-30m 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,对大多数碳氢化合物都有反应。但结构复杂,成本高。 6.PID 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。PID 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 2004 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;2007 年仪器仪表 行业总产值达 3078 亿元,增长率高达 28.5%;据仪器仪表行业协会统计,08 年上半年仪器仪表 行业总产值实现 1755.9 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 TGS2600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VH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VC被加载以便于测量与气敏元件串联的负载电阻电压Vout。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VH和VC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RS与RL相等时最大。TGS2600传感器基本测量电路半导体空气传感器TGS2600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 ( green fluorescent pro2 tein) ,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 、 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 S 、和 S , 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、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p 分子通过微生物膜扩散进入氧电极的速率也一定 。将含有 S2的溶液加入缓冲溶液, S2 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 Ishimori 等还研究了其自动装置 , 从而使这种生物传 感器的重复检测能力和敏感性大大增强 , 已能用于实 际地下水的监测及工业废水处理过程中的实时监测 。 对生化需氧量及氨氮的测定 生化需氧量 (BOD) 是反映水体被有机物污染程度 的综合指标 ,也是研究废水的可生化降解性和生化处 理效果 ,以及生化处理废水工艺设计和动力学研究中 的重要参数 。目前普遍采用的 BOD 测定方法是标准 稀释法 ,这种方法操作复杂 , 重现性差 , 且不宜现场监 测 。采用 BOD 生物传感器。可在 10 15min 检 测出 BOD 的含量 , 可对水质状况实行在线监测 , 具有 广阔的应用前景 。BOD 生物传感器的基本原理是 : 将 生物传感器置于不含 BOD 物质的缓冲溶液中 ,由于溶 液保持恒温并被氧饱和 ,传感器输出一稳态电流 ; 当加 入样品时 ,有机物向生物传感器的生物膜中扩散 ,因微 生物对有机物质有代谢作用而耗氧 , 从而导致传感器 输出电流降低 ; 在适宜的 BOD 物质浓度范围内 , 电流 降低值与样品溶液的 BOD 浓度呈线性关系 , 而 BOD 物质浓度又和 BOD 值之间有定量关系 ,从而可测定样 品的 BOD 值 。 氨氮是水体环境监测中经常要检测的一个指标， Massone 等。利用硝化细菌作基质和氧电极组成的 生物传感器对医院及食品工业的废水处理厂的污水进 行氨氮的检测 ,硝化菌以氨作为唯一能源消耗氧 ,通过 检测附着在氧电极上的固定化微生物的呼吸量可测定 氨氮浓度 。 对酚类污染物的检测 酚类属高毒物质 , 主要通过工业废水进入天然水 体 。酚类污染物涉及的领域非常广泛 , 是环境监测中 十分重要的指标 。