pH 值量測的是溶液中氫離子的活性。目前最主流的工業量測方式是「玻璃電極法」。 

一套完整的 pH 量測系統通常包含：

• 玻璃電極（指示電極）： 頂端有一層對氫離子敏感的薄膜（pH 敏感玻璃）。

• 參比電極（Reference Electrode）： 提供一個恆定且穩定的電位作為基準，通常使用銀/氯化銀。

• 溫度補償元件： 因為電位輸出受溫度影響極大，需進行補償。

當玻璃電極浸入溶液時，玻璃薄膜內外會因氫離子濃度差產生電位差。這個電位差與 pH 值的關係遵循 能斯特方程式 

ORP (Oxidation-Reduction Potential) 量測的是溶液中電子得失的傾向。它不區分具體的化學物質，而是反映溶液整體的「氧化」或「還原」能力。 

核心構造

與 pH 電極不同，ORP 電極的感應端不是玻璃膜，而是惰性金屬（通常為鉑金 Pt 或黃金 Au）。

• 鉑金電極： 負責傳遞溶液中的電子，本身不參與化學反應。

• 參比電極： 同樣需要一個穩定的基準電位。

導電度（Electrical Conductivity）感測的核心原理是衡量液體傳導電流的能力。這通常與水中溶解的離子（如鹽類、酸、鹼）濃度成正比。 

目前工業與實驗室中最常見的感測原理分為電極式(接觸式)與感應式(電感式/無電極式)兩大類 

電極式導電度感測 (Contacting Conductivity)

這是最傳統的方法，利用兩個或多個精密加工的電極（通常是石墨、不鏽鋼或鈦）浸入液體中。

運作方式：
感測器會在兩極之間施加一個低壓交流電（AC）。液體中的離子會向極性相反的電極移動，形成電流。

計算公式：
根據歐姆定律，導電度與電阻成反比。計算時會考慮電極常數

感應式導電度感測 (Inductive / Toroidal Conductivity)

這種方法又稱為「環形感應式」或「無電極式」，感測器內部包覆在耐腐蝕的塑膠（如 PFA、PEEK）外殼中，不與液體直接接觸。

運作方式： 感測器內有兩個線圈：發射線圈與接收線圈。

發射線圈產生交變磁場，在周圍的導電液體中感應出微弱的電流。

這個液體電流的大小取決於液體的導電率。

接收線圈感應到這個液體電流產生的二次磁場，並將其轉換為電訊號。

餘氯與臭氧的感測原理非常相似，因為兩者皆為強氧化劑。目前工業與實驗室最主流的感測方式可分為電化學法與光學法。 

電化學法感測原理:

電極構造：感測器包含一個黃金（或鉑）製成的工作電極（陰極）與一個銀/氯化銀製成的對電極（陽極），中間充滿電解液並由一層選擇性半透膜與水樣隔開。

化學反應：餘氯或臭氧透過半透膜擴散至電極表面。

電流換算：電極間會產生與氧化劑濃度成正比的微弱電流。控制器測量此電流，經溫度補償後計算出濃度值。 

光學法(DPD 比色法)感測原理:

顯色反應：在水樣中加入 DPD（二乙基對苯二胺） 試劑。

化學變化：餘氯或臭氧會將 DPD 氧化，使水樣由無色變為粉紅色（或紅色）。氧化劑濃度越高，顏色越深。

吸光度測量：感測器發射特定波長（通常約 515nm - 555nm）的光穿過水樣。

Beer-Lambert 定律：根據光被吸收的程度，計算出精確的化學濃度。

水中離子選擇量測（Ion Selective Measurement）主要依賴於離子選擇性電極（Ion Selective Electrode, ISE）。這種感測器的核心在於其特殊的選擇性膜（Selective Membrane），能從複雜的溶液中「認出」特定的離子。 ISE 的核心是一個半透膜，這層膜只允許特定的離子與其產生作用。當電極浸入待測溶液時，膜內外的目標離子濃度不同，離子會試圖穿過膜或與膜表面的活性物質交換，從而在膜的兩側產生電位差。

