CN102095701B - 光纤衰减全反射传感器在线分离测量生物量浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤衰减全反射传感器在线分离测量生物量浓度的方法，首先，将腐蚀后的锥形纤芯尖端研磨成半球状，镀上金膜，制作为双通隐失场吸收光纤；再将锥形纤芯以螺旋方式制作为传感器的传感臂，同时制作参考臂和温度补偿臂；最后，通过传感臂输出的信号电压与293K时生物量折射率的关系式和参考臂输出的信号电压与293K时培养基折射率的关系式实现生化反应过程中生物量浓度和培养基浓度的在线分离测量。本发明的传感器采用光衰减全反射形式，测量过程不受溶液浊度的影响；传感器插入菌悬液，便可实现反应器内生物量浓度的分离测量，同时消除温度和光源波动对待测信号的影响，具有检测准确、反应灵敏、高重复性、使用寿命长的优点。

Description

光纤衰减全反射传感器在线分离测量生物量浓度的方法

技术领域

本发明涉及一种生物量浓度检测方法，尤其涉及一种光纤衰减全反射传感器在线分离测量生物量浓度的方法。

背景技术

光生物制氢与传统的通过化学方法转化化石燃料以及电解水方法制氢气相比，具有环境友好，能量消耗低，且制氢底物来源充足、广泛等优点。然而在光生物制氢过程中，生化反应过程非常复杂，影响制氢效率的因素很多，如微生物的种类、生物量浓度、培养基浓度、培养基流速、光照强度、PH值、反应器内温度等因素。其中，生物量浓度、培养基浓度、反应器内温度是重要的影响因素，它们的在线测量对提高制氢效率有着十分重要的意义。

生物量浓度检测方法分为离线测量和在线测量两大类，离线测量主要有：干重法、光密度法、亚甲基染色法等，这些方法测量生物量浓度既费时又费力，还必须不断地从反应塔中抽取样品，在取样过程中极易带进杂菌而感染反应塔，采用离线方法的另一个缺点是不易实施自动化控制。在线检测法主要有：电阻抗法、软测量技术估计法、电容率频谱法、电流解耦法、近红外光谱法、光纤法等。其中近红外光谱法和光纤法为最有前途方法，能实现反应器内生物量浓度的在线原位测量。然而，近红外光谱调设备比较昂贵。文献“赵明富，钟年丙，罗彬彬，胡新宇，钟连超.用于生物量浓度在线检测的光纤衰减全反射传感器.光学精密工程，2010，18(8)：1707-1714”介绍的光纤方法，传感器探头体积大，通过测量局部菌悬液的浓度对反应器内生物量做出估计，精度较低；同时，在测量过程中未考虑生化反应过程培养基浓度变化和温度变化对传感器输出信号的影响，传感器测量结果的重复性较低。文献“Mohammad Ismail Zibaii，Alireza Kazemi，Hamid Latifi，Mahmoud KarimiAzar，Seyed Masoud Hosseini，Mohammad Hossein Ghezelaiagh.Measuringbacterial growth by refractive index tapered fiber opticbiosensor.Journal of Photochemistry and Photobiology B：Biology，2010，101(3)：313-320”采用锥形光纤对细菌生长情况进行了在线监视，但采用的是单通隐失场吸收方式，传感器灵敏度低，同样没有考虑培养基浓度变化和温度变化对传感器输出信号的影响。

生化反应过程中，关于培养基浓度测量方法介绍的文献较少，通常是采用溶液浓度传感器进行测量。关于温度测量，目前能用于腐蚀环境温度测量的方法主要有光纤Bragg光栅方法、长周期光纤光栅方法、半导体光吸收法等。光纤Bragg光栅方法和长周期光纤光栅方法测温精度较高，但是解调设备比较昂贵。半导体(GaAs)光吸收法，测量系统成本较低，当温度从-10℃变化到300℃时，传感器响应时间仅为2s，是一种性价比较高的测温方法。

发明内容

针对现有技术中的不足之处，本发明提供了一种测量过程不受溶液浊度的影响，可实现生物量浓度和培养基浓度的分离测量，消除温度对待测信号的影响，提高测量准确度、重复性和灵敏度的光纤衰减全反射传感器在线分离测量生物量浓度的方法。

