測(cè)控技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用以大氣污染中為例姓名：冷瑩專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器班級(jí)：測(cè)控1402摘要當(dāng)前，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展中，由于受到環(huán)境因素的影響，使經(jīng)濟(jì)步伐的發(fā)展腳步逐漸變得緩慢下來(lái)，因此，解決環(huán)境因素的問(wèn)題是一項(xiàng)很難的工作。然而，環(huán)境監(jiān)測(cè)正是解決環(huán)境問(wèn)題的主要技術(shù)分析手段，從它監(jiān)測(cè)結(jié)果的科學(xué)性、監(jiān)測(cè)方法的系統(tǒng)性及應(yīng)急技術(shù)的實(shí)用性，可以看出我國(guó)環(huán)境存在的突出的問(wèn)題。大氣污染作為我國(guó)環(huán)境污染的突出問(wèn)題，而且影響人們的日常生活以及身體健康，精確的研究監(jiān)測(cè)大氣污染物就顯得分外重要了。測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)是信息科學(xué)技術(shù)的源頭，是光學(xué)、精密機(jī)械、電子、電力、自動(dòng)控制、信號(hào)處理、計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)多學(xué)科互相滲透而形成的一門(mén)高新技術(shù)密集型綜合學(xué)科。它的專業(yè)面廣，小到生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)控制，大到火箭衛(wèi)星的發(fā)射及監(jiān)控?，F(xiàn)在正在如火如荼發(fā)展的傳感器行業(yè)就屬于測(cè)控的范圍。本人結(jié)合各種類型的傳感器的原理和應(yīng)用，提出了幾種應(yīng)用傳感器的監(jiān)測(cè)空氣質(zhì)量的電路。由于知識(shí)還有局限，無(wú)法做到智能控制與無(wú)線傳輸。關(guān)鍵詞：測(cè)量、傳感器、大氣污染、大氣監(jiān)測(cè)AbstractAtpresent,withthefastdevelopmentofourcountry’seconomy,ourenvironmentisgettingworse,whichmakesthepaceofoureconomicdevelopment.Thus,it’saratherdifficultthingtosolvetheenvironmentalproblem.And,asenvironmentalmonitoringisthemainwayoftechniqueanalysis,wecanseetheprominentproblemofourcountryfromitsscientificresults,systematicmonitoringwaysandpracticalemergencytechnique.Airpollutionisaprominentprobleminourcountry,whichinfluencespeople’sdailylivesandphysicalconditions,soit’sessentialtoconsidermonitoringairpollutantsprecisely.ControlTechnologyandInstruments,originatedfrominformationsciencetechnology,isahightechnologyintensivesubject,whichcoversoptics,precisionmachinery,electron,electricpower,automaticcontrolandsignalprocessing.Especially,sensorsandtestingtechnologyhavethevastpotentialforfuturedevelopment.Iputforwardsomemeasuringcircuitswithsensorstomonitortheairquality.However,becauseofthelimitofmyknowledge,itisimpossibleformetorealizeintelligentcontrolandwirelesstransmission.Keywords:measurement,sensor,airpollution,airmonitoring一、 研究背景十三五的規(guī)劃中明確提出：加大環(huán)境治理力度，以提高環(huán)境質(zhì)量為核心，實(shí)行最嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)制度，深入實(shí)施大氣、水、土壤污染防治行動(dòng)計(jì)劃，實(shí)行省以下環(huán)保機(jī)構(gòu)監(jiān)測(cè)監(jiān)察執(zhí)法垂直管理制度。