环境监测中的传感器技术

（一）环境监测

环境监测是一类典型的物联网应用。相对于传统的环境监测手段，传感器网络监测包括3个优点：一是传感器节点体积小，而且整个网络只需要布置一次，所以对所处环境的人为影响很小，这对非常敏感外来生物活动的环境尤其重要；二是传感器网络能够获取的数据很多，准确度也非常高；三是节点自身可以对信息进行计算和保存，能够根据环境的改变实施复杂的监测。节点具有无线通信能力，能协同监控。通过加大电池容量和提高使用效率，以及使用功耗低的无线通信模块和通信协议可延长网络生命周期。节点的计算能力和无线通信能力使其能够对环境变化和自身变化及网络变化及时做出反应，因而适用于多种环境监测系统。

环境监测系统主要由3部分组成：前端高精度环境监测传感器模块、无线通信网络和数据监测管理中心。

一般环境监测所需测量的参数包括物理参数和化学参数。因此，环境检测所用传感器分为物理环境监测传感器和化学环境监测传感器。

（二）物理环境监测传感器

物理环境指研究对象周围的设施、建筑物等物质系统。空气环境质量与人体健康和舒适程度密切相关，物理环境监测传感器主要是对包括环境噪声、温湿度、水位、土壤水分及电导率等物理量的监测。

1.环境噪声监测

噪声是一种声音，是指任何令人不愉快或不希望有的声音。声音由物体机械振动产生，振动体是声源，它可以是固体、气体或液体。声音通过介质（空气、固体或液体）传播，在传播过程中产生反射、衍射、折射和干涉。噪声在现实生活中已成为严重的公共卫生问题。

监测环境噪声是为了了解城市声环境质量，控制和减少噪声污染。环境噪声系统是一个复杂的噪声污染系统，包括许多环境信息，不仅有时间性和动态性，也有明显的空间分布特性。需要一种有效的环境噪声监测系统，它具有全天候、无人值守、系统自动校准等特点，可以固定或移动。环境噪声监测还必须符合国家环境监测技术规范。

环境噪声监测系统的前端噪声传感器在嵌入式计算机的操控下自主运行。环境噪声状态通过数据采集设备传输到数据预处理机，通过数据处理后传送给无线通信模块，并自动将数据传送给管理中心，形成噪声地图，以直观了解不同区域的噪声分布和噪声污染情况，及时发现超出环境指标要求和非法释放污染的场所，为管理人员提供证据和决策依据。

环境噪声监测系统有5个重要的组成部分：前端探头、信号调理模块、数据采集处理模块和远程无线通信模块。

2.水位/液位监测

水位传感器分为非接触型和接触型。非接触型传感器的主要有微波雷达液位传感器、超声液位传感器和光纤液位传感器等；接触型传感器的主要有电容式、浮体式和磁致伸缩式液位传感器以及电位计式液位传感器等。

水位监测系统以传感器技术为核心，通过相关接口技术和通信网络组成一个在线自动监测模块，实现水位测量功能，反映出水质状态，并实时上传监测数据。

液位测量要检测的物料对象种类多，使用环境较恶劣，除要求测量精度高、稳定性好之外，还要工作可靠，抗干扰能力强，适合远距离传输，对温度及压力适应性强，连接方便，可远程控制。这些都是选择液位传感器时需要考虑的因素。

所测对象性质和具体测量要求不同，所使用的液位传感器的类型和测量形式就不同。不同原理的液位传感器的功能和性能特点是不同的。有必要选择甚至设计应用方案。所选择的液位传感器的原理和性能特点是决定监控系统结构和性能的关键。例如，对液体分层分离，液渣沉淀分离多层液位的自动测量，像微波雷达、超声这类非接触式液位传感器就不合适，而电容式和磁致伸缩式液位传感器则有可能满足测量要求。

电容式液位传感器为一些常规和特殊的液体位置测量和不同液体分界面测量提供了新的解决方案。它可以根据被测物体的介电常数与空气和其他液体介质的介电常数的不同来判断液位，也可以判断不同介质分界面的位置。它可以测量水、汽油、柴油、防冻液、酒精、硫酸等的液位和液体分层、液渣沉淀分离多层液位。