本发明提供的光纤衰减全反射传感器在线分离测量生物量浓度的方法，该方法包括下列步骤：

1)采用熔拉法将光纤制成锥形光纤，锥形光纤的长度L，锥形光纤的大端半径a，锥形光纤的锥尖半径b，锥角α；

2)采用工业酒精浸泡锥形光纤，然后用纱布擦洗锥形光纤，除去锥形光纤上的包层；将去除包层后的裸锥形纤芯放入含20～25％的氢氟酸的腐蚀溶液，在20～25℃下进行腐蚀，腐蚀后锥形纤芯的锥尖直径为100μm；将腐蚀后的锥形纤芯弯曲成螺旋形结构，弯曲半径r，螺距d；

3)分别制作具有双通隐失场吸收现象的传感臂、温度补偿臂和参考臂：

传感臂的制作：将锥形纤芯尖端研磨成半球状，采用气相沉积方法在研磨成半球状的锥形纤芯尖端镀上对红外线具有高反射能力的金膜；

参考臂的制作：将锥形纤芯尖端研磨成半球状，采用气相沉积方法在研磨成半球状的锥形纤芯尖端镀上对红外线具有高反射能力的金膜；

温度补偿臂的制作：采用电沉积方法在锥形纤芯上沉积砷化镓薄膜，将沉积砷化镓薄膜的锥形纤芯尖端研磨成半球状，采用气相沉积方法在研磨成半球状的锥形纤芯尖端镀上对红外线具有高反射能力的金膜；

4)制作传感臂和温度补偿臂的安装基架Ⅰ，制作参考臂的安装基架Ⅱ，安装基架Ⅰ和安装基架Ⅱ分别由支撑杆、设置在支撑杆底部的螺纹底座和设置在支撑杆顶部的固定帽组成；分别在安装基架Ⅰ的支撑杆和安装基架Ⅱ的支撑杆的外圆周上设置螺旋形的凹槽；

将传感臂和温度补偿臂安装在安装基架Ⅰ的支撑杆的凹槽内，通过有机玻璃胶固定；

将参考臂安装在安装基架Ⅱ的支撑杆的凹槽内，通过有机玻璃胶固定；然后在安装基架Ⅱ的支撑杆的圆周外设置滤膜支撑网，滤膜支撑网的外侧设置孔径范围为0.001～0.01μm的滤膜，滤膜的顶部与安装基架Ⅱ的固定帽接触，底部与安装基架Ⅱ的螺纹底座接触；

5)制作传感器探头：将安装有传感臂和温度补偿臂的安装基架Ⅰ以及安装有参考臂的安装基架Ⅱ竖直，安装基架Ⅰ的固定帽和安装基架Ⅱ的固定帽固定安装在上护板上，安装基架Ⅰ的螺纹底座和安装基架Ⅱ的螺纹底座固定安装在下护板上；

6)将传感器探头插入光生物制氢反应器内的菌悬液中；

7)激光二极管发出的光束经物镜后进入分光路器，由分光路器分为四路光束，其中两路光束分别通过分光镜进入传感臂和温度补偿臂；

经过传感臂输出的光束再经分光镜反射进入聚焦镜，再进入光电二极管，由光电二极管光电转换后，传感器输出的电压：

经过温度补偿臂输出的光束再经分光镜反射进入聚焦镜，再进入光电二极管，由光电二极管光电转换后，温度补偿臂输出的电压：

U₃＝QI_in(1-τ)exp[-2Lα₀(K₃+K₄T)]；

其余两路中一路通过分光镜进入参考臂，经过参考臂输出的光束再经分光镜反射进入聚焦镜，再进入光电二极管，由光电二极管光电转换后，参考臂输出的电压：

其余两路中另一路直接经聚焦镜进入光电二极管，由光电二极管输出基准电压：

U₄＝QI_in；

上式中：Q为光电二极管的光电转换系数；I_in表示输入光强；

a为锥形光纤的大端半径，λ表示光源波长，

为弯曲锥形光纤的特征参量，

由锥形光纤的大端半径a、锥形光纤的长度L、锥角α和弯曲半径r决定，n₁表示锥形纤芯的折射率；

$K_2=\frac{2\mathrm{a\λ}{\mathrm{LK}}_{(a,L,r,\mathrm{\α})}^{\′}}{{\mathrm{rn}}_1^3};$

V_b为生物菌悬液中生物量与生物菌悬液的体积比，V_m为生物菌悬液中培养基与生物菌悬液的体积比，n_Kb为293K时生物量的折射率，n_Km为293K时培养基的折射率，T为生物菌悬液的温度，

