一种地震前兆观测用氯离子在线监测装置
阅读说明：本技术 一种地震前兆观测用氯离子在线监测装置 (Chloride ion online monitoring device for earthquake precursor observation ) 是由 何镧 徐红梅 黄雷 刘佳琪 王成宇 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明属于地震监测技术领域,具体涉及一种地震前兆观测用氯离子在线监测装置,包括基架和安装于基架的控制柜、驱动机构,还包括氯离子传感器和中央控制器,中央控制器安装于控制柜内,中央控制器与驱动机构、氯离子传感器通信连接；驱动机构用于驱动氯离子传感器作升降运动；当氯离子传感器下降至地下水中,以监测地下水中的氯离子浓度。本发明通过驱动机构定时驱动氯离子传感器下降至地下水中,实现地下水氯离子的定时测量,避免氯离子传感器长期浸泡在温度过高的地下水中,进一步延长了氯离子传感器的使用寿命；实现在线无损采样,不受人工和管路采样的影响,达到实时监测的目的。(The invention belongs to the technical field of earthquake monitoring, and particularly relates to an online chloride ion monitoring device for earthquake precursor observation, which comprises a base frame, a control cabinet and a driving mechanism, wherein the control cabinet and the driving mechanism are arranged on the base frame; the driving mechanism is used for driving the chloride ion sensor to do lifting motion; when the chloride ion sensor is lowered into the groundwater, the chloride ion concentration in the groundwater is monitored. The chlorine ion sensor is driven by the driving mechanism to descend into the underground water at regular time, so that the chlorine ion of the underground water is measured at regular time, the chlorine ion sensor is prevented from being soaked in the underground water with overhigh temperature for a long time, and the service life of the chlorine ion sensor is further prolonged; the online lossless sampling is realized, the influence of manpower and pipeline sampling is avoided, and the purpose of real-time monitoring is achieved.)
技术领域
本发明属于地震监测技术领域，具体涉及一种地震前兆观测用氯离子在线监测装置。
背景技术
地震是地壳内部突发事件引起的大地震动，地球内部岩石的孔隙或晶体缺陷充满流体，深部流体在地震孕育过程中起着重要作用，因此，通过对地下流体进行监测可以有效地实现地震预测，及时警报地震信息，给予群众更多的时间避难，从而降低地震带来的负面影响。