而大氣污染作為環(huán)境污染的主要污染之一，而且與人們生活息息相關(guān)，應(yīng)當(dāng)作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。科學(xué)研究表明：一個(gè)成年人每天需要吸入空氣達(dá)6500升以獲得足夠的氧氣，因此，被污染了的空氣對(duì)人體健康有直接的影響?？梢?jiàn),空氣品質(zhì)對(duì)人的影響是至關(guān)重要的。環(huán)境污染背景當(dāng)今，人類正面臨“煤煙污染”、“光化學(xué)煙霧污染”、“室內(nèi)空氣污染”。專家檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，就室內(nèi)空氣而言，存在500多種揮發(fā)性有機(jī)物，其中致癌物質(zhì)就有20多種，致病病毒200多種。危害較大的主要有:氡、甲醛、苯、氨以及酯、三氯乙烯等。大量觸目驚心的事實(shí)證實(shí)，室內(nèi)空氣污染已成為危害人類健康的“隱形殺手”，也成為全世界各國(guó)共同關(guān)注的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球近一半的人處于室內(nèi)空氣污染中，室內(nèi)環(huán)境污染已經(jīng)引起35.7%的呼吸道疾病,22%的慢性肺病和15%的氣管炎、支氣管炎和肺癌。而檢測(cè)技術(shù)是人們實(shí)現(xiàn)空氣監(jiān)測(cè)一種必不可少的重要技術(shù)手段。傳感器是科學(xué)實(shí)驗(yàn)和工業(yè)生產(chǎn)等活動(dòng)中對(duì)信息資源的開(kāi)發(fā)獲取、傳輸與處理的一種重要工具。其中氣體檢測(cè)裝置主要是由傳感器和相關(guān)電路組成，可以進(jìn)行氣體成分監(jiān)測(cè)的裝置。二、 大氣環(huán)境現(xiàn)狀中國(guó)大氣污染主要來(lái)源于采暖排放、機(jī)動(dòng)車排放、工業(yè)排放與風(fēng)沙天氣。各污染物呈明顯的區(qū)域性分布。地圖顯示，污染物濃度總體趨勢(shì)是北方地區(qū)高于南方地區(qū)。河北南部以及山東東部等重工業(yè)密集且人口密度大的地區(qū)污染較為嚴(yán)重。中西部及東南部等經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后人口較為稀少的地區(qū)污染較輕。1年周期內(nèi)，京津冀及其附近的東北、華北是中國(guó)空氣污染重災(zāi)區(qū)。相比下來(lái)，珠三角地區(qū)空氣質(zhì)量較好。另一方面，中國(guó)采暖期與非采暖期空氣污染變化顯著。一旦進(jìn)入采暖期，中國(guó)北方的細(xì)顆粒物(PM2.5)、可吸入顆粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)的濃度上升明顯，燃煤對(duì)空氣質(zhì)量的影響巨大，供暖帶來(lái)的環(huán)境成本飆升亟需關(guān)注。總體空間分布特點(diǎn)是:北方地區(qū)高于南方地區(qū);華北平原污染較為嚴(yán)重;中西部及東南部等經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)落后人口較為稀少的地區(qū)污染較輕。各空氣污染物中，PM10和PM2.5的平均含量處于較高超標(biāo)水平。其中，中國(guó)PM2.5超標(biāo)最為嚴(yán)重，全國(guó)190個(gè)樣本城市中，僅僅7.368%(即14個(gè))的城市PM2.5年均值可達(dá)標(biāo)。16.316%(即31個(gè))的城市PM10年均值可達(dá)標(biāo)。中國(guó)全國(guó)1年時(shí)間里，PM2.5、PM10污染最為嚴(yán)重區(qū)域均是京津冀地區(qū)以及附近的東北、華北平原。此外，新疆北疆部分地區(qū)冬季采暖時(shí)，PM2.5質(zhì)量濃度嚴(yán)重超標(biāo)。下圖分別為PM10全國(guó)分布圖以及SO2全國(guó)分布圖。

nv?nv?〈35*35=S5.36-49.92=藥，93-62.13=i62,1J-72.29—72.30-81.45.8L46-機(jī),95一湖.96ui無(wú)數(shù)掘，土r；偌.廿汛NOMWgm')汛NOMWgm')<27,8227.83-31.3231.33-34.043105-36.5036.51~39.3539.36~43.75>43.76無(wú)敷據(jù)三、解決措施為了監(jiān)測(cè)環(huán)境中的污染物，我設(shè)計(jì)了如下幾種傳感器監(jiān)測(cè)電路。1..金屬氧化物半導(dǎo)體式傳感器氣體傳感器分為電阻式與非電阻式兩種。電阻式采用SnO2、ZnO等金屬氧化物材料制備，有多孔燒結(jié)件、厚膜、薄膜等形式。