为生物量随温度变化的系数，

为培养基随温度变化的系数，τ为砷化镓对光束的反射系数；

其中：参数α₀是与砷化镓材料有关的常数，α₀＝2.462×10⁴(cm·eV)^-1；h为普朗克常量；v为光子频率；E_g(0)为温度0K的禁带宽度能量；ψ表示与砷化镓材料有关的常量，ψ＝5.8×10^-4eV/K；

8)将传感器输出的电压U₁、参考臂输出的电压U₂、温度补偿臂输出的电压U₃和基准电压U₄经过数学变换后，得出传感臂输出的信号电压U_B与293K时生物量折射率n_Kb的关系为：

参考臂输出的信号电压U_R与293K时培养基折射率n_Km的关系为：

上式中： $T_{U_3,U_4}=-\frac{1}{2L{\mathrm{\α}}_0{K}_4}\mathrm{Ln}\left[\frac{U_3}{(1-\mathrm{\τ})U_4}\right]-\frac{K_3}{K_4};$

9)根据菌悬液折射率与浓度之间的对应关系，介质浓度越大，折射率越大，光衰减越大，参考臂的输出电压和温度补偿臂的输出电压越小；通过传感臂输出的信号电压U_B和参考臂输出的信号电压U_R便可在线分离测量生化反应过程生物量的浓度。

与现有技术相比，本发明的光纤衰减全反射传感器在线分离测量生物量浓度的方法具有如下优点：

1、传感器采用光衰减全反射形式，测量过程不受溶液浊度的影响。

2、传感器插入菌悬液，便可实现了反应器内生物量浓度的在线测量。

3、采用传感器和参考臂实现了生物量浓度和培养基浓度的分离测量。

4、采用传感器温度补偿臂，消除温度对待测信号的影响，提高了传感器的测量准确度和重复性。

5、在制作传感器过程中，采用锥形光纤制作为螺旋形结构，并且制作为双通隐失场吸收光纤，提高了传感器的灵敏度。

6、光纤衰减全反射传感器在线分离测量生物量浓度的方法能提高光纤传感器的测量准确度和精度，传感器的设计原理和方法具有一定的普遍意义，可应用于微生物培养、发酵、制剂、制酒、制药、废水处理等行业。

附图说明

图1为光生物制氢反应器的结构示意图；

图2为锥形光纤的结构示意图；

图3为腐蚀后的锥形纤芯的结构示意图；

图4为半球尖端镀有金膜的锥形纤芯结构示意图；

图5为镀有砷化镓的锥形纤芯的结构示意图；

图6为同一束光束在半球内表面发生全反射的示意图；

图7为传感臂和温度补偿臂安装在安装基架Ⅰ上的结构示意图；

图8为参考臂安装在安装基架Ⅱ上的结构示意图；

图9为传感器探头的结构示意图；

图10为传感器系统的框图。

附图中：1-光生物制氢反应器，2-微生物菌悬液，3-可见光源，4-透光壁，5-导光散射柱，6-观测口，7-进液口，8-出液口，9-出气口，10-进气口，11-包层，12-纤芯，13-锥形光纤，14-腐蚀后的锥形纤芯，15-金膜，16-砷化镓薄膜，17-支撑杆，18-螺纹底座，19-固定帽，20-两口光纤适配器，21-有机玻璃胶，22-支撑杆，23-螺纹底座，24-固定帽，25-单口光纤适配器，26-传感臂，27-温度补偿臂，28-参考臂，29-滤膜支撑网，30-滤膜，31-软管，32-上护板，33-下护板，34-固定螺丝，35-培养液，36-传感器探头，37-激光二极管，38-物镜，39-光分路器，40-光纤，41-分光镜，42-聚焦镜，43-光电二极管，44-信号调理电路，45-光纤，46-分光镜，47-聚焦镜，48-光电二极管，49-光纤，50-分光镜，51-聚焦镜，52-光电二极管，53-光纤，54-聚焦镜，55-光电二极管，56-A/D模数转换电路，57-信号处理单元，58-生物量显示单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

