传感器在水质检测中的应用综述*

毛小英，王 欢，刘忠富

(大连民族大学信息与通信工程学院,辽宁 大连116600)

0 引言

随着现代工业的不断发展进步,和我们日常生活中对于用水的需求量不断增加,水污染问题变得严重。由于水与我们日常生活和生产活动是离不开的,生活用水的优劣质量决定了我们的身体健康,水环境的保护更是与我们人类的生存息息相关,所以水的质量也就越来越受人们的重视。水质检测传感器要检测的水质参数是pH值、溶解氧、浊度、电导率、微生物。因此传感器在水质检测方面的应用研究有着很重要的现实意义,本文就传感器在水质检测方面的应用做了简要的综述[1]。

1 水质检测中传感器的功能及基本原理

通常在水质检测系统中会运用到很多传感器对水质参数检测和采集,其中有基于光电力的物理类水质检测传感器,测量水溶液的浊度和电导率;基于一些化学反应的化学类水质检测传感器,测量水溶液PH值和溶解氧含量;基于微生物、酶类的生物类水质检测传感器[2],然后根据要测量的参数选择传感器检测。基本原理和功能是检测的信号,通过信号调理电路进行信号反馈,再对反馈的信息进行去噪、放大和可视化处理,完成水质参数的检测,最后通过检测的实际数据和标准的指标比对来判断水质是否合格。传感器是水质检测系统中十分重要的组成部分,它是监测并保护水环境的重要装置。下面将分别对化学、物理和生物水质检测传感器进行综合阐述。

图1 原理框图

1.1 化学类水质检测传感器

1.1.1 pH传感器

pH值是用来描述水溶液中氢离子的浓度。pH传感器是用来衡量水溶液酸碱程度的,主要工作原理是由测量电极和玻璃电极两部分组成的原电池系统,它们所组成的原电池要在玻璃膜和被测量的水溶液中氢离子进行离子交换,从而检测溶液中的氢离子浓度,然后通过电极之间的电位差体现,进而得到被测量溶液pH值[3]。

图2 pH传感器原理框图

它的特点是寿命长,而且在有毒离子水溶液中功能实现良好,抗化学腐蚀能力强,但它也存在测量反映时间较长的缺点。它适用于水质检测、城市污水的处理监测、温室大棚pH值监测、农业灌溉、印染造纸等领域。

1.1.2 溶解氧传感器

溶解氧指的是在空气中分子态氧气溶解在水中的浓度,水体环境恶化会导致水体中繁殖很多恶化水体环境的厌氧微生物,所以溶解氧的实时监测方便人们及时做出治理方案。溶解氧传感器的基本原理是电化学法,要施加极化电压在两极板之间,使溶解氧透过高分子膜之后,在阴极发生还原反应,产生与试样溶液中氧浓度成正比的电流。只要测得电流值大小,便可得到待测试样中溶解氧的浓度[4]。

它的优点是可以检测出溶解氧含量,制作过程简单、适用范围广和响应时间短。其主要应用于河流、海洋中氧含量的测量,日常饮用水中氧含量的测量,鱼塘中生态生长条件氧含量的测量及调节。

1.2 物理类水质检测传感器

1.2.1 浊度传感器

浊度检测属于光学现象,由水中的悬浮颗粒通过漫反射入射光引起,可以具体地反映出水体的卫生指标和洁净程度。基本原理是由浊度与散射光之间符合多段线性关系,故浊度传感器所采用的信号源一般是90°方向散射光。此外,它需要进行多点标定,温度和光源强度的变化都会对测量结果准确性产生一定影响,故我们需要进行多次实验探究和理论分析进行推算,从而验证透射光与散射光的比值是否和浊度之间存在线性关系。

它的优点是可靠性和准确性好,维护便捷。主要应用于洗衣机等产品水污浊程度的测量,通过测量水的污浊程度来判断所洗物品洁净程度,从而确定最佳的洗涤时间。

图3 浊度传感器原理框图

1.2.2 电导率水质检测传感器

电导率是水体导电能力的体现,可以分为电极型和电感型两类电导率传感器,后者测量范围虽大,但在一些低浓度测量过程中精度较低而不利于采用;前者具有体积小测量准集成方便的优点。工作原理是电导率的电极是由两个相互平行的电极板组成,测量过程中,在极板之间加直流电压,测量极板之间的电流,方可计算出溶液电导率[5]。

它的优点是不易被污染,耐高温高压,精确度高,耐腐蚀性强。具体应用在实验室、工业生产和探测领域,用来测量饮用水或污水等各种溶液的电导性[6]。随着电导率测量技术不断发展,它已经逐渐发展成多电极、微电极的,可以看出,多电极和微电极微型化结构已经成为它发展的主要方向,未来还可能实现电导率传感器与单片机、微型系统等技术的结合,实现电导率自动化精密测量。

1.3 生物类水质检测传感器

1.3.1 酶传感器

酶是一种生物类催化剂,它在特定的环境下会发生特殊反应,靠自身键连到特定的基质上。目前,在国内外发展研究和应用中,酶传感器是出现较多的一类生物传感器,它的工作原理涉及到还原或氧化反应,而这些还原与氧化反应可以使用电化学方法来测定,通过测量的电流信号与被测物活度或浓度的关系,来测定酶活性[7]。

它的优点是它具备比较高的选择性,因为它具有专属的反应性,能够直接在水体情况复杂要检测试样的过程中进行选择测定[8];它还可以实时检测水体中有机磷化物和磷农药的含量,故它在水质检测方面是一个比较具有认可度的重要参考依据;它的优点还有操作简单且灵敏度高。其缺点为稳定性较低。它在食品检验、生物工程技术生产农药产品质量检测、生物技术中生物大分子之间相互作用的监测以及生物战剂侦检等领域发挥巨大作用。

1.3.2 BOD微生物传感器

BOD就是指生化需氧量,是水质检测中最常用、最重要的参考指标之一。工作原理是将微生物菌体固定在膜当中,与二氧化碳电极和氧电极一起构成了传感器,相当于转换器将膜内发生的变化转换成了电信号。它主要是用来测定水体中微生物数量和类别,其次就是用来测定水体中化学物质是否有混浊试样。BOD的测量方法主要采用的是标准稀释测定法,将样品放在(20±1)℃的条件下培养,测量出培养前后的溶解氧差值即可[9]。

图4 BOD微生物传感器原理框图

它的优点是精确度高,专一性强,操作简便,价格便宜以及在复杂体系中可进行快速在线连线监测。它的缺点是测量时间过长。它可以进行水质实时在线监测和提高水质污染的监测水平和废水处理过程的控制水平。它的出现为水质监测的连续化和自动化提供了可能,相信在未来,微生物传感器能够在地表水、生活污水以及部分工业废水的检测等更多的领域,发挥出更强大的作用。

2 结论

目前,水环境质量的状况监测已经离不开各个功能的传感器,虽然水质检测传感器已经发展了很多年,在水质检测领域已经起到不可或缺的作用,但仍存在部分成本较高、测量结果不准确、灵敏度有限等情况,还是有着很大的发展空间的,所以现在对水质检测传感器的研究、发展方向和侧重点应该放在降低成本、快速检测、提高灵敏度、可靠性和智能化等方面,并期望达到与其他技术联用的目的。可见在水质检测方面,传感器仍具有很重大的研究意义和发展前景,相信在未来,传感器领域和水质检测行业会做出新的创新研究,越来越好。