[发明专利]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

说明书

原案申请日：2007年3月9日

原案申请号：200710078266.8

原案发明名称：光纤布拉格光栅传感器及其在线测量微生物膜厚度的方法

技术领域

本发明涉及微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。

背景技术

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0.07mm到4mm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70μm到100μm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(100μm以内)上来准确地在线监测这些微观传输参数，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μm，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，虽然它不如透射型的长周期光纤光栅(LPFG)对外界折射率变化的灵敏度那么高，但是光纤布拉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[14]，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3.4μm时，其折射率灵敏度可以达到1394nm/riu，若用于探测的光纤光谱仪的分辨率为0.01nm，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7.2×10-6riu，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。

发明内容

针对现有技术存在的不能在线测量微生物膜厚度的缺陷，本发明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。

根据本发明的一个技术方案，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：