3.土壤水分监测

从电磁方面考虑，土壤由土壤固体物质、空气、束缚水和自由水等介电物质构成。大量实验研究表明，尽管土壤的构成成分和质地有差异，但土壤介电常数与土壤的容积含水量总是呈非线性单指数函数关系。目前，基于土壤介电特性测量土壤水分的方法主要包括时域反射法（TDR）、时域传播法（TDT）、频域反射法（FDR）、驻波比法（SWR）、高频电容探头法、高频晶体传输线振荡器法、微波吸收法等。其中，TDR、FDR以及一些电容方法是基于被测量介质中表观介电常数随土壤含水量变化而变化的原理。

介电法测量土壤水分的基本原理是把土壤看作空气、土壤颗粒和水的混合物。水的介电常数与土壤颗粒的介电常数和空气介电常数之间的差异较大，含水量的增加使土壤介电常数发生显著变化，测出土壤介电常数可得土壤含水量。

基于FDR法的土壤水分传感器通过测土壤的介电常数（电容）随土壤水分变化规律从而获得土壤体积含水量。它有多个探头，可在较深的地下进行测量。它属于非接触测量型，测量对象及可测湿度范围广，是一种低功耗、高性能的固体物料水分测试系统。由该传感器组成的一种农田环境无线土壤水分监测系统能实时采集多路物料水分数据，具有方便、快速、不扰动土壤、工作频率和测量范围宽、不受滞后影响、准确度不易受影响等优势，可自动、连续地定点监测土壤的动态含水量。

4.电导率监测(www.xing528.com)

电导率传感器可测量液体的电导率，这种监测装置很重要，在工业生产中应用范围广，在人类生活中也扮演着很重要的角色。

根据测量的方法不同，电导率传感器可分为电极型、电感型及超声波式。电极型传感器根据电解导电原理，利用电阻测量法测量电导率，电导测量电极在测量过程中表现为一个复杂的电化学系统；电感型传感器根据电磁感应原理来测量液体的电导率；超声波式电导率传感器通过超声波在液体中的变化进行测量。前2种传感器的使用更为普遍。

利用电导率传感器结合单片机系统技术，可实现电导率的自动测量。通过调控激励信号，可以提高测量精度和线性度。

（三）化学环境监测传感器

化学环境是指由土壤、水、空气等组成因素所产生的化学性质，赋予生物以一定作用的环境。化学环境监测传感器是对环境中化学量的监测，主要包括有害气体浓度监测、pH值监测、溶解氧监测、总有机碳（TOC）监测等。

1.有害气体浓度监测

有毒有害气体监测是通过检测有害气体浓度的传感器来检测环境中目标气体的组成和含量。通过监测空气中SO2、NO2、CH4、CO2和其他气体的浓度，自动监测环境空气质量。自动监测系统需要实时采集、处理和存储监测数据，并定期或随时向中心发送监测数据和设备运行状态信息，实现对不同区域污染源的定位和治理。

由于气体成分复杂，用传统的化学传感器不仅数量多、功耗大，准确度也低，因此要用气相色谱检测系统检测有害气体浓度。这种系统以智能仪器化的传感器组件替代传统单一的化学传感器，提高了灵敏度。这种可测量多种气体的色谱检测传感器组件可满足物联网用传感器体积小、质量轻、低功耗、分辨率高、易操作、可远程输出结果等要求。

2.水质监测

水质监测是对包括pH值、溶解氧量、电导率、总有机碳（TOC）、浊度等在内的一系列参数的综合检测，通常用水质监测系统来完成。水质监测系统以在线自动分析仪为核心，采用传感器、计算机自动测控技术及相关专业分析软件和通信网络，形成一个完整的在线自动监测系统。通过对上述参数的检测，连续、及时、准确地监测目标水域的水质变化，通过统计处理反映水质状况，并实时上传监测数据。用于水质监测的传感器包括测量上述各参数的传感器。

（1）pH值监测。pH值是水溶液中一个重要的物理化学参数，关于水及溶液的自然现象、化学反应和生产过程都与pH值有一定的关系。玻璃电极是被普遍使用的pH传感器。pH玻璃电极只能测量水溶液介质的pH值，它的测量结果非常准确，而且反应快，但是其内阻非常高（一般为108～109Ω），机械强度不好，容易损坏，存在误差，不能测试含氟溶液的pH值。

（2）溶解氧监测。溶解氧（DO）是指溶于水中，以分子状态存在的氧，水中DO的含量会受到空气中氧的分压和水温的影响。通常，空气中的氧气含量变化不大，水的温度是影响DO含量的主要条件，水温降低，水中的DO含量就会增加。在0℃常压下氧的溶解度为14.64mg/L。水中的DO含量虽很少，但它是水中生物得以生存的必备物质。