地下流体主要是流动于地壳层孔隙的水、气、油等物质，而氯离子是地下水中分布最广的离子，几乎存在于所有的地下水中。监测地下水中氯离子的动态变化有助于地震前兆监测预报。
目前，地下水氯离子检测主要采用人工采样或者经过较长管路运输才可以将待测样品送至检测池中测量。人工采样不连续，受人工经验影响比较大；长距离管路运输易受管路吸附、管路污染影响，使得所检测的样品已经不是原来的量或者成分，不能客观完整地反映地下水中氯离子实时动态变化，从而影响地震前兆预报的准确性。
传统氯离子在线监测仪的传感器都长期浸泡在地下水中进行测量，而温泉监测点地下水温度通常比较高，这种传统的在线氯离子传感器的寿命也受到挑战。另外，地震前兆监测点大多处于偏远地区，无市电供应，也给氯离子在线监测带来了一定的困难。
因此，本领域亟需开发一种在线无损采样、耐高温、低功耗的氯离子在线监测装置。
发明内容
基于现有技术中存在的上述缺点和不足，本发明的目的之一是至少解决现有技术中存在的上述问题之一或多个，换言之，本发明的目的之一是提供满足前述需求之一或多个的一种地震前兆观测用氯离子在线监测装置。
为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种地震前兆观测用氯离子在线监测装置，包括基架和安装于基架的控制柜、驱动机构，还包括氯离子传感器和中央控制器，中央控制器安装于控制柜内，中央控制器与驱动机构、氯离子传感器通信连接；驱动机构用于驱动氯离子传感器作升降运动；当氯离子传感器下降至地下水中，以监测地下水中的氯离子浓度。
作为优选方案，所述驱动机构包括伸缩支架、滑轮、线缆盘和通信线缆，伸缩支架沿伸缩方向的两端分别安装滑轮和线缆盘，线缆盘包括盘体和安装于盘体的步进电机和卷轴，盘体固定安装于伸缩支架，卷轴转动配合于盘体，步进电机用于驱动卷轴转动，步进电机与中央控制器通信连接；通信线缆的一端卷绕于卷轴并与中央控制器连接，另一端绕过滑轮以与氯离子传感器连接。
作为优选方案，所述步进电机的脉冲数字信号由定时器中断方式控制输入。
作为优选方案，所述伸缩支架为空心结构，通信线缆沿伸缩支架的内部走线。
作为优选方案，所述地震前兆观测用氯离子在线监测装置，还包括测距传感器，用于测量氯离子传感器至地下水面的距离；测距传感器与中央控制器通信连接。
作为优选方案，所述地震前兆观测用氯离子在线监测装置，还包括无线通讯模块，与中央控制器通信连接，用于无线传输氯离子在线监测信息。
作为优选方案，所述地震前兆观测用氯离子在线监测装置，还包括供电模块，用于对各用电部件进行供电。
作为优选方案，所述供电模块包括太阳能光伏板、太阳能控制器，太阳能光伏板通过光伏支架安装在基架的顶部，太阳能控制器安装于控制柜，太阳能光伏板与太阳能控制器通信连接，太阳能控制器与中央控制器通信连接。
作为优选方案，所述供电模块还包括锂电池，锂电池安装于控制柜；太阳能光伏板与锂电池电连接，锂电池与中央控制器电连接。
作为优选方案，所述氯离子传感器包括绝缘基底和设于绝缘基底上的工作电极、参比电极和辅助电极。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
(1)
本发明通过驱动机构定时驱动氯离子传感器下降至地下水中，实现地下水氯离子的定时测量，避免氯离子传感器长期浸泡在温度过高的地下水中，进一步延长了氯离子传感器的使用寿命；实现在线无损采样，不受人工和管路采样的影响，达到实时监测的目的。
(2)本发明可通过太阳能或风能等新能源供电，解决了地震前兆监测点大多处于偏远地区，无市电供应的难题。
(3)本发明具有无线数据传输功能，可远程实时查询监测结果，适用于地震前兆野外无人值守连续观测。
附图说明
图1是本发明实施例1的地震前兆观测用氯离子在线监测装置的结构示意图；
图2是本发明实施例1的地震前兆观测用氯离子在线监测装置的通信构架图；
