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申请/专利权人：中国科学院南京地理与湖泊研究所

摘要：本发明公开一种监测水体深度的传感器，包括沉积物微生物燃料电池、信号采集器、电流表和高度调节机构，沉积物微生物燃料的阳极通过导线和外电阻连接阴极形成第一外电路，阳极设置于沉积物内部，信号采集器连接第一外电路，采集电流、电压或电位信号，高度调节机构包括滑动变阻器和高度调节器，高度调节器调节滑动变阻器的滑子，滑子固定连接固定了阴极的阴极固定板，滑动变阻器和电流表串接于第二外电路中。本发明所述装置灵敏度高、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。

主权项：1.一种监测水体深度的传感器，其特征在于，包括沉积物微生物燃料电池、信号采集器、电流表和高度调节机构，所述沉积物微生物燃料电池包括阴极、阳极和外电阻，所述阳极通过导线连接所述阴极，所述外电阻串接于所述导线上形成第一外电路，所述阳极设置于沉积物内部，所述信号采集器连接所述第一外电路，所述信号采集器为电流、电压或电位信号采集器，所述高度调节机构包括滑动变阻器和高度调节器，所述高度调节器连接所述滑动变阻器的滑子，所述滑动变阻器垂直固定于水体内并且所述滑动变阻器的一部分位于水面上，所述滑动变阻器的滑子固定连接有阴极固定板，所述阴极固定板上固定所述阴极，所述高度调节器为充气气囊，所述充气气囊通过气管连接有双向气泵，所述充气气囊设置于所述滑子的下方；所述滑动变阻器串接于第二外电路中，所述第二外电路中串接所述电流表，所述第二外电路中包括直流电源；所述传感器还包括阳极支架，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。

全文数据：一种监测水体深度的传感器及其使用方法技术领域[0001]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装置及其使用方法。背景技术[0002]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。[0003]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[0004]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。[0005]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，包括沉积物微生物燃料电池、信号采集器8、电流表和高度调节机构，所述沉积物微生物燃料电池包括阴极1、阳极2和外电阻5,所述阳极2通过导线6连接所述阴极1，所述外电阻5串接于所述导线6上形成第一外电路，所述阳极2设置于沉积物内部，所述信号采集器8连接所述第一外电路，所述信号采集器8为电流、电压或电位信号采集器，所述高度调节机构包括滑动变阻器1〇和高度调节器7,所述高度调节器7连接所述滑动变阻器10的滑子9,所述滑动变阻器10垂直固定于水体内并且所述滑动变阻器10的一部分位于水面上，所述滑动变阻器10的滑子9固定连接有阴极固定板4,所述阴极固定板上固定所述阴极1，所述滑动变阻器10串接于第二外电路中，所述第二外电路中串接所述电流表，所述第二外电路中包括直流电源。[0006]滑动变阻器的长度根据水体深度设置，使得其总是大于水体深度。[0007]进一步的，所述高度调节器7为充气气囊，所述充气气囊通过气管连接有双向气栗，所述充气气囊设置于所述滑子9的下方。[0008]进一步的，所述滑子9还连接有配重块。[0009]通过对充气气囊的充气，可实现滑子向上移动，当滑子到达水面上方后，通过对充气气囊的放气，使得滑子在自身重力或是配重块重力的作用下向下移动。[0010]进一步的，所述滑动变阻器10为防水滑动变阻器。[0011]进一步的，所述传感器还包括阳极支架3,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。[0012]进一步的，所述阳极或所述阴极为碳毡或石墨板。[0013]进一步的，所述碳毡厚度为〇_5cm。[0014]进一步的，所述阳极支架的材料为硬度为60〜90的塑性材料。[0015]优选的，所述阳极支架的材料为聚氯乙烯。[0016]进一步的，所述的外电阻5为100Q。[0017]进一步的，所述阴极固定板4的材质为塑料或者玻璃钢。[0018]进一步的，所述信号采集器8与所述电流表为一体式双通道电流和电压表。[0019]进一步的，所述信号采集器8连接计算机，由计算机分析、转换数据。[0020]进一步的，所述水体为江河、湖海或水库。[0021]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，使得所述阳极置于水体沉积物中；2记录所述滑子9位于不同位置时的电流信号，并绘制电流-深度曲线；3通过所述高度调节器7调节所述滑子9的高度，使得所述滑子9自下向上沿所述滑动变阻器运动，当滑子高于水面后，通过所述高度调节器7调节，使得滑子再自上向下运动，在此过程中，所述信号采集器8监测所述沉积物微生物燃料电池的信号;信号由〇增加或降低至0时所对应的电流表读数在所述电流-深度曲线中的对应深度，即为水体深度。[0022]优选的，高度调节器7由电脑程序控制周期性的不断上下往返运动，即可实现对水体深度的实时监测。[0023]本发明利用微生物燃料电池的信号对阴极是否置于水面反应灵敏这一特性，即一旦阴极离开水面，接受不到质子，电压迅速降为零。本发明据此，根据沉积物微生物燃料电池系统产生的电压信号实现的水体深度的监测。[0024]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。[0025]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，当阴极到达水面之上，接收不到电子，电流或电压信号即消失，可通过该突变点的位置反映水体深度，从而实现对水体深度的监测；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[0026]图1为本发明所述传感器的结构示意图。[0027]图2为本发明实施例1所测得的沉积物微生物燃料电池在滑子运动一个周期内的电压响应图。[0028]图3为本发明实施例1所测得的电流-深度标准曲线。[0029]其中，1是阴极，2是阳极，3是阳极支架，4是阴极固定板，5是外电阻，6是导线，7是高度调节器，8是信号采集器，9是滑子，1〇是滑动变阻器。具体实施方式[0030]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。[0031]实施例1如图1所示的一种监测水体深度的传感器，包括沉积物微生物燃料电池、信号采集器8、电流表未在图中画出）和高度调节机构，所述沉积物微生物燃料电池包括阴极1、阳极2和外电阻5,所述阳极2通过导线6连接所述阴极1，所述外电阻5串接于所述导线6上形成第一外电路，所述阳极2设置于沉积物内部，所述信号采集器8连接所述第一外电路，所述信号采集器8为电压信号采集器，所述高度调节机构包括滑动变阻器10和高度调节器7,所述高度调节器7连接所述滑动变阻器10的滑子9,所述滑动变阻器10垂直固定于水体内并且所述滑动变阻器10的一部分位于水面上，所述滑动变阻器10的滑子9固定连接有阴极固定板4,所述阴极固定板上固定所述阴极1，所述滑动变阻器10串接于第二外电路中，所述第二外电路中串接所述电流表未在图中画出），所述第二外电路中包括直流电源未在图中画出）。[0032]滑动变阻器的长度根据水体深度设置，使得其总是大于水体深度。[0033]所述高度调节器7为充气气囊，所述充气气囊通过气管连接有双向气泵未在图中画出），所述充气气囊设置于所述滑子9的下方。[0034]所述滑子9还连接有配重块未在图中画出）。[0035]所述滑动变阻器10为防水滑动变阻器。[0036]所述传感器还包括阳极支架3,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。[0037]所述阳极支架的底端为斜面，方便插入沉积物中。[0038]所述阳极或所述阴极为碳毡或石墨板。[0039]所述碳毡厚度为0•5cm。[0040]所述阳极支架的材料为硬度为60〜90的塑性材料。[0041]所述阳极支架的材料为聚氯乙烯。[0042]所述的外电阻5为100Q。[0043]所述阴极固定板4的材质为塑料或者玻璃钢。[0044]所述信号采集器8与所述电流表为一体式双通道电流和电压表。[0045]所述信号采集器8连接计算机未在图中画出），由计算机分析、转换数据。[0046]所述水体为江河、湖海或水库。[0047]取1500g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。[0048]设置上述传感器，使得阳极置于沉积物中。记录所述滑子9位于不同位置时的电流信号，并绘制电流-深度曲线（图3;通过对充气气囊的充气和放气，使得滑子向上浮动和向下沉，从而实现滑子的上下移动。采用计算机控制气栗，实现滑子周期性地往复运动。[0049]由计算机记录信号采集器所测得的电压由0增加或降低至0时所对应的电流表读数，并根据所绘制的电流-深度曲线，反馈水体深度。图2显示的是滑子往复运动一个周期时沉积物微生物燃料电池的电压响应图。[0050]加水以改变水体深度为如⑽⑽’^该装置都能很快作出响应。