常見的膜類型包括：

玻璃膜： 最常見於 pH 計（氫離子選擇性）。

固態膜： 使用單晶（如氟化鑭用於測量氟離子）。

液態離子交換膜： 將有機離子交換劑溶解在聚合物（如 PVC）中，常用於鈣離子或硝酸根。

雙電極系統

單個離子電極無法獨立運作，必須搭配一個參考電極（Reference Electrode）。

• 離子電極（工作電極）： 電位隨目標離子濃度變化。

• 參考電極： 提供一個恆定不變的電位作為基準。

• 量測設備： 計算兩者之間的電位差，再換算成濃度。

濁度與懸浮固體物是兩個經常被提及但原理略有不同的指標。簡單來說，濁度看的是光學反應，而 SS 看的是物質質量。 

濁度是指水中懸浮顆粒（如泥沙、浮游生物、有機物）阻礙光線透過的程度。感測器主要利用光散射原理來測量。 

原理：光源(通常為 860nm的紅外光，以減少色度干擾)射入水中，遇到懸浮微粒時會產生散射。

90度散射(Nephelometry):在與入射光成 90 度的方向設置接收器。當顆粒越多，散射到該角度的光就越強。

SS 的濃度通常比濁度高得多，光線極易被阻斷，因此常採用紅外多光束技術。

原理：利用一組或多組紅外光源與接收器（包含透射與散射接收器）。

補償機制：感測器會計算「散射光 / 透射光」的比值。這樣可以抵消掉光源老化、感測器鏡頭髒污（生物膜附著）所產生的誤差。

水中溶解氧（Dissolved Oxygen, DO）的量測在水處理、養殖業及環境監測中至關重要。目前主流的感測原理主要分為電化學分析法與光學螢光法兩大類。 

膜式電化學感測器(極譜式)原理:

這類感測器由陰極、陽極和電解液組成，外部覆蓋一層具有選擇性的「透氣薄膜」。

滲透：水中的氧分子穿過薄膜進入電解液。

還原反應：氧在陰極被還原，產生電子流動。

電流正比：產生的電流強度與穿過膜的氧分壓（濃度）成正比。

光學螢光法感測器 (螢光猝滅法)原理:

感測器前端有一層塗有螢光物質的物質（通常是釕化合物或卟啉）。

激發：感測器發出藍光照射螢光物質，使其進入激發態並發出紅光（螢光）。

猝滅：當水中的氧分子與螢光物質接觸時，會帶走能量，導致螢光強度減弱且持續時間（壽命）縮短。

換算：氧濃度越高，螢光消失得越快。感測器藉由量測螢光的壽命 (Lifetime) 或強度來計算氧含量。

光學式感測器（主要利用 UV254 紫外光吸收法）已成為主流。這項技術的核心在於：許多有機汙染物(特別是含有共軛雙鍵或苯環的成分)會吸收波長254奈米的紫外光。 

UV254量測原理:

SAC (Spectral Absorption Coefficient, 光譜吸收係數)：這是光學法直接測得的物理量。根據 Beer-Lambert Law (比爾-朗伯定律)，吸光度與物質濃度成正比。

SAC 與 TOC/COD/BOD 的關聯轉換

光學感測器本身並不是直接「數」出 COD 或 BOD 的分子，而是透過 相關性係數 (Correlation) 將測得的 SAC 值轉換為傳統化學指標。

COD (化學需氧量) & TOC (總有機碳)

• 原理： 水中的溶解性有機物（如腐植酸、木質素、芳香族化合物）與 COD/TOC 濃度通常有高度線性相關。

• 應用： 儀器內建轉換公式。由於不同水廠的水質成分不同，通常需要針對特定現場進行「實驗室比對」校準，以修正轉換係數。

BOD (生化需氧量)

• 原理： BOD 測量的是微生物可降解的有機物。光學法測量 BOD 的難度最高，因為它依賴於「可生化降解部分」與「吸收紫外光部分」之間的比例恆定。

• 限制： 如果水質成分穩定，光學法是很好的趨勢參考；但若水質成分劇烈波動，光學法推算的 BOD 誤差會比 COD/TOC 更大。

水中色度的測量在水質分析中至關重要，尤其是針對飲用水、工業廢水或環境水體的監測。色度（Color）主要反映了水中溶解性物質（如腐殖質、有機物或金屬離子）對光的吸收特性。 

光電比色法 (Photoelectric Calorimetry)