图3是本发明实施例1的氯离子传感器的结构示意图；
图4是本发明实施例1的工作电极的剖面图；
图5是本发明实施例1的工作电极的结构爆炸图；
图6是本发明实施例1的参比电极的剖面图；
图7是本发明实施例1的辅助电极的剖面图；
图8是本发明实施例1的掩膜版的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
实施例1：
如图1和2所示，本实施例的地震前兆观测用氯离子在线监测装置，包括基架、控制柜100、驱动机构、中央控制器200、氯离子传感器300、测距传感器400、无线通讯模块和供电模块。
具体地，基架包括立杆a、杆座b和基座c，立杆a选用直径40～80mm的镀锌杆，杆座b通过螺母固定在基座c上，螺母表面用水泥涂覆，防止螺母被腐蚀。其中，立杆a为空心结构，方便包裹线缆，使线缆不外露。
控制柜100安装在立杆a的上部，用于安装电气部件。
中央控制器200安装在控制柜100内，中央控制器200与驱动机构、氯离子传感器300通信连接；驱动机构用于驱动氯离子传感器作升降运动；当氯离子传感器下降至地下水中，以监测地下水中的氯离子浓度。
具体地，驱动机构包括伸缩支架50、滑轮60、线缆盘70和通信线缆80，伸缩支架固定安装在立杆a的中部，且伸缩支架50横向延伸，可沿横向伸缩调整伸缩支架50的长度，具体地下水与立杆的距离调节伸缩支架的长度。其中，伸缩支架50采用空心铝合金管，内部便于通信线缆80的走线。
伸缩支架50沿伸缩方向的左、右两端分别安装线缆盘70和滑轮60，线缆盘70包括盘体和安装于盘体的步进电机9和卷轴，盘体固定安装在伸缩支架上，卷轴转动配合于盘体，步进电机9用于驱动卷轴转动，步进电机9与中央控制器1通过线缆通信连接；通信线缆80的一端卷绕于卷轴并与中央控制器1连接，另一端绕过滑轮60以与氯离子传感器300连接。其中，盘体具有通信线缆出口，以便通信线缆进入到控制柜100中。其中，步进电机的脉冲数字信号由定时器中断方式控制输入，从而定时驱动步进电机运动，实现每隔10min～2h将氯离子传感器300垂直下放到地下水中进行氯离子浓度的测量，实现自主实时监测。
本实施例的通信线缆80采用带钢丝绳PVC线缆，通信稳定性高，且强度高。
本实施例的测距传感器400用于测量氯离子传感器至地下水面的距离；测距传感器与中央控制器通信连接。具体地，测距传感器400安装在氯离子传感器300的顶端外部，测量氯离子传感器到地下水面的距离，并将测量信号传输至中央控制器。
本实施例的无线通讯模块与中央控制器通信连接，用于无线传输氯离子在线监测信息。具体地，无线通讯模块安装在控制柜内，其天线10安装在控制柜100的顶端，用于将氯离子传感器监测的氯离子浓度传输至互联网云端，实现数据的云存储以及云查询。
本实施例的供电模块，用于对各用电部件进行供电。具体地，供电模块包括太阳能光伏板11、太阳能控制器12和锂电池13，太阳能光伏板11通过光伏支架安装在立柱a的顶部，太阳能控制器12和锂电池13安装在控制柜内，太阳能光伏板11通过线缆与太阳能控制器12、锂电池13连接，太阳能控制器12、锂电池13与中央控制器200通过线缆连接。各线缆连接电路采用防雷电路，能够在最短的时间内将电路上因累积而产生的大量能力释放到大地上，从而避免各电气部件因电流过大而烧毁。
本实施例采用太阳能光伏板11和锂电池13双电源对装置供电，白天太阳能光伏板对装置供电的同时对锂电池进行充电，夜间或者阴天则使用锂电池对装置供电。
中央控制器及太阳能控制器采用MSP430这一低功耗的微处理器，整个装置可在没有太阳能光伏板供电的情况下，长时间使用锂电池供电，确保装置能够正常运行，实现对地下水中氯离子浓度进行全天实时监测。
如图3-7所示，本实施例的氯离子传感器，包括绝缘基底7和位于绝缘基底7上的参比电极1、工作电极2、辅助电极3以及各电极对应的电极焊点5，工作电极2位于参比电极1与辅助电极3之间。
本实施例的绝缘基底7为刚性硅片，即绝缘硅基底。
