测控技术在环境监测方面的应用
——以大气污染中为例
姓名：冷莹 专业：测控技术与仪器 班级：测控1402
摘要
当前，在我国经济的快速发展中，由于受到环境因素的影响，使经济步伐的发展脚步逐渐变得缓慢下来，因此，解决环境因素的问题是一项很难的工作。然而，环境监测正是解决环境问题的主要技术分析手段，从它监测结果的科学性、监测方法的系统性及应急技术的实用性，可以看出我国环境存在的突出的问题。
大气污染作为我国环境污染的突出问题，而且影响人们的日常生活以及身体健康，精确的研究监测大气污染物就显得分外重要了。
测控技术与仪器专业是信息科学技术的源头，是光学、精密机械、电子、电力、自动控制、信号处理、计算机与信息技术多学科互相渗透而形成的一门高新技术密集型综合学科。它的专业面广，小到生产过程自动控制，大到火箭卫星的发射及监控。现在正在如火如荼发展的传感器行业就属于测控的范围。
本人结合各种类型的传感器的原理和应用，提出了几种应用传感器的监测空气质量的电路。由于知识还有局限，无法做到智能控制与无线传输。
关键词：测量、传感器、大气污染、大气监测
Abstract
At present, with the fast development of our country’s economy, our environment is getting worse, which makes the pace of our economic development.Thus, it’s a rather difficult thing to solve the environmental problem.And, as environmental monitoring is the main way of technique analysis, we can see the prominent problem of our country from its scientific results, systematic monitoring ways and practical emergency technique.
Air pollution is a prominent problem in our country, which influences people’s daily lives and physical conditions, so it’s eential to consider monitoring air pollutants precisely.
Control Technology and Instruments, originated from information science technology, is a high technology intensive subject, which covers optics, precision machinery, electron, electric power, automatic control and signal proceing.Especially, sensors and testing technology have the vast potential for future development.
I put forward some measuring circuits with sensors to monitor the air quality.However, because of the limit of my knowledge, it is impoible for me to realize intelligent control and wirele transmiion.
Keywords: measurement, sensor, air pollution, air monitoring
一、研究背景
十三五的规划中明确提出：加大环境治理力度，以提高环境质量为核心，实行最严格的环境保护制度，深入实施大气、水、土壤污染防治行动计划，实行省以下环保机构监测监察执法垂直管理制度。而大气污染作为环境污染的主要污染之一，而且与人们生活息息相关，应当作为重点关注对象。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。
而检测技术是人们实现空气监测一种必不可少的重要技术手段。 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。其中气体检测装置主要是由传感器和相关电路组成，可以进行气体成分监测的装置。
二、大气环境现状
中国大气污染主要来源于采暖排放、机动车排放、工业排放与风沙天气。各污染物呈明显的区域性分布。
地图显示，污染物浓度总体趋势是北方地区高于南方地区。河北南部以及山东东部等重工业密集且人口密度大的地区污染较为严重。中西部及东南部等经济发展相对落后人口较为稀少的地区污染较轻。1年周期内，京津冀及其附近的东北、华北是中国空气污染重灾区。相比下来，珠三角地区空气质量较好。
另一方面，中国采暖期与非采暖期空气污染变化显著。一旦进入采暖期，中国北方的细颗粒物(PM2.5)、可吸入颗粒物(PM10)、二氧化硫(SO2)、二氧化氮(NO2)的浓度上升明显，燃煤对空气质量的影响巨大，供暖带来的环境成本飙升亟需关注。
总体空间分布特点是：北方地区高于南方地区;华北平原污染较为严重;中西部及东南部等经济发展相对落后人口较为稀少的地区污染较轻。
各空气污染物中，PM10和PM2.5的平均含量处于较高超标水平。其中，中国PM2.5超标最为严重，全国190个样本城市中，仅仅7.368%(即14个)的城市PM2.5年均值可达标。16.316%(即31个)的城市PM10年均值可达标。中国全国1年时间里，PM2.5、PM10污染最为严重区域均是京津冀地区以及附近的东北、华北平原。此外，新疆北疆部分地区冬季采暖时，PM2.5 质量浓度严重超标。
下图分别为PM10全国分布图以及SO2全国分布图。
三、解决措施
为了监测环境中的污染物，我设计了如下几种传感器监测电路。 1..金属氧化物半导体式传感器
气体传感器分为电阻式与非电阻式两种。
电阻式采用SnO
2、ZnO等金属氧化物材料制备，有多孔烧结件、厚膜、薄膜等形式。根据半导体与气体的相互作用是发生在表面还是体内，又分为表面控制型与体控制型。表面控制型电阻式传感器包括SnO2系传感器、ZnO系传感器、其他金属氧化物（WO
3、V2O
5、CdO、Cr2O3等） 材料的传感器和采用有机半导体材料的传感器。体控制型电阻式传感器包括Fe2O3系传感器、ABO3型传感器和燃烧控制用传感器。这类传感器可检测甲烷、丙烷、氢、一氧化碳等还原性气体，氧、二氧化氮等氧化性气体，具有强吸附力的胺类和水蒸汽等。
如图1所示：H/h 为加热级，A/a与B/b是敏感电阻的两极，器中A/a内部短路，B/b内部短路。VH是加热电压，Vc是激励电压，RL为端接负载电阻。通过两端的电压VRL可得到传感器的阻值，即可得到气体的浓度（根据传感器厂家提供的特征曲线计算）。
在测量VRL时，对后端的放大器和数据转换器（ADC）的要求一般不高，一般选取高输入阻抗，带宽小于1Mhz的低成本的放大器。ADC：低成本，一般采用单片机（MCU）集成的ADC 分辨率>=8 bits, 采样率
AD8613是低成本，低功耗的放大器，带宽400Khz，失调电压2.2mV，可作为缓冲/放大电路使用。
AD7170是低功耗，分辨率12bit，数据吞吐率为125hz S/D型ADC，适合低功耗，一般精度要求的数据采集系统。
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。定电位电解式传感器属于电化学能式传感器（Electrochemical Sensors）中离子电池类传感器，通常用于气体检测，对还原性气体效果更明显，可检测氢气（H2）、氨气（NH3）、肼（N2H4）、二氧化硫（SO2）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H2S）等气体。
4.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。
上图是CO2浓度监测电路，工作原理是首先由红外传感器将探测到二氧化碳气体的浓度并转换成电信号，滤波电路提取电信号并输出到放大电路，经过单片机系统处理后输出，再由74AC138送入显示电路，以实现对二氧化碳气体浓度的检测。
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能源与环境
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