光纤衰减全反射传感器在线分离测量生物量浓度的方法，该方法包括下列步骤：

一、传感器探头制作

1、腐蚀锥形光纤的制作

选取多模光纤，如选用光纤纤芯直径为1.0mm，光纤外径为2.2mm，纤芯折射率为1.49、弯曲半径为2mm，数值孔径(NA)为0.5，工作温度为-50～70℃。根据光生物制氢反应器的几何尺寸(光生物制氢反应器一般长400mm，宽200mm，高200mm)，采用熔拉法将光纤制成锥形光纤，锥形光纤的长度L(L一般为290mm)、锥角α(α一般为0.079度)，锥形光纤的大端半径a为0.5mm，锥形光纤的锥尖半径b为0.1mm。光生物制氢反应器的结构示意图如图1所示(图中，1为光生物制氢反应器，2为微生物菌悬液，3为可见光源，4为透光壁，5为导光散射柱，6为观测口，7为进液口，8为出液口，9为出气口，10为进气口)，图2为锥形光纤的结构示意图(图中，11为包层，12为纤芯，13为锥形光纤)。

采用工业酒精浸泡锥形光纤，然后用纱布擦洗锥形光纤，除去锥形光纤上的包层；将去除包层后的裸锥形纤芯放入含20～25％的氢氟酸的腐蚀溶液，在20～25℃下进行腐蚀，锥形纤芯直径的腐蚀速度约为v＝0.65m/min，裸锥形纤芯均匀腐蚀150min左右，腐蚀后锥形纤芯的锥尖直径为100μm。将腐蚀后的锥形纤芯进行弯曲，弯曲半径r为2mm，光纤螺距d为10mm。腐蚀后的锥形纤芯的结构示意图如图3所示(图中，14为腐蚀后的锥形纤芯)。

2、分别制作具有双通隐失场吸收现象的传感臂、温度补偿臂和参考臂：

传感臂的制作：将锥形纤芯尖端研磨成半球状，采用气相沉积方法在研磨成半球状的锥形纤芯尖端镀上对红外线具有高反射能力的金膜，如图4所示(图中15为金膜)。

参考臂的制作：将锥形纤芯尖端研磨成半球状，采用气相沉积方法在研磨成半球状的锥形纤芯尖端镀上对红外线具有高反射能力的金膜。

温度补偿臂的制作：采用电沉积方法在锥形纤芯上沉积砷化镓薄膜，沉积砷化镓(GaAs)薄膜的厚度为10μm，如图5所示(图中16为砷化镓薄膜)；再将沉积砷化镓薄膜的锥形纤芯尖端研磨成半球状，采用气相沉积方法在研磨成半球状的锥形纤芯尖端镀上对红外线具有高反射能力的金膜。

光束进入传感臂、参考臂和温度补偿臂时，在半球内表面发生全反射，同一根具有双向传输光束的功能，从而产生双通隐失场吸收现象，如图6所示。该现象相当于成倍增加了传感器传感单元感应区的长度，提高了传感器的灵敏度。

3、制作传感臂和温度补偿臂的安装基架Ⅰ，安装基架Ⅰ由支撑杆17、设置在支撑杆底部的螺纹底座18和设置在支撑杆顶部的固定帽19组成(如图7所示)，在固定帽19上安装两口光纤适配器20；在安装基架Ⅰ的支撑杆17的外圆周上设置螺旋形的凹槽，在凹槽上涂上一层有机玻璃胶21，将传感臂26和温度补偿臂27安装在安装基架Ⅰ的支撑杆17的凹槽内并固定，传感臂26和温度补偿臂27的顶部连接在两口光纤适配器20上。

制作参考臂的安装基架Ⅱ，安装基架Ⅱ由支撑杆22、设置在支撑杆22底部的螺纹底座23和设置在支撑杆顶部的固定帽24组成(如图8)所示，在固定帽24上安装单口光纤适配器25；在安装基架Ⅱ的支撑杆22的外圆周上设置螺旋形的凹槽，在凹槽上涂上一层有机玻璃胶21，将参考臂28安装在安装基架Ⅱ的支撑杆22的凹槽内并固定，参考臂28的顶部连接在单口光纤适配器25上；然后，在安装基架Ⅱ的支撑杆的圆周外设置滤膜支撑网29，滤膜支撑网29的外侧设置孔径范围为0.001～0.01μm的滤膜30，滤膜30的顶部与安装基架Ⅱ的固定帽24接触，滤膜30的底部与安装基架Ⅱ的螺纹底座23接触，滤膜支撑网29与支撑杆22形成一空腔，在固定帽24上设置一软管31，软管31的顶部伸出固定帽24的顶部，软管31的底部伸进空腔。