其中，工作电极2、参比电极1和辅助电极3分别通过电极导线4与各自对应的电极焊点5连接，各电极导线相互独立且其上覆盖有绝缘层6；具体地，将硅橡胶涂敷于电极导线表面作为绝缘层6，以保护电极导线。
各电极焊点5用于连接外部控制电路，以输出电极变化信号。
本实施例的工作电极2包括依次叠设于绝缘基底7之上的第一导电层2-1和反应层2-2。具体地，第一导电层2-1为叉指电极，通过光刻工艺制备而成，叉指电极阵列图形包含一对疏形微电极，每个疏形微电极均有3～10个手指，两个疏形微电极上的数十个手指交叉排列，形成叉指电极；其中，手指长3～8mm，宽5μm，且相邻手指间的间距为5μm，微间距的叉指条，可以起到放大检测信号的作用，进一步提高传感器检测灵敏度和精度的目的。采用电子束蒸发真空镀膜在绝缘基底上蒸镀的导电Cu膜，膜厚为50nm～1μm；
反应层2-2包括依次叠设于第一导电层2-1之上的导电纳米纤维膜层2-2A、Ag薄膜层2-2B和AgCl薄膜层2-2C。具体地，反应层采用静电纺丝法在第一导电层上制得一层导电纳米纤维薄膜，再在导电纳米纤维上先后沉积一层金属Ag层和AgCl层。由于导电纳米纤维具有孔隙率高、比表面积大、结构均一的特点，能够提高对待测物质的承载量，从而大大增加传感器的电化学活性点位，实现纳米纤维对电信号的加速传递和放大，使得传感器对氯离子检测的灵敏度提高、检测时间缩短，提高了传感器性能。
其中，导电纳米纤维膜层2-2A采用聚偏氟乙烯聚合物作为纺丝前驱体，并加入导电活性材料、偶联剂经静电纺丝制成。
聚偏氟乙烯聚合物具有耐腐蚀、耐高温、耐氧化、耐紫外线等优良的化学稳定性，进而提高了氯离子传感器的化学稳定性，延长了氯离子传感器寿命。
导电活性材料包括掺杂金属纳米颗粒、富勒烯、石墨烯、碳纳米管中的一种或多种。导电活性材料的添加，用于提高材料传递电子的性能。以纳米纤维中掺杂碳纳米管为例进行说明，碳纳米管具有优良的力学性能、高的机械强度、高的导电性、高的电化学稳定性等优点，提高了氯离子反应层产生的有效电信号。此外，碳纳米管化学稳定性好，有利于减少待测溶液中复杂成分造成的信号波动，减少无关物质的干扰，提高氯离子检测的重复性和稳定性。
偶联剂可以是氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)，缩水甘油迷氧基丙基三甲氧基硅烷(KH560)，甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷(KH570)，乙烯基三乙氧基硅烷(A151)，乙烯基三乙氧基硅烷(A171)，巯丙基三甲(乙)氧基硅烷(KH580、KH590)，乙二胺丙基三乙氧基硅烷(KH792)，乙二胺丙基甲基二甲氧基硅烷(KBM602)等其中的一种或者多种混合物。偶联剂的添加，增加纤维薄膜与电极之间的结合力，防止膜的脱落，同时提升传感器的使用寿命。
导电纳米纤维膜层的膜厚为100nm～5μm，Ag薄膜层的膜厚为200nm～5μm，AgCl薄膜层的膜厚为500nm～10μm。
本实施例的参比电极1包括依次叠设于绝缘基底7之上的第二导电层1-1、Ag薄膜层1-2、AgCl薄膜层1-3和水凝胶层1-4，第二导电层1-1为采用电子束蒸发真空镀膜在绝缘基底上蒸镀的导电Cu膜，膜厚为50nm～1μm；Ag薄膜层1-2的膜厚为200nm～5μm；AgCl薄膜层1-3的膜厚为500nm～10μm；水凝胶层1-4的厚度为0.5～1μm。具体地，参比电极是在绝缘基底上沉积导电Cu膜，然后在导电Cu膜上沉积一层Ag薄膜，接着在Ag薄膜层上再沉积AgCl薄膜层，最后AgCl薄膜层上再涂覆一层水凝胶。
其中，水凝胶层包括以下组分：甲基丙烯酸2-羟乙酯、聚乙烯吡咯烷酮、2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、乙二醇二甲基丙烯酸酯和氯化钾，各组分的重量份之比为10：1：0.4：0.05：2.75。