DO浓度的检测对化工、污染整治、食品等领域都有很大的影响。当检测水质时，DO通常用于评判水质和水体的自净化能力，所以DO是必须测量的一个重要参数。

监测水质最常用的指标中，DO检测通常置于生化需氧量（BOD）和化学需氧量（COD）的前面进行检测，且DO结果常起到预警作用，因有机化合物在好氧菌的影响下会出现生物降解，所以要损耗水中的DO而导致它先下降。当水体受到有机物污染时，氧气含量下降，DO也相对减少，得不到及时补充，水里的厌氧菌就会迅速繁衍生长，有机物由于衰败使水体变得又黑又臭。当水中的DO值下降到5mg/L时，某些鱼类就无法正常呼吸。DO也是生产某些产品时需要严格把控的指标。比如，在生产啤酒时，糖化和发酵的过程必须对DO含量进行严格把控，不然生产出的啤酒就会出现难闻的臭味，或发生沉淀现象。在防控金属腐化过程中，DO也发挥着很重要的作用，比如，高压锅炉的给水虽然进行了预处理，没有了溶解盐等物质，但锅炉水中还存在很多气体，里面的氧气与铁接触可形成腐蚀电池，导致锅炉给水系统的腐蚀。在生命科学中，DO可以反映细胞新陈代谢等重要的生命活动。总而言之，精准地检测DO有非常重要的作用。

DO监测模块的基本原理是氧分子通过覆膜扩散，还原为阴极上的氢氧根离子（OH-），银阳极被氧化成银离子（Ag+）（在阳极上形成卤化银层）。阴极释放电子，阳极接收电子以产生电流。通常，流过DO测量探头的电流与测得的介质的含氧浓度成正比。变送器接收电流，并对其进行处理，最终通过氧浓度（mg/L）、百分比饱和度（%SAT）或氧分压（hPa）表示测量介质的DO含量。测量电极和变送器构成一个特殊的传感器检测系统（SCS）。

覆膜式DO传感器及变送器具有O2选择性强、维护简单及成本低、空气标定简便、无零点标定要求、长期稳定性高等特点，测定范围为0.00～20.00mg/L，分辨率为0.1mg/L，反应时间（25℃）T90为30s（T99为90s），适用于污水处理、水文监测、水产养殖、化工行业、环保监测、污染治理、酿酒发酵、临床医学等领域。

（3）TOC监测。TOC（总有机碳）是水体中有机污染物含量的重要指标，可以精准反映有机物的总含量，但其缺陷是无法反映水中所含有机物的类型和构成，一般用mg/L或μg/L作为单位。TOC的测量方式有很多优势，如灵敏性高，速度快，成本低。所以，在国际上TOC检测普遍用在环境监测、水处理、石化、制药等行业。

现在对TOC的分析基本都是仪器分析，检测方法包括在线检测与离线检测（实验室检测）。TOC分析的基本原理是对水中的有机物进行氧化，形成二氧化碳，然后检测二氧化碳。因为其应用的领域不一样，因此TOC分析仪的原理也不一样，主要表现在有机物氧化方法不同和二氧化碳检测方法不同这2个方面。

该类仪器的检测包括地表水和污水等领域。它的检测运用了UV-VIS法，不需要试剂药品，使用蓝宝石透镜组，镜面经过特殊的镀层工艺处理，耐候性好，质地非常光滑，不会沾上污染物，能够抵御微生物的生长。它的测试速度非常快，1min就可以进行一次，能实时反映水质的任何变化。内置测试光路和参考光路，可随时修正测试偏离，它采用的全光谱扫描法可以防止水质浊度、色度等的干扰。其传感器直接浸没在待测水样中，避免取样等原因造成的数据偏差，不需要样品输送及预处理，可实时连续监测，测量范围为0.1～4000mg/L，准确度为±3%。

（4）其他监测。紫外光谱分析法、离子色谱法和流动注射法等是监测总磷的主要方法，在实践中最常用的方法是紫外光谱分析法。在水质总磷监测中，磷酸根离子选择性电极的研究越来越受到人们的重视。在检测水体中磷酸盐的化学传感器技术中，液膜磷酸根离子选择电极和固体膜磷酸根离子选择电极的研究已经相继取得了一定的进展，在其他领域内，关于磷酸根离子接受体方面的研究也获得了一些新发现。