一种光纤布拉格光栅传感器在线测量微生物膜厚度的方法技术

一种光纤布拉格光栅传感器在线测量微生物膜厚度的方法，其特征在于：测量步骤是：步骤一、通过阿贝尔折射率计和光学显微镜标定微生物膜厚度ｄ和微生物膜折射率ｎ↓［２］，从而确定微生物膜折射率ｎ↓［２］与微生物膜厚度的关系函数ｆ（ｎ↓［２］）；即确定ｄ＝ｆ（ｎ↓［２］）；步骤二、将特定的Ｄ型光纤布拉格光栅传感器置于生物膜滴滤塔中；步骤三、宽带激光光源发射出波长为１４５０ｎｍ－１５９０ｎｍ的宽带激光，通过光纤隔离器注入到光敏单模光纤中，经过光纤耦合器后沿光纤传输到Ｄ型光纤布拉格光栅；处于谐振中心波长λ↓［０］的激光在Ｄ型光纤布拉格光栅中将发生强烈的反射，则反射回来的激光经过光纤耦合器后再经过光纤隔离器输出到光谱分析仪中，光谱分析仪将显示出谐振中心波长的大小，由此可以得出微生物膜此时的折射率大小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及纟敛生物膜厚度的测量方法，具体涉及一种光纤布拉格光栅传 感器在线测量微生物膜厚度的方法。
技术介绍
以细菌为主体的微生物，在合适的环境条件下只要有附着生长的载体存 在，就会在此载体表面形成微生物膜。人们通过人工强化技术将微生物膜引 入到工业中的有机废气处理中，从而形成了生物膜反应器，生物膜反应器对有机废气的降解速率与反应器内微生物膜的厚度和密度、膜的组成等有关； 一般生物膜的总厚度介于0. 07醒到4隨之间，在低浓度有机废气(VOCs) 处理中，适宜的微生物膜厚度一般为70nm到100jim之间。可见，如果能够 在线检测生物膜内的微观传输参数，特别是微生物膜的厚度，那么我们不仅 能对现有的存在很多假设的微生物膜动力学理论模型进行验证和修正，并能 够为工业中生物膜反应器的宏观传输参数的自动控制以及膜反应器中的各种参数标准提供重要的参考数据，从而提高生物膜反应器对有机废气的降解 速率和效率。但目前缺乏有力的技术手段在微观尺度(lOOpm以内)上来准确地在线监测这些^:观传输参数，特别是有机废气在液膜和生物膜中的浓度 分布、温度分布、膜内pH值等，目前还没有看到国内外相关的文献报道。 而对于膜反应器内微生物膜厚度的直接测量方法仅仅局限于使用传统的光学显微镜、微米阻力计或者膜侧线法等(气生物滤池工艺的理论与工程应用.化学工业出版社2004,54-55.)虽然其中有些方法的测量精度可以达到几个但都属于离线测量，并且存在局限性，如光学显微镜法不能够测量表面 成丝状的微生物膜厚度；基于以上背景，使用光纤传感器家族中的光纤布拉格光栅传感器来实现 对微生物膜厚度的在线测量，这主要是基于下面几个方面的依据据研究，微生物膜是充满了水的纤维素结构，因此它具有与水相似的光 学性质，纯粹的微生物膜是透明的，并且有着比水略高的折射率。光纤传感器家族具有微型尺寸(微米量级)、高灵敏度、高分辨率、强 抗干扰性、强抗腐蚀性、远距离传感等诸多共同优点，各种调制型的光纤传 感传感器已广泛地应用于化工、环保、生物医学等诸多领域；在大部分光纤 传感器的传感原理中，折射率传感占有重要的地位，因为介质的化学成分、 浓度、密度等参数的变化都会引起折射率的变化，所以很多光纤传感器都是 基于感应由被测物理量引起的其传感器周围介质的折射率变化来实现传感 的，比如长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅传感技术就是通过感应其周围介 质折射率的变化来改变其谐振中心波长的大小的(光纤光栅原理及应用.