测酚生物传感器有二种 : 一种 是采用氧电极为基底电极 ,测量溶液中氧浓度的变化 , 从而间接测得酚的浓度 ; 另一种是利用醌在电极上直 接或间接还原 ,进而通过电流大小测得酚的浓度 。利 用生物传感器测酚 , 能减少或消除硫化物 、 油类 、 芳香 胺类等干扰因素 , 从而可检测复杂的样品 , 准确度高 , 这是目前普遍采用的 4 - 氨基安替比林分光光度法所 不具有的优势 。 对有气味的化合物的检测 采用传统的分析技术对环境样品中气味的量化检 测是很困难的 。Lin Cheng2Fang 等研究了一种传 随着经济的发展和城市化进程的加快 , 生活污水 和工业废水排放量不断增加 , 绝大部分污水未经过任 何处理直接排入水体 ,致使许多水域被污染 ,引起水质 恶化 ,使水资源显得更加紧张 ,亦使保护水资源显得更 加重要 。目前 ,对许多污水处理工厂来说 ,废水水质的 实时在线监测仍然是一个难题 , 这是因为水环境中的 污染物种类繁多 , 成分复杂 , 且其含量往往是痕量的 , 要求建立可行的提取 、 分离 、 富集和痕量分析方法 , 所 有这些都使得实时在线监测显得困难。 生物传感器的发展 , 使得废水生物处理过程可实 行有效的在线监测 , 并能实现自动监控 。Ishimori 等人开发了一种高级环境监测系统 ,其中就运用了生 物传感器来对废水中的环境污染物进行监测 。他们对 一个半导体工厂区的地下水质进行了监测试验 , 采用 了一种对污染物很敏感的细胞膜生物传感器 。由于细 胞膜的脂双层结构含有疏水区 , 它对被运输物质具有 高度的选择通透性 , 这使得细胞能主动地从环境中摄取所需要的物质 ,并产生一定的生理效应 ,通过信号转换器可进行测定 。为提高这种生物传感器的应用性 , 传感器系统来检测一些有气味的化合物 。该传感器系统 由单种生物传感器或系列生物传感器组成 。生物传感 器由不同的人工合成的类蛋白质涂抹在压电型电极上构成 ,通过检测引起共鸣的频率变化 ,可以对气味进行量化测定 。被检测的污染物既有挥发性化合物 , 如氨生物传感器应用于环境监测的新进展等 。水、 巯基乙醇 、 乙酸和氯苯 ,也有气态化合物 ,如氨气和甲基胺 。实验结果表明 , 化合物的浓度与生物传感器的响应电流成一线性关系 。生物传感器能检测很低浓度范围的化合物且响应迅速 。但是 , 该生物传感器系统不能完全可逆 ,其响应电流不能回到原始值 ,这是因为类蛋白质不能完全对被测物质解吸咐 。该系统在可靠性 、 稳定性 、 持久性等方面都有待于进一步研究 , 但不论怎样 ,都为检测有气味的化合物提供了一个独特的方法 。 对大气和废气的监测清洁的空气是人类和生物赖以生存的环境要素之一 。生物传感器在大气和废气监测中也有广泛的应用 。 Knopf等研究了一种新型生物传感器对化工厂排放到空气中的有毒污染物进行遥感监测 。该传感器采用能发光的弧菌属细菌作为生物基质 , 当空气中有毒污染物存在时 , 发光细菌的发光能力受到影响而减弱 ,其减弱程度与有毒物质的毒性大小和浓度成一定的比例 。发光细菌固定在聚乙烯醇凝胶体中 , 并与一信号转换器组合 , 该转换器可以将光信号转换为无线电频率 ,被遥感接收器接收 ,从而可以测定待测物的毒性和浓度 。 Gil 等则采用埃希氏菌属作为基质 , 用琼脂固定并与传导器组成生物传感器 , 对工厂附近的污染大气进行连续监测 ,能检测出空气中苯 、 甲苯等有毒物质的浓度变化 。此外 , 检测 NO2 的生物传感器和 SO2 的生物传感器也均有研究报道 。 世界范围的环境危机正使人类面临空前严峻的挑战 ,开展并加强环境保护工作已迫在眉睫 。环境监测是环境保护的基础 , 发展环境监测新技术十分重要 。 将生物传感器应用于环境监测 ,能减少分析时间 ,降低 成本 ,利于在线及应急监测且较易实现自动化 ,是现代环境监测技术的一个新的发展领域 。噪声污染的检测噪声传感器是一款宽声频范围、高声强动态范围、操作简便的声音传感器。该传感器体积小，重量轻，安装灵活，其声频测量范围覆盖了人耳所能听到的全部频率，测量的声强能量范围满足国家噪声管理标准中的全部要求。此外，该传感器输出为标准电压信号，便于与各类数据采集和测量控制系统组成精细的噪声测量系统，是环境监测、噪声定量分析、声源定位、噪声治理及声学研究的理想选择。传感器电路中的噪声问题在传感器电路中既可能产生内部噪声，也 可能有外界窜入的干扰噪声。 传感器电路中噪声的存在，将使得信息传 递质量下降。 噪声分类：热噪声 散粒噪声或肖特基噪声 闪烁噪声 POET 1.