根據(jù)半導(dǎo)體與氣體的相互作用是發(fā)生在表面還是體內(nèi)，又分為表面控制型與體控制型。表面控制型電阻式傳感器包括SnO2系傳感器、ZnO系傳感器、其他金屬氧化物（WO3、V2O5、CdO、Cr2O3等）材料的傳感器和采用有機(jī)半導(dǎo)體材料的傳感器。體控制型電阻式傳感器包括Fe2O3系傳感器、ABO3型傳感器和燃燒控制用傳感器。這類傳感器可檢測(cè)甲烷、丙烷、氫、一氧化碳等還原性氣體，氧、二氧化氮等氧化性氣體，具有強(qiáng)吸附力的胺類和水蒸汽等?！靾D1：半導(dǎo)博式傳感器 圖2；簡(jiǎn)單的測(cè)量電路EEC如圖1所示：H/h為加熱級(jí)，A/a與B/b是敏感電阻的兩極，器中A/a內(nèi)部短路，B/b內(nèi)部短路。VH是加熱電壓，Vc是激勵(lì)電壓，RL為端接負(fù)載電阻。通過(guò)兩端的電壓VRL可得到傳感器的阻值，即可得到氣體的濃度（根據(jù)傳感器廠家提供的特征曲線計(jì)算）。在測(cè)量VRL時(shí)，對(duì)后端的放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的要求一般不高，一般選取高輸入阻抗，帶寬小于1Mhz的低成本的放大器。ADC:低成本，一般采用單片機(jī)（MCU）集成的ADC分辨率＞=8bits,采樣率＜1Kbps，或直接采用比較器，作為報(bào)警功能使用。門(mén)限值的調(diào)整與負(fù)載電阻RL相關(guān)。AD8613是低成本，低功耗的放大器，帶寬400Khz，失調(diào)電壓2.2mV，可作為緩沖/放大電路使用。AD7170是低功耗，分辨率12bit，數(shù)據(jù)吞吐率為125hzS/D型ADC，適合低功耗，一般精度要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。催化燃燒式傳感器催化燃燒式傳感器原理是目前最廣泛使用的檢測(cè)可燃?xì)怏w的原理之一，具有輸出信號(hào)線形好、指數(shù)可靠、價(jià)格便宜、無(wú)與其他非可燃?xì)怏w的交叉干擾等特點(diǎn)。催化燃燒式傳感器采用惠斯通電橋原理，感應(yīng)電阻與環(huán)境中的可燃?xì)怏w發(fā)生無(wú)焰燃燒,是溫度使感應(yīng)電阻的阻值發(fā)生變化，打破電橋平衡，使之輸出穩(wěn)定的電流信號(hào)，再經(jīng)過(guò)后期電路的放大、穩(wěn)定和處理最終顯示可靠的數(shù)值。催化燃燒式傳感器CcnupensatorDetector圖催化燃燒式傳感器CcnupensatorDetector圖6：催化燃燒式傳感器接由畫(huà)路.com定電位電解式傳感器。定電位電解式傳感器是目前測(cè)毒類現(xiàn)場(chǎng)最廣泛使用的一種技術(shù)在此方面國(guó)外技術(shù)領(lǐng)先，因此此類傳感器大都依賴進(jìn)口。定電位電解式氣體傳感器的結(jié)構(gòu):在一個(gè)塑料制成的筒狀池體內(nèi)，安裝工作電極、對(duì)電極和參比電極，在電極之間充滿電解液,由多孔四氟乙烯做成的隔膜，在頂部封裝。前置放大器與傳感器電極的連接，在電極之間施加了一定的電位，使傳感器處于工作狀態(tài)。氣體與的電解質(zhì)內(nèi)的工作電極發(fā)生氧化或還原反應(yīng)在對(duì)電極發(fā)生還原或氧化反應(yīng)，電極的平衡電位發(fā)生變化，變化值與氣體濃度成正比。定電位電解式傳感器屬于電化學(xué)能式傳感器（ElectrochemicalSensors）中離子電池類傳感器，通常用于氣體檢測(cè)，對(duì)還原性氣體效果更明顯，可檢測(cè)氫氣（H2）、氨氣（NH3）、肼（N2H4）、二氧化硫（SO2）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）和硫化氫（H2S）等氣體。紅外式傳感器。紅外式傳感器利用各種元素對(duì)某個(gè)特定波長(zhǎng)的吸收原理具有抗中毒性好，反應(yīng)靈敏，對(duì)大多數(shù)碳?xì)浠衔锒加蟹磻?yīng)。但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。上圖是CO2濃度監(jiān)測(cè)電路，工作原理是首先由紅外傳感器將探測(cè)到二氧化碳?xì)怏w的濃度并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，濾波電路提取電信號(hào)并輸出到放大電路，經(jīng)過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)處理后輸出，再由74AC138送入顯示電路，以實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳?xì)怏w濃度的檢測(cè)。四、參考文獻(xiàn)劉美麗.大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)中化學(xué)發(fā)光分析方法的應(yīng)用與展望 能源與