這是最常見的自動監測原理。其核心邏輯是根據 比耳－蘭伯特定律 (Beer-Lambert Law)，運作方式：

感測器發出特定波長的光（通常在藍綠光波段，約 455nm 至 465nm）。

光束穿過樣品水槽。

受光器（光電二極體）接收穿透後的光強。

計算光強的衰減程度，並將其轉換為色度單位（如 Hazen, Pt-Co 或 PCU）。

雙波長補償法 (Dual-Wavelength Method)

在實際水樣中，懸浮顆粒會散射光線，導致測得的色度偏高。為了消除干擾，高性能感測器會使用雙波長技術

主測量波長： 約 455nm（對顏色敏感）。

參比波長： 約 700nm - 850nm（近紅外光，對顏色不敏感，但會受濁度影響）。

邏輯： 系統將兩個波長的信號進行對比運算，扣除掉因顆粒物散射引起的衰減，從而獲得純粹的「真色（True Color）」。

光學式硝酸鹽氮（Nitrate Nitrogen)分析儀是目前水質監測中非常高效且環保的工具。 其核心原理主要基於 紫外光吸收光譜法 (UV Absorption Method)。 

硝酸根離子在紫外光區具有特徵吸收。根據 比爾-朗伯定律 (Beer-Lambert Law)。

當紫外光通過含有硝酸鹽的水體時，硝酸根會吸收特定波長的光能。透過測量光強度的衰減程度，就能計算出水中的硝酸鹽濃度。 通常使用兩個特定的波長來確保數據的準確性：

測量波長（約 210 nm - 220 nm）： 這是硝酸根離子的強吸收帶。在此波段，光線被吸收的量與硝酸鹽濃度成正比。

參考波長（約 275 nm）： 硝酸根在此波段幾乎不吸收，但水中的懸浮固體（濁度）或溶解性有機物會在此波段產生干擾。

系統組成結構

一個典型的光學式感測器通常包含以下組件：

光源： 多使用長壽命的脈衝氙燈（Xenon Flash Lamp）或深紫外 LED（UVC-LED）。

光路系統： 定義光線穿過水樣的距離（光程）。針對不同濃度範圍，光程可能從 1mm 到 10mm 不等。

偵測器： 光電二極體（Photodiode），負責接收穿透光並將其轉換為電信號。

光學式藍綠藻（Cyanobacteria）與葉綠素（Chlorophyll）的量測，主要並非依靠一般的「透光度」，而是利用特定波長的能量激發所產生的「螢光反應」（Fluorescence）。這種方法具有極高的靈敏度，且能夠在不破壞細胞的情況下進行即時監測。 

物理原理：螢光激發

植物與藻類體內含有特定的光合色素，這些色素在吸收特定短波長的光能後，電子會躍遷至激發態；當電子回到基態時，會釋放出能量較低、波長較長的螢光。葉綠素 a (Chlorophyll a)： 普遍存在於所有藻類。

藍綠藻蛋白 (Phycocyanin/Phycoerythrin)： 藍綠藻特有的輔助色素。

光路系統設計

激發光源 (Excitation Light):使用特定波長的 LED 作為光源 

濾光片與光學配置:為了防止激發光源直接干擾接收器，感測器會設計成 90度垂直光路（類似於濁度計的設計）。 

螢光接收器 (Detector):接收釋放出的長波長紅光，並將光訊號轉化為電訊號。 

光學式水中油（Oil-in-Water, OiW）分析儀是工業與環境監測中主流的檢測技術。由於「油」並非單一化學物質，而是多種烴類化合物的混合物，光學檢測主要依賴兩種物理現象：紫外螢光法與紅外散射/吸收法

紫外螢光法—目前的主流這是目前公認最靈敏且精確的方法，特別針對含有多環芳香烴 (PAHs) 的油品（如原油、燃油、潤滑油）。

運作原理：

激發：儀器發射特定波長的紫外光照射水樣。

能量轉換：油分子中的芳香烴吸收能量後，電子躍遷到高能級。

螢光釋放：電子回到基態時，會釋放出波長較長的螢光。

線性關係： 在一定濃度範圍內，螢光的強度與水中的油含量成正比。

散射與透射法這種方法主要基於油滴在水中形成的乳化顆粒對光的影響，通常使用紅外光。

運作原理：

散射法 (Scattering)： 當光線穿過含有油滴的水樣時，光線會向四周散射。傳感器在特定的角度測量散射光強度。

透射法 (Absorption/Attenuation)： 測量光線穿過水樣後的衰減程度。