4、制作传感器探头(如图9所示)：将安装有传感臂26和温度补偿臂27的安装基架Ⅰ以及安装有参考臂28的安装基架Ⅱ竖直，安装基架Ⅰ的固定帽19和安装基架Ⅱ的固定帽24由固定螺丝34分别固定安装在上护板32上，安装基架Ⅰ的螺纹底座18和安装基架Ⅱ的螺纹底座23分别固定安装在下护板33上。

5、将传感器探头36由光生物制氢反应器的观测口浸入光生物制氢反应器内的菌悬液中(如图10所示)。激光二极管37发出的光束经物镜38后进入分光路器39，由分光路器39分为四路光束(光束Ⅰ、光束Ⅱ、光束Ⅲ和光束Ⅳ)。光束Ⅰ通过光纤40和分光镜41后进入传感臂26，传感臂26中的光束经过菌悬液2衰减后再经分光镜41反射进入聚焦镜42，再进入光电二极管43，由光电二极管43光电转换后，传感器输出的电压输入信号调理电路44。光束Ⅱ通过光纤45和分光镜46后进入温度补偿臂27，经过温度补偿臂27输出的光束再经分光镜46反射后进入聚焦镜47，再进入光电二极管48，由光电二极管48光电转换后，温度补偿臂输出的电压输入信号调理电路44。光束Ⅲ通过光纤49和分光镜50后进入参考臂28，参考臂28中的光束经过培养基35衰减后再经分光镜50反射进入聚焦镜51，再进入光电二极管52，由光电二极管52光电转换后，参考臂输出的电压输入信号调理电路44。光束Ⅳ通过光纤53进入聚焦镜54，再进入光电二极管55，由光电二极管55电转换后，输出基准电压输入信号调理电路44。信号调理电路44的输出信号经A/D模数转换电路56转化后输入信号处理单元57，经信号处理单元57处理后通过数字显示单元58显示。依据数字显示单元58显示的数值大小来判断菌悬液中生物量的浓度。

本实施例中，光源选用广州绿高电子科技有限公司(BOB LASERCO.，LTD)生产的红外激光二极管，型号为AL980T50、功率为50mW、波长带宽为980±10nm。光电二极管选用亿光(EVERLIGHT)公司生产的红外接收管，型号为PD15-22C  、输出波长范围为860-1200nm。信号调理电路由前级放大电路和二级放大电路组成，其中前级放大电路采用Intersil公司的ICL7650芯片，二级放大电路采用通用放大芯片LM741。模数转换选用德州仪器(TI)ADS6422芯片(四通道12位)，数据处理单元选用TI公司的TMS320VC5410芯片。

二、传感单元输出电压信号

1、传感器输出光能量

将光纤感应区浸入吸收介质后，输入和输出光强之间满足：

I_out＝I_ine^-ξL                                 (1)

式(1)中，I_in表示输入光强，ξ为环境介质(生物菌悬液或培养液)倏逝波吸收系数，L为锥形光纤的长度。

在文献“Nath P，Enhanced Sensitive Fiber-optic sensor with DoublePass Evanescent Field Absorption.Microwave and Optical TechnologyLetters.2009，51(12)：3004-3006，以及文献B.D.Gupta，H.dodeja，and A.K.Tomar，Fiber optic evanescent field absorption based on U-shaped probe.Opt Quantum Electron，1996，28：1629-1639”研究的基础之上，给出了锥形弯曲光纤倏逝波在纤芯外表面的有效吸收系数的修正式：

${\left[{\mathrm{\ξ}}_{\mathrm{eff}}\left(n\right)\right]}_{\mathrm{outer}}=\frac{\mathrm{a\λ}{n}_1{K}_{(a,L,r,\mathrm{\α})}^{\′}}{r(n_1^2-n^2)}---\left(2\right)$

式(2)中，λ表示光源波长，

为弯曲锥形光纤的特征参量，

由锥形光纤的大端半径a、锥形光纤的长度L、锥角α和弯曲半径r决定，n₁表示锥形纤芯的折射率，n为微生物菌悬液的折射率。

采用螺旋方式将锥形光纤感应区安装在安装基架的支撑杆上，传感单元利用锥形纤芯弯曲部分的外表面感知外界环境(生物菌悬液或培养基)折射率的变化达到测量的目的。因为光纤感应区为双通隐失场吸收，传感单元敏感区长度为2L。将式(2)代入式(1)得到输入光强经外界环境后的输出光强：