科 学出版社，2005. 10.)。光纤布拉格光栅是反射式波长编码型的光纤传感器，虽然它不如透射型格光栅的谐振峰带宽(小于一个纳米)比长周期光纤光栅的谐振峰带宽(十几 个纳米)要小一个数量级，因此其测量的精度在理论上比长周期光纤光 栅要高。而且，通过除去光纤布拉格光栅的包层，可使其纤芯模的倏逝场直接透射到周围介质中，从而导致光纤布拉格光栅的有效折射率受外部介质折射率的影响增大；使用氢氟酸(HF)腐蚀标准光纤布拉格光栅的纤芯，更进 一步提高了其对外界折射率的灵敏度，实验证实，当纤芯的直径被蚀刻到 3. 4nm时，其折射率灵每文度可以达到1394nm/riu，若用于探测的光纤光谱仪 的分辨率为0. Olnm，则该传感器的折射率分辨率在周围介质折射率为1.44 的情况下可达7. 2x10-6 riu，这是目前已报道的具有最高的折射率灵敏度和 分辨率的光纤光栅传感器。此外，国内外对光纤光栅进行侧面研磨已有较多 的研究，通过把光纤布拉格光栅所处位置的包层一侧研磨成厚度只有几个微 米的D型的形状，该D型传感器比普通的光纤布拉格光栅传感器具有更高的 折射率灵敏度，特别是当用于溶液浓度测量的时候，其谐振中心波长及谐振 峰强度与被测溶液的浓度大小都呈现了良好线性关系，并具有较高的分辨 率。
技术实现思路
针对现有技术存在的不能在线测量微生物膜厚度的缺陷，本专利技术所要解 决的技术问题是提供一种使用光纤布拉格光栅传感器在线测量微生物膜厚 度的方法。根据本专利技术的一个技术方案， 一种使用光纤布拉格光栅传感器在线测量 微生物膜厚度的方法，测量步骤如下步骤一、通过阿贝尔折射率计和光学显微镜标定微生物膜厚度d和微生 物膜折射率& ，从而确定微生物膜折射率"2与微生物膜厚度的关系函数 /("2);即确定<formula>formula see original document page 6</formula>);步骤二、将特定的D型光纤布拉格光栅传感器置于生物膜滴滤塔中；所述特定的D型光纤布拉格光栅传感器由光敏单模光纤、陶资基底构成，其中， 光敏单模光纤由纤芯、包层和光纤涂覆层组成，所述纤芯的直径约为3 jam-4 Mm，同时，在所述光敏单模光纤中写有光纤布拉格光栅，在所述陶瓷基底 的两端分别开有两个半圆槽，在陶瓷基底的中央位置开有一个光纤槽，光纤 槽的直径比光纤直径略大2微米，光敏单模光纤放置在陶瓷基底中的光纤槽 中，并且光纤布拉格光栅位于陶瓷基底正中间的位置；步骤三、宽带激光光源发射出波长为1450nm-1590nm的宽带激光，通过 光纤隔离器注入到光敏单模光纤中，经过光纤耦合器后沿光纤传输到D型光 纤布拉格光栅；处于谐振中心波长^的激光在D型光纤布拉格光栅中将发生强烈的反射，而其他波长的激光的反射很小，将透射过D型光纤布拉格光 栅(6)向前传输；则反射回来的激光经过光纤耦合器后再经过光纤隔离器 输出到光谱分析仪中，光谱分析仪将显示出谐振中心波长的大小，由此可以 得出微生物膜此时的折射率大小，再根据步骤一确定的微生物膜折射率 与 微生物膜厚度的关系的函数d = /("2)得到微生物膜厚度；所述光纤隔离器只 允许光沿一个方向传输，而阻止光波向其他方向尤其是反方向传输，以防止 反射光对光源和传感系统的影响。