本实施例的辅助电极3包括依次叠设于绝缘基底7之上的第三导电层3-1和Pt薄膜层3-2，第三导电层3-1为采用电子束蒸发真空镀膜在绝缘基底7上蒸镀的导电Cu膜，膜厚为50nm～1μm；Pt薄膜层的膜厚为200nm～10μm。具体地，辅助电极是在绝缘基底上沉积导电Cu膜，然后在导电Cu膜上沉积一层稳定的Pt薄膜。
本实施例的氯离子传感器的制备流程如下：
(1)将绝缘硅基底放入超声清洗机中，依次用双氧水、丙酮、无水乙醇清洗后干燥。在真空设备中，绝缘硅基底加热300℃，真空度达到10-5Pa以上，在绝缘硅基底上蒸镀50nm～1μm的Cu薄膜，再根据设计好的掩膜版(如图8所示)，在光刻机中对Cu薄膜进行光刻，得到各个导电层。
其中，工作电极的叉指电极阵列图形包含一对疏形微电极，每个疏形微电极均有3～10个手指，两个疏形微电极上的3～10个手指交叉排列，形成叉指电极；手指长3～8mm，宽5μm，且相邻手指间的间距为5μm。
(2)采用静电纺丝法在叉指电极上制备一层导电纳米纤维：称取2g聚偏氟乙烯溶解于25mL丙酮中，搅拌溶解，然后加入0.3g碳纳米管、0.1g氨丙基三乙氧基硅烷(KH550)搅拌得到均匀稳定的聚乙烯醇电纺前驱体溶液；向注射器内注入适量前驱体溶液，用不锈钢针头做纺丝喷头，设置静电高压直流18KV～25KV，以1mL/h～2.5mL/h的速度推进前驱体溶液，纺丝时间设置为5～25s。聚乙烯醇电纺前驱体溶液在电场作用下，在叉指电极上形成一层100nm～5μm高比表面、高孔隙率的导电复合纤维薄膜。
(3)将纤维薄膜基底再次放入真空镀膜室中进行二次电子束蒸发真空镀膜，在参比电极、工作电极的薄膜纤维分别先蒸镀上一层Ag薄膜，镀层厚度在200nm～5μm；再蒸镀上一层AgCl薄膜，镀层厚度在500nm～10μm；在辅助电极上蒸镀一层Pt薄膜，镀层厚度在200nm～10μm；镀膜方式同蒸镀Cu薄膜。
(4)参比电极外表面再涂覆一层水凝胶。水凝胶由甲基丙烯酸2-羟乙酯：聚乙烯吡咯烷酮：2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮(DMPAP)：乙二醇二甲基丙烯酸酯和氯化钾按照10：1：0.4：0.05：2.75的质量比例进行配置涂覆。
(5)将硅橡胶涂敷于电极导线表面作为绝缘层，以防止保护电极导线。
本实施例的氯离子传感器的工作电极为Ag/AgCl氯离子选择性电极，待测溶液中氯离子和氯化银形成一个动态平衡，当溶液中氯离子浓度发生变化时，Ag/AgCl电极电位也随之改变；而参比电极电位在待测溶液中是稳定不变的，结合能斯特方程，即可得出氯离子浓度；辅助电极与工作电极形成回路，保持电流的畅通稳定，以保证所有反应在工作电极上发生，使测量更准确。
本实施例的地震前兆观测用氯离子在线监测装置的工作流程如下：
通过定时器中断方式控制脉冲数字信号的输入，定时驱动步进电机控制卷轴正反转，实现氯离子浓度的定时测量；
当需要测量时，步进电机控制卷轴正转，使氯离子传感器下降至水下10cm处，启动氯离子传感器检测，测得地下水中氯离子浓度；浓度结果通过通信线缆传输至中央控制器，经过中央控制器转化由无线通讯模块传输至云端，实现云存储以及云查询；
当测量完成之后，步进电机控制卷轴反转，使氯离子传感器上升至距离水面0.5米高度，等待下一次测量；
当地下水位上升时，测距传感器测得氯离子传感器到水面距离小于一定距离时，信号传输到中央控制器中，由中央控制器发出信号使步进电机反转使氯离子传感器上升至距离水面一定距离，避免氯离子传感器长期非工作状态浸泡在水里，延长使用寿命。
实施例2：
本实施例的地震前兆观测用氯离子在线监测装置与实施例1的不同之处在于：
采用锂电池供电或太阳能或风能供电，即采用单一供电方式，满足不同应用的需求；
其他结构可以参考实施例1。
以上所述仅是对本发明的优选实施例及原理进行了详细说明，对本领域的普通技术人员而言，依据本发明提供的思想，在具体实施方式上会有改变之处，而这些改变也应视为本发明的保护范围。