CN108662972A - 一种监测水体深度的传感器及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种监测水体深度的传感器及监测方法。所述传感器包括信号采集器、高度调节组件和沉积物微生物燃料电池组件，沉积物微生物燃料电池组件的阴极连接于浮板上并部分没入水中，阴极通过导线连接阳极，导线上串接电阻，阳极没入沉积物中，高度调节组件包括不同高度的若干触点、水平设置的滑竿和竖直设置的滑竿支架，滑竿与滑竿支架滑动连接，滑竿处于不同高度时与不同高度的触点接触，阴极与滑竿刚性连接，一部分触点没于水体中，触点和滑竿均为导电材质，信号采集器与各个触点电连接。本发明所述传感器灵敏度高、结构简单、建造运行和维护成本低。可广泛应用于江河、湖海、水库监测治理及防汛抗洪等流域，具有一定的社会和经济效益。
Description
技术领域
本发明属于环境监测技术领域，具体涉及一种利用沉积物微生物电化学原理监测水体深度的传感器及监测方法。
背景技术
水体深度是影响水体生态系统的重要因素，如影响了水生动植物的生长；影响光照条件的投射深度进而影响光催化作用。目前用于测量水深的方法通常用水深探测仪，如测深杆、水铊、回声测深仪、多波束回声测深系统和海底地貌探测仪等，通常为携带式仪器。然而水体深度由于蒸发或者降水等因素在时刻发生着变化，目前的监测手段很难做到实时监测，目前尚未有关于水体深度实时监测技术的相关研究报道。
近年来，微生物燃料电池（MFC）迅速发展，提供了一种全新的生物传感方法和装置，而沉积物微生物燃料电池（SMFC）是至今为止在实际运用中发挥作用的MFC。其作用原理为：将阳极材料放置于厌氧的沉积物中，阴极材料位于上层好氧的水相中，阴极和阳极之间通过导线和电阻相连接，沉积物中有机物在阳极区附近被沉积物中土著微生物氧化分解产生的电子经导线传递到阴极，质子通过水体也传递到阴极，电子、质子与阴极区中的氧气结合生成水，同时产生电流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用沉积物微生物电化学反应原理监测水体深度的传感器，具有可移动、装置简单、操作容易的优点，应用前景广泛。
为实现本发明的技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种监测水体深度的传感器，包括信号采集器、高度调节组件和沉积物微生物燃料电池组件，
所述沉积物微生物燃料电池组件包括阴极、电阻和阳极，所述阴极连接于浮板上并部分没入水中，所述阴极通过导线连接所述阳极，所述导线上串接所述电阻，所述阳极没入沉积物中，
所述高度调节组件包括不同高度的若干触点、水平设置的滑竿和竖直设置的滑竿支架，所述滑竿与所述滑竿支架滑动连接，所述滑竿处于不同高度时与不同高度的所述触点接触，所述阴极与所述滑竿刚性连接，所述的若干触点中一部分没于水体中，所述触点和所述滑竿均为导电材质，
所述信号采集器与各个所述触点电连接，所述信号采集器实时监测各个所述触点的电压或电位信号。
进一步的，所述高度调节组件的高度根据水体深度设置，使得其总是大于水体深度。
进一步的，所述沉积物微生物燃料电池组件还包括阳极支架，所述阳极支架为顶端封闭的筒状，所述阳极支架的顶部设置有透水孔，所述阳极设置于所述阳极支架内。
进一步的，所述阳极支架的底端为斜面，方便插入沉积物中。
进一步的，所述阳极或所述阴极为碳毡或石墨板。
进一步的，所述碳毡厚度为0.5cm。
进一步的，所述阳极支架的材料为硬度为60~90的塑性材料。
优选的，所述阳极支架的材料为聚氯乙烯。
进一步的，所述的电阻为1000Ω。
进一步的，所述的触点可根据实际操作所需的精度设置不同间隔。
进一步的，所述浮板的材质为塑料或者玻璃钢。
进一步的，所述触点为金属材质。
进一步的，所述滑竿为金属材质。
进一步的，所述信号采集器还包括多个数据采集点，所述数据采集点分别通过导线与各个所述触点电连接，所述信号采集器监测所述数据采集点的电压或电位信号。
进一步的，所述信号采集器连接计算机，由计算机分析、转换数据。
进一步的，所述水体为江河、湖海或水库。
本发明第二目的在于提供一种采用上述传感器监测水体深度的方法，包括如下步骤：
（1）设置所述装置，使得所述阳极没入水体沉积物中；
（2）记录各个所述触点的高度位置；
（3）当水体深度变化时，所述浮板在浮力作用下上升或下降，带动所述滑竿上升或下降，从而与不同高度的所述触点接触，与所述滑竿接触的触点接收到的电信号被所述信号采集器获知，从而根据产生电信号的触点所在高度获知水体深度。本发明根据沉积物微生物燃料电池系统产生的电压信号实现水体深度的监测。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明利用沉积物微生物电化学反应原理构建一套实时监测水体深度的装置。弥补了关于此方面监测技术的空白。
（2）本发明将沉积物为生物燃料电池的阳极部分放置在沉积物中，处于厌氧环境，阴极处于上覆水中，当阴极到达某一深度时，滑竿随机到达同样深度，滑竿另一端连接到此深度的触点，接通微生物燃料电池，此深度产生电信号，并通过信号采集器采集，根据哪一深度的触点产生电压信号判断水体深度，从而达到实时监测水体深度的目的；
（3）本发明所述的传感器装置结构简单、测定快速，装置的维护、建造和运行成本较低。
附图说明
图1为本发明所述传感器的结构示意图。
图2为本发明实施例1所测得的不同深度电压响应图。
