宋大偉

黑龍江省醫(yī)院醫(yī)學(xué)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(jī)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(cè)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(xiǎn)。

透析用水中一項(xiàng)重要的指標(biāo)為氯離子濃度監(jiān)測(cè)，氯離子為自來水廠為了殺滅水中微生物的殘留離子，化學(xué)存在的方式主要是游離氯和氯氨。游離氯具有強(qiáng)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(jī)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(hù)士每日監(jiān)測(cè)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?yàn)樵谧詠硭泻屯肝鏊杏坞x氯的濃度值均小于氯氨的濃度，所以監(jiān)測(cè)游離氯的安全值對(duì)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(zhǎng)周期光纖布拉格光柵為研究對(duì)象，利用光纖光柵對(duì)折射率的變化從而轉(zhuǎn)換成濃度的變化來進(jìn)行測(cè)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(shì)，且傳感器探頭信號(hào)調(diào)制為光波波長(zhǎng)調(diào)制，不受光纖光源波動(dòng)及光纖彎曲影響，可以方便的多點(diǎn)法分布式組成傳感網(wǎng)絡(luò)便于準(zhǔn)確測(cè)量，通過平均值算法可以極大的提高在復(fù)雜的環(huán)境中自來水中和透析水中氯離子濃度的準(zhǔn)確度。

2 工作原理

長(zhǎng)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(huì)引諧振損耗峰峰值變化，因此，可以利用長(zhǎng)周期光纖光柵透射譜強(qiáng)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(dǎo)致光柵調(diào)制匹配相位相應(yīng)的變化，相應(yīng)的透射光強(qiáng)圖譜發(fā)生改變導(dǎo)致折射率發(fā)生了變化，根據(jù)變化率可以計(jì)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(dòng)的媒介及調(diào)制信號(hào)以及變化率的判斷主要有三部分構(gòu)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(qiáng)度監(jiān)測(cè)裝置。通過激發(fā)光源進(jìn)入光纖，通過光纖傳導(dǎo)進(jìn)入光纖光柵傳感器，把傳感器置于待測(cè)環(huán)境中（液體），通過傳感器調(diào)制過光信號(hào)通過光纖傳送到光功率強(qiáng)度監(jiān)測(cè)裝置，計(jì)算光強(qiáng)的變化得出溶液的濃度[1]。

當(dāng)周圍物質(zhì)的濃度（比如氯離子濃度）變發(fā)生化時(shí)，環(huán)境中的折射率也相應(yīng)發(fā)生變化，因此會(huì)造成透射譜中心波長(zhǎng)透射強(qiáng)度乃至整個(gè)干涉圖譜的移動(dòng)。通過測(cè)量透射譜強(qiáng)度變化并結(jié)合適當(dāng)?shù)臉?biāo)定技術(shù)可以準(zhǔn)確反映周圍環(huán)境折射率的變化。當(dāng)外界環(huán)境折射率發(fā)生變化，從n2變?yōu)閚3時(shí)，諧振損耗峰中心波長(zhǎng)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(duì)穩(wěn)定的情況下，折射率是固定不變的。所以當(dāng)液體濃度發(fā)生改變的情況下，相對(duì)應(yīng)的折射率發(fā)生變化。通過計(jì)算證明，溶液濃度與其光纖光柵的折射率關(guān)系可以用固定的公式來表達(dá)。比如，蔗糖溶液的濃度-折射率關(guān)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?jǐn)?shù)表示。類似的，還有NaCl溶液濃度-折射率經(jīng)驗(yàn)公式如下所示

n=1.3331+0.00185c

酒精溶液濃度-折射率經(jīng)驗(yàn)公式如下所示

n=1.340+0.0033c

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

3 實(shí)驗(yàn)部分

首先制作長(zhǎng)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(jié)構(gòu)上，通過應(yīng)力作用形成損耗可調(diào)諧的長(zhǎng)周期光纖光柵，光柵周期為680μm。

實(shí)驗(yàn)通過兩種方法來驗(yàn)證。第一種方法通過測(cè)量長(zhǎng)周期光纖光柵透射譜透射峰的漂移及光強(qiáng)變化來判斷液體中氯離子濃度，使用多波長(zhǎng)光源，光譜儀等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。第二種方法為使用激光器利用單一波長(zhǎng)的光源進(jìn)行信號(hào)調(diào)制，通過判斷透射光強(qiáng)的變化來確定液體中氯離子的濃度，使用單波長(zhǎng)激光器以及光強(qiáng)測(cè)量裝置。利用C語(yǔ)言編程進(jìn)行光源輸出控制，同時(shí)計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

第一種實(shí)驗(yàn)方法所得長(zhǎng)周期光纖光柵透射光譜圖線性擬合獲得如下表達(dá)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(dá)到了很高的準(zhǔn)確度。

第二種實(shí)驗(yàn)方法所得長(zhǎng)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(dá)式：

P=-0.022C-18.79214

在整個(gè)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出第一種實(shí)驗(yàn)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(guān)系。第二種實(shí)驗(yàn)方法使用單一波長(zhǎng)激光光源情況下，可以看出透射光強(qiáng)與溶液中氯離子濃度呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系。

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

由于單根光纖的局限性，避免多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)調(diào)制光信號(hào)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(diǎn)，傳感器節(jié)點(diǎn)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(jié)語(yǔ)

本論文介紹了兩種測(cè)量液體中氯離子濃度的方法，分別為透射波長(zhǎng)調(diào)制法和光強(qiáng)調(diào)制法。對(duì)長(zhǎng)周期光纖光柵在液體監(jiān)測(cè)中的光信號(hào)調(diào)制變化中的參量進(jìn)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(zhǎng)與溶液濃度變化表達(dá)式、光強(qiáng)變化與溶液濃度變化表達(dá)式，兩種實(shí)驗(yàn)中得到了很好的線性關(guān)系。