水质监测传感器.docx

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水质监测传感器

水质监测传感器

一、设计思想的提出

水是人类生活环境的重要组成部分，是生活和生产必不可少的重要资源。

本世纪下半叶，随着各种自然资源的滥开滥用，环境污染愈演愈烈。

生产和生活排出的大量污水，含有诸多有害因素，严重危害人类的健康。

河流和近海的污染造成了大量的鱼类和贝类的死亡甚至灭绝，人类正亲手毁坏大自然赐予的第二食物基地。

淡水资源的紧张也向人类发出警告，全世界缺水的国家已多达80多个。

地球上的淡水总共为400万立方公里，据估计每年被污染的淡水达到400立方公里，已出现美国向加拿大，西德向瑞士购买淡水的新鲜事。

凡此种种，不能不引起世人的担忧和关注。

西欧和北美等发达国家早就兴起控制水源污染的声浪，制定了一系列的严重的法规。

大大推动了水质监测传感器的研制和水质监测技术的发展。

但是国内对于水质的监测却没那么重视，所以想设计一种价格低廉却又能实时的监测水质的传感器。

二、国内外本方面研究状况分析

目前，传感器的研究和开发课题很多。

1991年，仅西欧就有800多个研究机构在这个领域从事研究，每年大约耗资两亿英镑。

而且这种努力的规模还要扩大，许多课题已经受到了环境检测需要的激励。

从技术上看，有三种技术可以克服以往传统传感器缺点的很有前途的传感器，这就是生物传感器、固体传感器和光学、光纤传感器。

此外，实验室免疫分析法则是另一种克服传统传感器所具有缺点的专用方法。

三、设计构想

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。

它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见上图a。

光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。

由光发送器、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见上图b。

由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。

这时，光的某一性质受到了被测量的调制，已调光经过接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经由信号处理得到所期待的被测量。

可见，光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有着本质上的区别。

传统传感器是以机-电测量为基础的，而光纤传感器则是以光学测量为基础

光是一种电磁波，其波长从极远红外的1mm到极远紫外线的10nm。

它的物理作用和生物化学作用主要因为其中的电厂而引起。

因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即

A-----电场E的振幅矢量；ω-----光波的振动频率；

Φ-----光相位；t-----光的传播时间。

可见，只要是光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位等参量之一随着被测量状态的变化而变化，或受到被测量的调制，那么，通过对光的强度的调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行调制，获得所需要的被测量的信息。

光纤传感器的基本构成和组成原理

光纤传感器主要由光源、光纤与探测器3部分组成，光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区，在调治区内，外界被测参数作用于进入调区内的光信号，是其光学性质如光的强度、相位、偏振态、波长等发生变化成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器而获得被测参数，光纤传感器中的光纤通常由纤芯、包层、树脂涂层和塑料护套组成，纤芯和包层具有不同的折射率，树脂涂层对光纤起保护作用，光纤按材料组成分为玻璃光纤和塑料光纤；按光纤纤芯和包层折射率的分布可分为阶跃折射率型光纤和梯度折射率光纤两种。

光纤能够约束引导光波在其内部或表面附近沿轴线方向向前传播，具有感测和传输的双重功能，是一种非常重要的智能材料。

光纤传感器的类型及特点

光纤传感器的类型很多，按光纤传感器中光纤的作用可分为传感型和传光型两种类型。

传感型光纤传感器又称为功能型光纤传感器，主要使用单模光纤，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，它利用光纤本身的传输特性经被测物理量作用而发生变化的特点，使光波传导的属性（振幅、相位、频率、偏振）被调制。

因此，这一类光纤传感器又分为光强调制型，偏振态调制型和波长调制型等几种。

对于传感型光纤传感器，由于光纤本身是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度。

传光型光纤传感器又称非功能型光纤传感器，它是将经过被测对象所调制的光信号输入光纤后，通过在输出段进行光信号处理而进行测量的。

在这类传感器中，光纤仅作为传光元件，必须附加能够对光纤所传递的光进行调治的敏感元件才能组成传感元件

四、光学和光纤传感器

先进的光学和光纤的传感器在若干水质检测场合存在广阔的应用前景，能测量许多种分析物。

这使得被公认的光学分析法（例如，各种光谱分析法）及提提光效应（包括荧光、散射、吸收、颜色调制和折射系数变化等）一起得到了开发。

现具体描述一下光纤传感器的一些应用介绍:

1、地下水和井水的监测

光纤传感器可以长期连续的工作在井下进行实时监测。

这种传感器可以监测下列污染物：

（1）卤代烃；

（2）燃料和油；

（3）酚。

2、可作为便携式监测仪表

普通的便携式现场仪表传感器只适用于少数几种分析物，这是其不能广泛应用的主要原因。

为了利用光学传感器扩大便携式仪表的监测范围，人们已经进行了大量的研究。

不久这类产品将推向市场。

其监测对象包括金属、氮和铵盐、硝酸盐、ph值和溶解氧。

3、固定分析器和传感器

众所周知，固定分析器和传感器，尤其是用于检测废水泄放点的，通常都很复杂、很昂贵，并且可靠性也很难保证。

如今的光线传感器技术，它能通过光线把测量点和仪器耦合起来，这样即取消了取样系统，简化了结构，也提高了可靠性。

据英国约克自来水公司估计，仅取样系统就使得一般的在线分析仪器成本增加了2000英镑。

此外，固定光学传感器也能改善普通传感器和某些光学测量技术（例如紫外线吸收）。

还消除了使用湿试剂的麻烦。

光学和光纤传感器能在线监测硝酸盐、油类、总有机碳、金属、ph值、氯和氨等分析物。

4、可移动分析仪器

为了进行详细的现场分析，光学技术和光学传感器监测技术可以用作课移动分析仪器。

这类仪器尤其适用于距离分析实验室很远的现场测量。

几种分析方法和所处理的分析物是：

（1）便面增强拉曼光谱学技术----可监测有机磷和其它有机污染物；

（2）扫描式光纤耦合紫外线荧光计----科用于跟踪有机物；

（3）光学传感器----用于氯化烃监测。

五、传统传感器技术的缺点

目前水质测量主要是以下五种方法的组合。

每种方法的缺点如下：

1、取样分析和实验室分析

（1）成本高（投资成本、工作费用、运输费用）；

（2）不能现场测量；

（3）获得结果时间太长；

（4）存在样品变质问题。

2、固定传感器和分析器

（1）投资成本高；

（2）运行成本高（试剂，校准等等）；

（3）分析物范围有限。

3、可移动分析仪器

（1）仪器投资成本高；

（2）需要高技能的操作者；

（3）现场应用困难或不方便。

4、便携式仪器

（1）能处理的分析物范围有限；

（2）存在现场校准问题。

5、现场测试工具

（1）准确度和灵敏度都有限；

（2）结果的主观性；

（3）现场试剂的处理问题。

而光纤传感器，刚好可以最大限度的避免这些传统传感器无法避免的缺点，使得测量结果的准确性和高效性。

水

质

监

测

传

感

器

设

计

电子科技二班刘科

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