传感器噪声类型及特性热噪声： 1. 导体中由电荷的热运动而产生的噪声称热噪声。 2. 热噪声与频率无关，也称白噪声。 3. 只要元件具有一定的电阻值，并存在一定的温 度，就会产生一定大小的热噪声电压，而与元 件的制造方法无关。 4. 降低热噪声只能从降低元件工作温度入手，例 如采用散热、恒温等方法。 POET 散粒噪声或肖特基噪声 1. 电流是由载有电荷的载流子的定向运动形 成的。 2. 当高阻抗敏感元件与电路耦合时容易产生 散粒噪声。 3. 因此，设计高阻抗敏感元件接口电路时， 散粒噪声是突出问题。 POET 闪烁噪声 1. 当电流流过具有陷阱、晶格缺陷的元件电阻体 时，产生闪烁噪声。 2. 闪烁噪声与频率具有相关性。即其功率谱与频 率成反比，也称为1/f噪声 3. 闪烁噪声也与外加电压及电阻参数有关。 POET 2.放大电路中的降噪问题在晶体管中主要应考虑基区电阻的热噪声 基极电流的散粒噪声 基极射极间因基极电流和电位波动所形成 的闪烁噪声 集电极电流的散粒噪声等 POET 降噪电路 POET 低噪偏置电路设计 CB起滤噪作用，RB起降噪作用，可 使R1、R2产生的闪烁噪声忽略不计， 且电源波动影响减小。 当然RB热噪声仍然存在。 对运放偏置电路，仍可用此方法降 噪 POET 运放低噪偏置电路 POET 3.外部干扰噪声的抑制外部干扰主要通过静电感应和电磁感应耦合 传人电路之中。 电磁干扰的抑制减少电磁耦合的方法是减小闭合回路面积 或让磁场与导线垂直 或将导线绞扭在一起 印刷电路板避免环状布线 POET 4.信号处理中的降噪问题级联放大器的降噪技术 1. 当增益系数G较大时，级联放大器的噪 声系数主要由第一级放大器决定。 2. 因此，若第一级放大器G1(如变压器 耦合)，则第二级放大器(实际放大器)在 降噪中具有决定性重要地位。 3. 由此可知，级联放大器时，为降噪目的， 前级放大器增益安排具有重要地位。 POET 信号处理中的降噪问题（续）滤波器的降噪作用 如果事先知道信号频带或噪声频谱，可以 用滤波器改善信噪比。 相位检波降噪作用 若已知信号是按一定周期重复输出的，则 对输出信号按信号周期同步采样，可以改 善信噪比。因信号是周期性的，而噪声是随机的。声级计是噪声测量中最常用最简便的测试仪器。它体积小、重量轻，一般用干电池供电。它不仅可进行声级测量，而且还可和相应的仪器配套进行频谱分析，振动测量等。按用途声级计可分为一般声级计、脉冲声级计、积分声级计和噪声暴露计（又称噪声剂量计）等；按其精度可分为四种类型：0型声级计作为实验室用标准声级计，1型相当于精密声级计，2型作为一般用途声级计，3型作为普级型声级计；按其体积大小可分为台式声级计，便携式声级计和袖珍式声级计。国产的ND1型精密声级计、ND2型精密声级计和倍频程滤波器，ND6型脉冲精密声级计都是便携式1型声级计。这些仪器的性能均符合国际电工委员会（IEC）声级计标准规定的要求，也符合我国计量科学研究院声级计检定规程的要求（JJ188-78）。进口的2203型精密声级计均属此类，可用作测量稳态连续噪声，其2209型脉冲精密声级计与我国ND6型脉冲精密声级计，不仅能测量稳态噪声，而且能测量波形因素（峰值除以平均值）大于40的非稳态噪声，如枪、炮等脉冲噪声。NX6型活塞发生器能够产生1240.2分贝的恒定声音，可用来校准声级计。校准也可用进口的4240型的噪声发生器，产生108分贝的恒定声音。声级计工作原理：声级计主要由传声器、输入级、放大器、衰减器、计权网络，检波电路和电源等部分组成，其方框图如图所示。声信号通过传声器转换成交变的电压信号，经输入衰减器、输入放大器的适当处理进入计权网络，以模拟人耳对声音的响应，而后进入输出衰减器和输出放大器，最后通过均方根值检波器检波输出一直流信号驱动指示表头，由此显示出声级的分贝值。声级计的指示表头一般有“快”、“慢”两档，根据测试声压随时间波动的幅度大小来作相应选择。此外，为保证测试结果的精度和可靠性，声级计必需经常进行校准。输入级是一阻抗变换器，用来使高内阻抗的电容传声器与后级放大器匹配。要求输入级的输入电容小和输入电阻高。电容传声器把声音变成电压，此电压一般是很微弱的，不足使电表得到指示。为了测量微弱信号，需将信号进行放大。但当输入信号较大时，又需要对信号进行衰减，使电表指针得到适当的偏转。为了插入滤波器和计权网络，故衰减器和放大器分成两级，即输入衰减器