$I_{\mathrm{out}}=I_{\mathrm{in}}\exp \{-[\frac{\mathrm{a\λ}{n}_1{K}_{(a,L,r,\mathrm{\α})}^{\′}}{r(n_1^2-n^2)}]\×2L\}---\left(3\right)$

假定微生物菌悬液的折射率n小于1.49，有n＜n₁。在n＜n₁的条件下，经过数学变换，得到式(3)的简化表达式：

I_out＝I_inK₁·exp(-K₂n²)                     (4)

其中，参数K₁，K₂分别为：

$K_1=\exp (-\frac{2\mathrm{a\λ}{\mathrm{LK}}_{(a,L,r,\mathrm{\α})}^{\′}}{{\mathrm{rn}}_1});$ $K_2=\left(\frac{2\mathrm{a\λ}{\mathrm{LK}}_{(a,L,r,\mathrm{\α})}^{\′}}{{\mathrm{rn}}_1^3}\right).$

式(4)表明：经倏逝波衰减后的光能量与入射光强I_in，参数K₁、K₂和环境折射率n相关。参数K₁、K₂只与光纤特征参数有关，通过测量输出光强的变化量，可以实现环境介质折射率n的测量。但是，式(4)并未考虑温度变化对折射率的影响。同时，不能对同一反应器内存在两种或者两种以上介质折射率均发生变化时，对某一观测物理量实现分离测量。

在光生物制氢过程中，生物菌悬液包括生物菌和供微生物菌生长的培养基。现有研究“Liao Q，Wang Y J，Wang Y Z，Zhu X，Ti an X，Li J.Formation andhydrogen production of photosynthetic bacterial biofilm under variousillumination conditions.Bioresource Technology，2010，101：5315-5324”表明，光生物制氢反应器内，存在微生物菌生长、代谢产热，培养基浓度的变化。同样，由于天气的变化、季节的变化，地理位置的变化等，都有可能导致反应器内温度发生变化。为了消除温度变化对传感器测量结果带来的影响，同时，实现反应器内生物量浓度的分离测量，设计了传感器参考臂和温度补偿臂。

在对传感器的传感臂和参考臂建模前，假定某一时刻，生物菌悬液中生物量与生物菌悬液的体积比为V_b，生物菌悬液中培养基与生物菌悬液的体积比V_m；生物量的折射率为n_b，培养基的折射率为n_m，生物量和培养基的混合物的折射率为n。由文献“谈勇，杨可靖，曹跃霞，等.聚苯乙烯光子晶体的制备及其在传感中的应用.化学学报，2004，62(20)：089-2092，F010”得到微生物菌悬液的折射率n与n_b和n_m的函数关系式：

$n^2=V_b{n}_b^2+V_m{n}_m^2---\left(5\right)$

文献“F.Samedov.Laser-based optical facility for determination ofrefractive index of liquids.Optics & Laser Technology，2006，38：28-36”研究表明，折射率与温度间具有如下经验公式：

式(6)中，

表示介质随温度变化的系数，n_K表示温度为293K时介质的折射率，T表示某一时刻介质的温度，n_T表示温度为T时介质的折射率。

①传感臂和参考臂输出光强

将式(5)和式(6)代入式(4)后，得到温度变化时传感臂的输出光强：

同样，可得到参考臂的输出光强：

式(7)和式(8)中，

为生物量随温度变化的系数，

为培养基随温度变化的系数，n_Kb为293K时生物量的折射率，n_Km为293K时培养基的折射率。

②温度补偿臂输出光强

当环境温度为270～330K时，由文献“Bao-Jin Peng，Yong Zhaob，Chao-FuYing.Novel optical sensor for simultaneous measurement of liquidconcentration and temperature，Optics & Laser Technology，2007，39：105-109”、“Panish Jr MB，Casey HC.Temperature dependence of energy gapin GaAs and GaP.J Appl Phys，1969，40：163-167”以及“Yong Zhao，YanbiaoLiao.Novel optical fiber sensor for simultaneous measurement oftemperature and salinity，Sensors and Actuators B，2002，86：63-67”得到半导体GaAs的近似吸收系数：

ξ(T)≈K₃+K₄T                            (9)

式(9)中，参数

参数α₀是与砷化镓材料有关的常数，α₀＝2.462×10⁴(cm·eV)^-1；h为普朗克常量；v为光子频率；E_g(0)为温度0K的禁带宽度能量；ψ表示与砷化镓材料有关的常量，ψ＝5.8×10^-4eV/K。