本专利技术所述的一种光纤布拉格光栅传感器在线测量微生物膜厚度的方 法的有益效果是(1)、由于选择的光敏单模光纤的纤芯的直径为3nm-4mm之间，提高了 纤芯模式的倏逝场透射到外介质的强度，从而提高了 D型光纤布拉格光栅对 外介质的折射率变化的灵敏度，适合于探测极其微弱的外介质的折射率变 化；(2) 、由于采用光纤布拉格光栅结构，属于波长编码型传感器，具有高分 辨率、高稳定性的特点，所以对微生物膜厚度的测量能够达到4艮高的精度； 同时D型光纤布拉格光栅传感器比普通的光纤布拉格光栅传感器具有更高的 折射率灵敏度，并具有较高的分辨率。(3) 、由于D型光纤布拉格光栅传感器具有一个与其D型截面形状相同的 起固定传感器的作用的环氧树脂和陶瓷基底，保证了传感器的鲁棒性又不 影响微生物膜原本的生长条件，通过折射率与厚度的关系，从而能够在线测 量微生物膜生长过程中的厚度变化乃至各个生长阶段的速度。附图说明下面结合附图对本专利技术作详细说明。图l是本专利技术所述的光纤布拉格光栅传感器结构示意图。图2是本专利技术所述的光纤布拉格光栅传感器的横截面示意图图3是本专利技术所述的光纤布拉格光栅传感器的制作方法示意图。图4本专利技术所述的陶瓷基底的俯视图。图5本专利技术所述的陶瓷基底的左视图。图6本专利技术所述的光纤布拉格光栅安装陶瓷基底的示意图。图7本专利技术所述的在线测量微生物膜厚度的测试系统图。图8本专利技术所述的初本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤布拉格光栅传感器在线测量微生物膜厚度的方法，其特征在于：测量步骤如下：　步骤一、通过阿贝尔折射率计和光学显微镜标定微生物膜厚度ｄ和微生物膜折射率ｎ↓［２］，从而确定微生物膜折射率ｎ↓［２］与微生物膜厚度的关系函数ｆ（ｎ↓［２］）；即确定ｄ＝ｆ（ｎ↓［２］）；　步骤二、将特定的Ｄ型光纤布拉格光栅传感器置于生物膜滴滤塔（１８）中；所述特定的Ｄ型光纤布拉格光栅传感器由光敏单模光纤（８）、陶瓷基底（５）构成，其中，光敏单模光纤（８）由纤芯（１）、包层（２）和光纤涂覆层（３）组成，所述纤芯（１）的直径约为３μｍ－４μｍ，同时，在所述光敏单模光纤（８）中写有光纤布拉格光栅（６），在所述陶瓷基底（５）的两端分别开有两个半圆槽（１９），在陶瓷基底（５）的中央位置开有一个光纤槽（２１），光纤槽（２１）的直径比光纤直径略大２微米，光敏单模光纤（８）固定在陶瓷基底（５）中的光纤槽（２１）中，并且光纤布拉格光栅（６）位于陶瓷基底（５）正中间的位置；　步骤三、宽带激光光源（１０）发射出波长为１４５０ｎｍ－１５９０ｎｍ的宽带激光，通过光纤隔离器（１３）注入到光敏单模光纤（８）中，经过光纤耦合器（１５）后沿光纤传输到Ｄ型光纤布拉格光栅（６）；处于谐振中心波长λ↓［０］的激光在Ｄ型光纤布拉格光栅（６）中将发生强烈的反射，而其他波长的激光的反射很小，将透射过Ｄ型光纤布拉格光栅（６）向前传输；则反射回来的激光经过光纤耦合器（１５）后再经过光纤隔离器（１３）输出到光谱分析仪（１１）中，光谱分析仪（１１）将显示出谐振中心波长的大小，由此可以得出微生物膜此时的折射率大小，再根据步骤一确定的微生物膜折射率ｎ↓［２］与微生物膜厚度的关系函数ｄ＝ｆ（ｎ↓［２］）得到微生物膜厚度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：赵明富，罗彬彬，廖强，刘江华，陈艳，
申请(专利权)人：重庆工学院，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]