微波技术在水污染监测中的应用

    朱小会　齐仁龙

    

    

    摘要：文章应用微波监测系统对水污染的样品进行检测，利用各种金属离子对电磁波具有不同的吸收衰减的特性，并通过大量的实验建立数据表和得出相关结论，以此可以判断出水污染的种类。

    关键词：水污染；微波监测；敏感频率

    水是生命之源，是人类赖以生存和发展的重要物质。目前，水污染已经严重影响了人们的生活质量和水平，成为一个急需解决的热点问题。随着科学技术的进步，人们已经清楚地认识到了水污染给生态环境及人体健康带来的危害。污染水的物质主要包括氰化物、硫化物、各类酸碱性化合物以及多种重金属物质（主要包括汞、铅等），除此之外还有一些微生物、悬浮物等。

    本文利用微波检测技术对水污染进行监测。实验表明，通过此方法可以判断出水中污染物的种类，为水污染的检测提供了一个新的方法和手段，对环境保护和人体的健康起到一定的作用。

    1 微波检测理论

    微波技术是近代科学的重大成就之一，微波是指波长在1mm至100cm之间的电磁波，频率高达300MHz到300GHz，故又称之为超高频波。目前，微波检测技术已广泛地应用于农业、工业、卫生、军事、通信、环境保护等各个领域，微波检测技术的应用基础为微波与物质之间相互作用所表现出的不同特性，文章所使用的微波检测技术是以微波与损耗媒质相互作用为研究基础。所谓的损耗媒质是指，当电磁波在媒质中传播时，造成电磁波能量衰减的媒质。

    电磁波在待检测水样中传播时，同污染物产生极化和磁化反应，导致电磁波在传输的过程中产生极化和磁化衰减。描述各种污染物（损耗媒质）的主要参数有电导率o、磁导率μ和相对介电常数ε。由大量的实验测量数据可知，绝大多数物质（磁性体除外）的磁导率μ都近似等于真空中的磁导率μ0。介质在微波场中的极化，表现为电场电流密度的损耗，介质的复介电常数εc以来表示，即：（1）

    其中的实数部分为污染物的介电常数ε，它反映了该污染物的极化特性；虚数部分σ/ω表示媒质的导电情况，σ≠0说明媒质是有耗媒质。污染物质可以吸收部分的微波信号，可用污染物质的介质损耗角的正切值t gδ来描述吸收程度，t gδ越大，介质吸收微波的能力越强。（2）

    经过大量的实验可知，物质吸收微波能的有效程度与波形的频率有关，微波频率不同，对物质的影响程度和吸收程度有所不同。每一种污染物质都能找到一个影响较大的一个频率，即特性频率或敏感频率，在该频率下，微波的损耗最大，物质吸收微波能最有效。一般来说，水中污染物的电导率σ≠0，对电磁波的能量有吸收作用；某种频率的电磁波还可能激发污染分子中的电子跃迁。因此电磁波在污染的水中进行传播时，其场强的振幅将随着传播距离d的增加按指数规律衰减。电磁波能量的一部分被吸收。电导率σ越大，电磁波频率越高，场强衰减越快。

    根据参加极化的微观粒子种类，电介质分子极化可分为电子极化、原子极化、偶极子转向极化和界面极化，其中前两种极化的弛豫时间在10-15～10-16S和10-12～10-13s，而微波交变电场振动一周的时间约为10-9～10-12s。因此微波场不会引起电子极化和原子极化。而偶极子转向极化和界面极化的时间和微波的频率刚好吻合。各种污染物对电磁波具有吸收作用，主要是因为介质在微波中发生取向极化和界面极化，刚好吻合了微波频率的结果。

    2 水污染微波检测系统

    为了对水污染样品进行检测，文章设计一基于微波的水污染检测系统，该系统主要由信号源、功率放大器、小信号放大器、检波器、发射天线、接收天线6个部分组成，系统结构框图如1所示。

    该检测系统的发送和接收天线均采用的是自补型阿基米德平面螺旋天线，该类型天线的工作效率远远高于普通阿基米德平面螺旋天线，天线的频带的宽度达到10个倍频程或以上，完全可以满足微波检测系统的要求。且天线具有收发互易性，发射天线和接收天线两者可以互换。

    输入的微波信号经由功率放大器放大至足够高的功率电平，以满足发射天线或负载单元的要求。功率放大器的一个重要特点就是工作在大信号的非线性状态。功率放大器的主要指标有：频率范围为200-2000MHz；增益为30+1dB，驻波比≤2：1。

    在水污染中，重金属污染主要有铜、铅、锌、硒、汞、镉等几种金属离子。文章主要针对水中的重金属物质进行检测，经过前期大量的实验可知，该微波检测系统对金属离子的吸收较为明显，本实验选取了铅、铜、锌3种离子进行讨论分析，分别选用的化合物类型为硝酸铅、五水硫酸铜和七水硫酸锌。

    3 实验结果及数据分析

    实验初期，为了找出重金属物质的吸收峰，以扫频的方式在200-2000MHz频率范围内测量了五水硫酸铜、七水硫酸锌等物质，找出了吸收峰的大概频段在200～600MHz之间，然后将频段设置在200～600MHz之间进行仔细观察和实验，最终，大量实验测量数据验证了微波检测水污染方法的司行性。

    3.1 实验结果

    在实验的过程中，主要利用网络分析仪进行数据的分析。网络分析仪上可以设置6个不同的MARKER点，通过这些点的设置，读出各个金属离子的敏感频率。经过多次测量，实验选取了10组相对稳定的数据，不同浓度的金属离子的敏感频率如表1所示。

    3.2 实验结果与分析

    实验结果显示，在250～350MHz的频率范围出现了明显的峰值，污染物的种类不同，出现峰值的位置也不尽相同。

    根据表1的实验结果发现，各种金属离子的敏感频率随着金属离子浓度的变化而变化，但是变化幅度不大。铅离子的敏感频率在346～347MHz之间，五水硫酸铜的频率变化范围在276～280MHz之间。七水硫酸锌的变化范围在305～307MHz之间。

    4 结语

    通过初期的实验研究，根据电磁波在媒质中传播时具有固定的谐振吸收频率这一事实，且验证了微波检测水污染这一方法的可行性。融合现有先进的计算机和通信技术，可以使得该检测系统可视化和实时性，使之成为一个稳定、可靠、高效的水污染监测系统。