基于FBG的生物量浓度在线检测研究

论文摘要

在生化反应过程中,影响生化反应效率的因素很多,如:含有多种微生物的菌悬液、微生物的活性、生物量浓度、PH值、循环液流量、温度等。在这些因素中,生物量浓度是重要的工艺参数,实现其在线测量对了解生化反应过程、实现其在线监控具有极其重要的意义。而生化反应过程中这些参数的复杂性和不确定性,导致了过程机理研究与过程优化控制的困难。文章提出采用光纤Bragg光栅(FBG)折射率传感技术实现对生物量浓度的在线测量,同时建立了具有温度补偿功能的生物量浓度在线测量传感原理的理论模型,消除温度变化对传感系统的影响。主要研究成果如下:(1)提出了一种基于FBG折射率传感器在线测量生物量浓度的方法。由光栅腐蚀到一定程度后,其传播模式的有效折射率会受外界接触物质折射率变化的影响这一理论出发,将Bragg波长的漂移量与生物量浓度的变化联系起来。(2)在FBG传感理论的基础上,设计了生物量浓度在线测量传感器,对传感器的设计理论和制作方法进行了研究,并通过腐蚀实验制作了不同光栅直径的FBG折射率传感器,获得了不同的浓度的HF溶液中光纤包层的腐蚀速率。(3)理论分析和实验研究FBG折射率传感器与化学溶液折射率之间的关系,实验结果表明:Bragg波长的漂移量随周围折射率的增大而增大,且两者之间具有良好的对应关系,在低浓度时两者之间具有良好的线性关系,高浓度时具有非线性关系。(4)根据FBG折射率传感器在低折射率区时,Bragg波长的漂移量与周围折射率之间是线性关系这一特性,把该传感器用于测量生物量浓度(低折射率)变化。(5)理论分析光纤Bragg光栅(FBG)生物传感器在低折射率区的折射率传感原理,建立了相应的温度补偿模型,以消除温度变化对传感器的影响。设计和制作一个单端腐蚀FBG生物传感器,用于同时测量折射率与温度,并分别标定其腐蚀区和未腐蚀区的温度与折射率灵敏度。实验结果表明,消除温度影响的单端腐蚀FBG生物传感器,Bragg波长的漂移量随酵母菌折射率的增大而增大,且呈线性关系。传感器的酵母菌折射率灵敏度与其标定值之间的相对误差为1.45%。改进后的传感器能有效的消除温度变化对生物量浓度测量系统的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题研究的意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国内外研究方法概述
• 1.2.1.1 光纤Bragg 光栅（FBG）折射率传感器的研究
• 1.2.1.2 长周期光纤光栅（LPG）折射率传感器的研究
• 1.2.1.3 光子晶体光纤光栅生物传感器的研究
• 1.3 光纤 Bragg 光栅检测方法的提出
• 1.4 论文的主要研究思路与各章的主要内容
• 2 光纤 Bragg 光栅及其理论分析
• 2.1 光纤光栅的分类
• 2.1.1 按光纤光栅的周期分类
• 2.1.2 按光栅的波导结构分类
• 2.1.3 按光纤光栅的形成机理分类
• 2.1.4 按光纤光栅的材料分类
• 2.2 光纤光栅的写入法
• 2.2.1 内写入法
• 2.2.2 干涉写入法
• 2.2.3 逐点写入法
• 2.2.4 振幅掩模写入法
• 2.2.5 相位掩模技术
• 2.3 光纤光栅在传感方面的应用
• 2.4 光纤Bragg 光栅的理论模型
• 2.4.1 耦合模理论
• 2.4.2 光纤Bragg 光栅耦合模理论
• 2.5 光纤 Bragg 光栅的温度和应力传感原理
• 2.5.1 FBG 温度传感原理及实验
• 2.5.2 FBG 应力传感原理及实验
• 2.6 本章小结
• 3 光纤 Bragg 光栅生物传感器设计原理及制作
• 3.1 引言
• 3.2 FBG 生物量浓度传感器的设计原理
• 3.2.1 三层圆均匀波导结构（包层模式）
• 3.2.2 两层圆均匀光波导结构（芯层模式）
• 3.3 FBG 生物量浓度传感器的制作
• 3.3.1 腐蚀实验设备
• 3.3.2 腐蚀装置
• 3.3.3 FBG 腐蚀过程
• 3.3.4 FBG 腐蚀实验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 4 FBG 折射率传感器研究
• 4.1 概述
• 4.2 FBG 折射率传感器的设计与制作
• 4.3 FBG 折射率传感器测量实验
• 4.3.1 FBG1 折射率传感器实验结果及分析
• 4.3.2 FBG2 折射率传感器实验数据分析
• 4.4 FBG1 与FBG2 折射率传感器对比分析
• 4.5 本章小结
• 5 FBG 生物量浓度在线检测研究
• 5.1 概述
• 5.2 FBG 低折射率传感原理
• 5.3 低折射率区FBG 传感器测量实验及分析
• 5.4 具有温度补偿功能的FBG 生物量浓度在线测量方法
• 5.4.1 引言
• 5.4.2 FBG 生物量浓度传感器温度补偿原理
• 5.4.3 单端腐蚀FBG 传感器的设计与制作
• 5.4.4 生物量浓度测量实验及讨论
• 5.4.4.1 传感器灵敏度标定
• 5.4.4.2 酵母菌生长过程监测实验
• 5.5 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 进一步工作建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果