微生物燃料電池內(nèi)Cu2+濃度在線測量的LPFG傳感器研究.pdf

1、微生物燃料電池（Microbial Fuel Cell, MFC）是一種新型的廢水處理及產(chǎn)能裝置，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)污水處理，同時(shí)也可以產(chǎn)生能源，不會對環(huán)境造成危害。但是微生物燃料電池在實(shí)際運(yùn)行過程中，它的產(chǎn)電功率會受多種因素影響。目前學(xué)者從電池電極材料、陰陽極溶液、電池溫度及啟動條件等方面進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)微生物燃料電池的產(chǎn)電功率會受溫度、陰極室銅離子含量等因素的影響。
　　如何對微生物燃料電池內(nèi)的銅離子濃度進(jìn)行有效測量，對于提高微生物的

2、產(chǎn)電功率具有重要意義。由于常規(guī)測量方法會破壞微生物燃料電池的運(yùn)行環(huán)境，對微生物活性有一定的破壞性，本文采用長周期光纖光柵和布拉格光纖光柵來實(shí)現(xiàn)對微生物燃料電池內(nèi)的溫度和銅離子濃度進(jìn)行有效測量。本文從以下幾個(gè)方面展開了研究：
　?。?）對組合式光柵的傳感原理進(jìn)行分析，研究了LPFG中心波長與銅離子濃度大小之間的關(guān)系；設(shè)計(jì)一種FBG與LPFG并聯(lián)形式的組合光柵銅離子傳感器，并對組合光柵的傳感原理進(jìn)行分析，探究LPFG中心波長與銅離子濃

3、度之間的關(guān)系；設(shè)計(jì)并啟動了MFC，將組合光柵安裝在MFC中，對MFC陰極室的銅離子濃度進(jìn)行檢測，并對MFC的輸出電壓進(jìn)行監(jiān)測。
　?。?）采用共價(jià)鍵結(jié)合法在光纖表面固定銅離子敏感膜。本文對光纖表面羥基化、硅烷化及CMC固定等步驟進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用紅外光譜儀對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，驗(yàn)證光纖表面物質(zhì)的成分，以此證明光纖表面敏感膜固定的效果；并且也運(yùn)用掃描電鏡與體視顯微鏡對光纖表面敏感膜的形貌進(jìn)行觀察，得到優(yōu)化以后的光纖表面的銅離子敏感膜

4、的固定方法。
　　（3）設(shè)計(jì)了組合式光柵銅離子傳感器，將FBG與LPFG進(jìn)行級聯(lián)，并且設(shè)計(jì)成兩個(gè)光柵并聯(lián)的形式，使得兩個(gè)光柵能夠測量的區(qū)域更加相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的組合光柵在僅有溫度變化時(shí)，F(xiàn)BG和LPFG的中心波長都向長波長方向偏移，它們的中心波長偏移量與溫度之間呈一定的線性關(guān)系， FBG的溫度靈敏度為0.0085nm/℃，LPFG的溫度靈敏度為0.0747nm/℃；當(dāng)僅有濃度變化時(shí)，LPFG的折射率靈敏度為-32.42

5、nm/RIU，中心波長向短波長方向偏移，F(xiàn)BG的中心波長沒有發(fā)生偏移。
　?。?）將設(shè)計(jì)完成的組合光柵銅離子傳感器置于硫酸銅溶液中進(jìn)行測量，對不同濃度的硫酸銅溶液進(jìn)行測量。基于LPFG的銅離子傳感器可以通過監(jiān)測中心波長偏移情況來測量銅離子濃度大小，測量曲線的擬合的擬合系數(shù)R2=0.94335；將制作完成的組合光柵應(yīng)用于MFC中，對陰極室內(nèi)的銅離子濃度進(jìn)行有效測量，探究了銅離子濃度與MFC輸出電壓之間的關(guān)系。
　?。?）進(jìn)行了

6、塑料光纖的銅離子濃度的測量實(shí)驗(yàn)，對塑料光纖傳感器的測量原理、塑料光纖中的光路傳輸進(jìn)行了研究，分析得出最佳的鍍膜條件及測量方法來制作測量效果最佳的銅離子傳感器，通過監(jiān)測輸出光強(qiáng)變化情況來測量銅離子濃度大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，測量曲線的擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.94939，傳感器的測量結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了銅離子濃度的測量。
　　本文設(shè)計(jì)了基于組合光柵的銅離子傳感器和基于塑料光纖的銅離子傳感器，兩種方案都取得了一定的實(shí)驗(yàn)效果。基于組合光