同样采用式(1)计算光束经过GaAs膜衰减全反射后的输出光强：

$I_{\mathrm{out}}^{\′\′\′}=I_{\mathrm{in}}(1-\mathrm{\τ})\exp [-2L{\mathrm{\α}}_0(K_3+K_{4}T)]---\left(10\right)$

式(10)中，τ为GaAs对光束的反射系数。

2、传感单元输出电压信号

用U₁、U₂、U₃分别表示3个传感单元输出光强

和

经过光电二极管，光电转换后的输出电压。U₄表示基准光源经过光电转换后的输出电压。Q为光电二极管的光电转换系数。

传感器输出的电压分别为：

参考臂的输出电压：

温度补偿臂的输出电压：

U₃＝QI_in(1-τ)exp[-2Lα₀(K₃+K₄T)]                               (13)

基准电压：

U₄＝QI_in                                                        (14)

对式(11)、式(12)、式(13)、式(14)进行数学变换后，得到传感臂输出的信号电压U_B与生物量折射率n_Kb(相当于在293K恒定温度下)的关系为：

参考臂输出的信号电压U_R与培养基折射率n_Km(相当于在293K恒定温度下)的关系为：

式(15)和式(16)中，

参数L、α₀、K₃、K₄为常参数，温度

的变化情况只与电压

有关。

从式(15)式中可以看出，在任意时刻，传感臂输出电压只与293K(20℃)时反应器内生物量折射率n_Kb有关，与培养基折射率n_Km和温度T的变化情况无关。从式(16)式中可以看出，参考臂输出的电压只与293K(20℃)时反应器内培养基折射率n_Km有关，与生物量和温度T的变化情况无关。同时，采用

的计算表达式可计算出反应器内温度，即通过传感器温度补偿臂可实现反应器内温度的测量。因为生物量、培养基折射率与浓度之间有一一对应关系，所以，采用传感器的传感臂和参考臂可实现生物量浓度和培养基浓度的分离测量；传感器的输出的信号电压相当于在293K(20℃)恒温条件下的测量结果，实现了温度补偿，提高了传感器的测量结果的准确度和重复性。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种光纤衰减全反射传感器在线分离测量生物量浓度的方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)采用熔拉法将光纤制成锥形光纤，锥形光纤的长度L，锥形光纤的大端半径a，锥形光纤的锥尖半径b，锥角α；

2)采用工业酒精浸泡锥形光纤，然后用纱布擦洗锥形光纤，除去锥形光纤上的包层；将去除包层后的裸锥形纤芯放入含20～25％的氢氟酸的腐蚀溶液，在20～25℃下进行腐蚀，腐蚀后锥形纤芯的锥尖直径为100μm；将腐蚀后的锥形纤芯弯曲成螺旋形结构，弯曲半径r，螺距d；

3)分别制作具有双通隐失场吸收现象的传感臂、温度补偿臂和参考臂：

传感臂的制作：将锥形纤芯尖端研磨成半球状，采用气相沉积方法在研磨成半球状的锥形纤芯尖端镀上对红外线具有高反射能力的金膜；

参考臂的制作：将锥形纤芯尖端研磨成半球状，采用气相沉积方法在研磨成半球状的锥形纤芯尖端镀上对红外线具有高反射能力的金膜；

温度补偿臂的制作：采用电沉积方法在锥形纤芯上沉积砷化镓薄膜，将沉积砷化镓薄膜的锥形纤芯尖端研磨成半球状，采用气相沉积方法在研磨成半球状的锥形纤芯尖端镀上对红外线具有高反射能力的金膜；

4)制作传感臂和温度补偿臂的安装基架Ⅰ，制作参考臂的安装基架Ⅱ，安装基架Ⅰ和安装基架Ⅱ分别由支撑杆、设置在支撑杆底部的螺纹底座和设置在支撑杆顶部的固定帽组成；分别在安装基架Ⅰ的支撑杆和安装基架Ⅱ的支撑杆的外圆周上设置螺旋形的凹槽；

将传感臂和温度补偿臂安装在安装基架Ⅰ的支撑杆的凹槽内，通过有机玻璃胶固定；在安装基架Ⅰ的固定帽上安装有两口光纤适配器，传感臂和温度补偿臂的顶部连接在该两口光纤适配器上；