权利要求：1.一种监测水体深度的传感器，其特征在于，包括沉积物微生物燃料电池、信号采集器、电流表和高度调节机构，所述沉积物微生物燃料电池包括阴极、阳极和外电阻，所述阳极通过导线连接所述阴极，所述外电阻串接于所述导线上形成第一外电路，所述阳极设置于沉积物内部，所述信号采集器连接所述第一外电路，所述信号采集器为电流、电压或电位信号采集器，所述高度调节机构包括滑动变阻器和高度调节器，所述高度调节器连接所述滑动变阻器的滑子，所述滑动变阻器垂直固定于水体内并且所述滑动变阻器的一部分位于水面上，所述滑动变阻器的滑子固定连接有阴极固定板，所述阴极固定板上固定所述阴极，所述滑动变阻器串接于第二外电路中，所述第二外电路中串接所述电流表，所述第二外电路中包括直流电源。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述高度调节器为充气气囊，所述充气气囊通过气管连接有双向气泵，所述充气气囊设置于所述滑子的下方。3.根据权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述滑子还连接有配重块。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述滑动变阻器为防水滑动变阻器。5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括阳极支架，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。6.根据权利要求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。7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述碳毡厚度为〇•5cm。8.根据权利要求5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。9.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8与所述电流表为一体式双通道电流和电压表。10.—种采用权利要求1_9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，使得所述阳极置于水体沉积物中；2记录所述滑子9位于不同位置时的电流信号，并绘制电流-深度曲线；3通过所述高度调节器7调节所述滑子9的高度，使得所述滑子9自下向上沿所述滑动变阻器运动，当滑子高于水面后，通过所述高度调节器7调节，使得滑子再自上向下运动，在此过程中，所述信号采集器8监测所述沉积物微生物燃料电池的信号；信号由0增加或降低至0时所对应的电流表读数在所述电流-深度曲线中的对应深度，即为水体深度。

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