基于光纖光柵傳感器的透析用水中游離氯濃度測定

宋大偉

黑龍江省醫(yī)院醫(yī)學工程科 黑龍江哈爾濱 150036

1 背景介紹

血液透析治療是尿毒癥患者保障生命安全、提高生命質(zhì)量的重要治療方式。在血液透析機中患者的血液通過半透膜與大量的透析用水接觸，每天每位患者的平均用水量為120L,除去血液濾過治療，以一周患者3次透析為平均值，每位患者每周平均接觸360L的透析用水，所以，透析用水的質(zhì)量監(jiān)測尤為重要。如果透析用水微生物和雜質(zhì)離子偏高，則極有可能給患者帶來健康危險。

透析用水中一項重要的指標為氯離子濃度監(jiān)測，氯離子為自來水廠為了殺滅水中微生物的殘留離子，化學存在的方式主要是游離氯和氯氨。游離氯具有強氧化性，濃度過高可以使半透膜氧化失效從而減少了使用壽命，而氯胺是一種氧化劑，能將人體血紅蛋白氧化成高鐵血紅蛋白，誘發(fā)溶血性貧血。在透析機的水處理系統(tǒng)中，主要是通過活性炭來濾掉氯離子，但是為了保證安全，需要護士每日監(jiān)測一次氯離子濃度，要求游離氯＜0.5mg/L，氯胺＜0.1mg/L，或總氯＜0.1mg/L。因為在自來水中和透析水中游離氯的濃度值均小于氯氨的濃度，所以監(jiān)測游離氯的安全值對患者的生命安全和健康安全具有十分重要的臨床意義。

本論文主要以長周期光纖布拉格光柵為研究對象，利用光纖光柵對折射率的變化從而轉(zhuǎn)換成濃度的變化來進行測量。光纖光柵傳感器具有體積小、耐腐蝕、抗電磁、靈敏度高等優(yōu)勢，且傳感器探頭信號調(diào)制為光波波長調(diào)制，不受光纖光源波動及光纖彎曲影響，可以方便的多點法分布式組成傳感網(wǎng)絡便于準確測量，通過平均值算法可以極大的提高在復雜的環(huán)境中自來水中和透析水中氯離子濃度的準確度。

2 工作原理

長周期光纖光柵諧振損耗峰透射光功率與外界折射率變化會引諧振損耗峰峰值變化，因此，可以利用長周期光纖光柵透射譜強度調(diào)制原理來制作溶液濃度傳感器。

光纖光柵的周圍的環(huán)境變化導致光柵調(diào)制匹配相位相應的變化，相應的透射光強圖譜發(fā)生改變導致折射率發(fā)生了變化，根據(jù)變化率可以計算出外部環(huán)境的濃度（水、空氣、光媒介質(zhì)）變化。完成一次變化波動的媒介及調(diào)制信號以及變化率的判斷主要有三部分構成，即發(fā)光光源（激光器）、光纖光柵傳感器以及接收端光功率強度監(jiān)測裝置。通過激發(fā)光源進入光纖，通過光纖傳導進入光纖光柵傳感器，把傳感器置于待測環(huán)境中（液體），通過傳感器調(diào)制過光信號通過光纖傳送到光功率強度監(jiān)測裝置，計算光強的變化得出溶液的濃度[1]。

當周圍物質(zhì)的濃度（比如氯離子濃度）變發(fā)生化時，環(huán)境中的折射率也相應發(fā)生變化，因此會造成透射譜中心波長透射強度乃至整個干涉圖譜的移動。通過測量透射譜強度變化并結合適當?shù)臉硕夹g可以準確反映周圍環(huán)境折射率的變化。當外界環(huán)境折射率發(fā)生變化，從n2變?yōu)閚3時，諧振損耗峰中心波長的漂移量可以表示為：

其中，n2表示徑。光纖包層折射率，n3表示外界環(huán)境折射率，a2是光纖包層半徑。

在理想狀態(tài)下，溫度不變，在液體濃度相對穩(wěn)定的情況下，折射率是固定不變的。所以當液體濃度發(fā)生改變的情況下，相對應的折射率發(fā)生變化。通過計算證明，溶液濃度與其光纖光柵的折射率關系可以用固定的公式來表達。比如，蔗糖溶液的濃度-折射率關系公式：

n=1.328+0.00184c

其中，n表示溶液的折射率，c表示溶液的濃度，用百分數(shù)表示。類似的，還有NaCl溶液濃度-折射率經(jīng)驗公式如下所示

n=1.3331+0.00185c

酒精溶液濃度-折射率經(jīng)驗公式如下所示

n=1.340+0.0033c

因此，基于外界折射率對長周期光纖光柵諧振損耗峰的調(diào)制原理，可以對溶液氯離子濃度進行監(jiān)測。

3 實驗部分

首先制作長周期光纖光柵，用高溫金屬膠將光纖粘貼到周期性波紋狀結構上，通過應力作用形成損耗可調(diào)諧的長周期光纖光柵，光柵周期為680μm。

實驗通過兩種方法來驗證。第一種方法通過測量長周期光纖光柵透射譜透射峰的漂移及光強變化來判斷液體中氯離子濃度，使用多波長光源，光譜儀等實驗設備。第二種方法為使用激光器利用單一波長的光源進行信號調(diào)制，通過判斷透射光強的變化來確定液體中氯離子的濃度，使用單波長激光器以及光強測量裝置。利用C語言編程進行光源輸出控制，同時計算實驗結果。

第一種實驗方法所得長周期光纖光柵透射光譜圖線性擬合獲得如下表達式

P=-0.05405C-48.70236

其中C是氯離子溶液濃度，單位為mg/L，P是透射峰值，單位為dBm。線性系數(shù)R2等于0.96355。在氯離子溶液濃度從0mg/L到40mg/L的量程達到了很高的準確度。

第二種實驗方法所得長周期光纖光柵透射光譜圖線性擬合得到光功率與溶液濃度變化表達式：

P=-0.022C-18.79214

在整個實驗過程中，我們保持自來水溫度為18攝氏度、透析用水溫度為22攝氏度不變。通過實驗結果可以看出第一種實驗方法溶液中氯離子濃度與透射光譜波峰漂移呈現(xiàn)出很好的線性關系。第二種實驗方法使用單一波長激光光源情況下，可以看出透射光強與溶液中氯離子濃度呈現(xiàn)出很好的線性關系。

通過自來水和透析用水多個監(jiān)測點組網(wǎng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)整合分析，本論文研究了長周期光纖光柵氯離子濃度傳感器組網(wǎng)技術。

由于單根光纖的局限性，避免多個傳感器節(jié)點調(diào)制光信號發(fā)生交叉干擾的情況發(fā)生，在單根光纖上只能安裝有限數(shù)量的傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點受如下公式限制：傳感器數(shù)目N受到光源譜寬KλL、光纖光柵反射帶寬Kλg、傳感器工作窗口寬度Kλs，冗余度Kλr等的限制。

4 結語

本論文介紹了兩種測量液體中氯離子濃度的方法，分別為透射波長調(diào)制法和光強調(diào)制法。對長周期光纖光柵在液體監(jiān)測中的光信號調(diào)制變化中的參量進行了研究，自來水溫度為18攝氏度、透析用水溫度為22攝氏度不變等情況下，得到了漂移波長與溶液濃度變化表達式、光強變化與溶液濃度變化表達式，兩種實驗中得到了很好的線性關系。