其中，A是信号采集组件，B是高度调节组件，C是沉积物微生物燃料电池组件，1是信号采集器，2是数据采集点，3是触点，4是滑竿，5是阴极，6是电阻，7是阳极，8是阳极支架，9是导线，10是浮板，11是滑竿支架。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示的一种监测水体深度的传感器，包括信号采集器1、高度调节组件B和沉积物微生物燃料电池组件C，
所述沉积物微生物燃料电池组件C包括阴极5、电阻6和阳极7，所述阴极5连接于浮板10上并部分没入水中，所述阴极5通过导线9连接所述阳极7，所述导线9上串接所述电阻6，所述阳极7没入沉积物中，
所述高度调节组件B包括不同高度的若干触点3、水平设置的滑竿4和竖直设置的滑竿支架11，所述滑竿4与所述滑竿支架11滑动连接，所述滑竿4处于不同高度时与不同高度的所述触点3接触，所述阴极5与所述滑竿4刚性连接，所述的若干触点3中一部分没于水体中，所述触点3和所述滑竿4均为导电材质，
所述信号采集器1与各个所述触点3电连接，所述信号采集器1实时监测各个所述触点3的电压或电位信号。所述高度调节组件B的高度根据水体深度设置，使得其总是大于水体深度。
所述沉积物微生物燃料电池组件C还包括阳极支架8，所述阳极支架8为顶端封闭的筒状，所述阳极支架8的顶部设置有透水孔，所述阳极7设置于所述阳极支架8内。
所述阳极支架8的底端为斜面，方便插入沉积物中。
所述阳极7或所述阴极5为碳毡或石墨板。
所述碳毡厚度为0.5cm。
所述阳极支架8的材料为硬度为60~90的塑性材料。
所述阳极支架8的材料为聚氯乙烯。
所述的电阻6为1000Ω。
所述的触点3可根据实际操作所需的精度设置不同间隔。
所述浮板10的材质为塑料或者玻璃钢。
所述触点3为金属材质。
所述滑竿4为金属材质。
所述信号采集器1还包括多个数据采集点2，所述数据采集点2分别通过导线与各个所述触点3电连接，所述信号采集器1监测所述数据采集点2的电压或电位信号。
所述信号采集器1连接计算机，由计算机分析、转换数据。
所述水体为江河、湖海或水库。
取1500 g的江苏境内太湖中的沉积物置于反应器中，加入1%干燥粉碎后的植物残体，充分混匀，之后加入400毫升的模拟湖水。
设置上述传感器，使得阳极置于沉积物中。设置三个深度（2cm，4cm，6cm）接触位点，连接数据采集器1，测试过程中，人为地通过向反应器内加水的方式将水深从2cm增加至6cm。当水体深度变化时，所述浮板在浮力作用下上升，带动所述滑竿上升，从而与不同高度的所述触点接触，与所述滑竿接触的触点接收到的电信号被所述信号采集器获知，从而根据产生电信号的触点所在高度获知水体深度。
由计算机记录采集器三个深度通道所测得的电压。
由图2可看出水体深度为2cm，4cm，6cm，该装置都能很快作出响应。
Claims (10)
1.一种监测水体深度的传感器，其特征在于，包括信号采集器、高度调节组件和沉积物微生物燃料电池组件，
所述沉积物微生物燃料电池组件包括阴极、电阻和阳极，所述阴极连接于浮板上并部分没入水中，所述阴极通过导线连接所述阳极，所述导线上串接所述电阻，所述阳极没入沉积物中，
所述高度调节组件包括不同高度的若干触点、水平设置的滑竿和竖直设置的滑竿支架，所述滑竿与所述滑竿支架滑动连接，所述滑竿处于不同高度时与不同高度的所述触点接触，所述阴极与所述滑竿刚性连接，一部分所述触点没于水体中，所述触点和所述滑竿均为导电材质，
所述信号采集器与各个所述触点电连接。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述沉积物微生物燃料电池组件还包括阳极支架，所述阳极支架为顶端封闭的筒状，所述阳极支架的顶部设置有透水孔，所述阳极设置于所述阳极支架内。
3.根据权利要2所述的传感器，其特征在于，所述阳极支架的底端为斜面。
4.根据权利要2所述的传感器，其特征在于，所述阳极支架的材料为硬度为60~90的塑性材料，优选的所述阳极支架的材料为聚氯乙烯。
5.根据权利要1所述的传感器，其特征在于，所述阳极或所述阴极为碳毡或石墨板。
6.根据权利要5所述的传感器，其特征在于，所述碳毡厚度为0.5cm。
7.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述信号采集器还包括多个数据采集点，所述数据采集点分别通过导线与各个所述触点电连接。
8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述信号采集器连接计算机，由计算机分析、转换数据。
9.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述水体为江河、湖海或水库。
10.一种采用权利要求1-9任一所述传感器监测水体深度的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）设置所述装置，使得所述阳极没入水体沉积物中；
（2）记录各个所述触点的高度位置；
（3）当水体深度变化时，所述浮板在浮力作用下上升或下降，带动所述滑竿上升或下降，从而与不同高度的所述触点接触，与所述滑竿接触的触点接收到的电信号被所述信号采集器获知，从而根据产生电信号的触点所在高度获知水体深度。
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| CN108662972B (zh) | 2024-04-05 |
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