将参考臂安装在安装基架Ⅱ的支撑杆的凹槽内，通过有机玻璃胶固定；在安装基架Ⅱ的固定帽上安装有单口光纤适配器，参考臂的顶部连接在该单口光纤适配器上；然后在安装基架Ⅱ的支撑杆的圆周外设置滤膜支撑网，滤膜支撑网的外侧设置孔径范围为0.001～0.01μm的滤膜，滤膜的顶部与安装基架Ⅱ的固定帽接触，底部与安装基架Ⅱ的螺纹底座接触；安装基架Ⅱ的滤膜支撑网与支撑杆形成一空腔，在安装基架Ⅱ的固定帽上设置一软管，软管的顶部伸出固定帽的顶部，底部伸进空腔；

5)制作传感器探头：将安装有传感臂和温度补偿臂的安装基架Ⅰ以及安装有参考臂的安装基架Ⅱ竖直，安装基架Ⅰ的固定帽和安装基架Ⅱ的固定帽固定安装在上护板上，安装基架Ⅰ的螺纹底座和安装基架Ⅱ的螺纹底座固定安装在下护板上；

6)将传感器探头插入光生物制氢反应器内的生物菌悬液中；

7)激光二极管发出的光束经物镜后进入光分路器，由光分路器分成四路光束，其中两路光束分别通过分光镜进入传感臂和温度补偿臂；

经过传感臂输出的光束再经分光镜反射进入聚焦镜，再进入光电二极管，由光电二极管光电转换后，传感器输出的电压：

经过温度补偿臂输出的光束再经分光镜反射进入聚焦镜，再进入光电二极管，由光电二极管光电转换后，温度补偿臂输出的电压：

U₃＝QI_in(1-τ)exp[-2Lα₀(K₃+K₄T)]；

其余两路中一路通过分光镜进入参考臂，经过参考臂输出的光束再经分光镜反射进入聚焦镜，再进入光电二极管，由光电二极管光电转换后，参考臂输出的电压：

其余两路中另一路直接经聚焦镜进入光电二极管，由光电二极管输出基准电压：

U₄＝QI_in；

上式中：Q为光电二极管的光电转换系数；L_in表示输入光强；

λ表示光源波长，

为弯曲锥形光纤的特征参量，

由锥形光纤的大端半径a、锥形光纤的长度L、锥角α和弯曲半径r决定，n₁表示锥形纤芯的折射率；

$K_2=\frac{{2\mathrm{a\λLK}}_{(a,L,r,\mathrm{\α})}^{\′}}{{\mathrm{rn}}_1^3};$

V_b为生物菌悬液中生物量与生物菌悬液的体积比，V_m为生物菌悬液中培养基与生物菌悬液的体积比，n_Kb为293K时生物量的折射率，n_Km为293K时培养基的折射率，T为生物菌悬液的温度，为生物量随温度变化的系数，

为培养基随温度变化的系数，τ为砷化镓对光束的反射系数；

$K_3={\mathrm{\α}}_0{\left(\mathrm{hv}\right)}^{1/2}(1-\frac{E_g\left(0\right)}{2\mathrm{hv}}),$ $K_4={\mathrm{\α}}_0{\left(\mathrm{hv}\right)}^{1/2}\frac{\mathrm{\ψ}}{4\mathrm{hv}},$ 其中：参数α₀是与砷化镓材料有关的常数，α₀＝2.462×10⁴(cm·eV)^-1；h为普朗克常量；v为光子频率；E_g(0)为温度0K的禁带宽度能量；ψ表示与砷化镓材料有关的常量，ψ＝5.8×10^-4eV/K；

8)将传感器输出的电压U₁、参考臂输出的电压U₂、温度补偿臂输出的电压U₃、基准电压U₄经过数学变换后，得出传感臂输出的信号电压U_B与293K时生物量折射率n_Kb的关系为：

参考臂输出的信号电压U_R与293K时培养基折射率n_Km的关系为：

上式中： $T_{U_3,U_4}=-\frac{1}{2L{\mathrm{\α}}_0{K}_4}\mathrm{Ln}\left[\frac{U_3}{(1-\mathrm{\τ})U_4}\right]-\frac{K_3}{K_4};$ n为生物菌悬液的折射率；

9)根据生物菌悬液折射率与生物量的浓度之间的对应关系，生物量的浓度越大，折射率越大，光衰减越大，参考臂的输出电压和温度补偿臂的输出电压越小；通过传感臂输出的信号电压U_B和参考臂输出的信号电压U_R便可在线分离测量生化反应过程生物量的浓度。

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