一种水污染监测生物传感器及监测系统与监测方法与流程

本发明涉及水污染监测技术领域，尤其涉及一种水污染监测生物传感器及监测系统与监测方法。

背景技术：

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

常规的水质监测往往需要到水源地就地取样，将样本水带回实验室或者检测中心进行离线检测，这种技术方法监测周期长，存在时效性差、数据可靠性差的问题，并且成本消耗大，无法实现在线监测。

目前也有部分电子产品可以实现在线水质监测，但是该类电子产品需要供电，在大规模水域内很难多点布放，特别是在海水中，容易被水生生物附着而失效，同时也很难在海洋腐蚀环境下长期工作。将传感器安装在生物体上实现环境监测是一项新技术，但大多数都是采用电子传感器实现的，同样存在不耐腐蚀、不易供电、易受信号传输干扰等问题，无法长期在线监测，不利于水污染情况的监测。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种水污染监测生物传感器及监测系统与监测方法。

为解决以上技术问题，本发明的以下一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种水污染监测生物传感器，包括：

水生生物，为活的双壳贝类生物体；

光栅固定结构，包括第一固定基座、第二固定基座和弹性梁片，弹性梁片为拱形结构，其第一固定部和第二固定部分别安装于第一固定基座和第二固定基座上，使其中部的弯曲部位于两个固定基座中间；两个固定基座分别固定于水生生物的两个壳体表面；

光栅，为光纤布拉格光栅，粘附于光栅固定结构的弯曲部的外侧；

水生生物的两个壳体的开合通过两个固定基座带动弯曲部扩张或收缩，进而带动光栅规律性扩张或收缩，产生信号的变化。

第二方面，本发明提供一种水污染监测系统，包括：

所述水污染监测生物传感器；

解调仪，通过光缆与生物传感器的光栅连接；

计算机，与解调仪连接。

第三方面，本发明提供一种水污染监测方法，包括如下步骤：

双壳贝类生物体的呼吸引起两个外壳的张合运动，通过两个固定基座传递到弹性梁片上，引起弹性梁片的弯曲部的舒张或压缩，进而使紧贴在弹性梁片弯曲部上的光栅同步发生形变，引起光栅中心波长的改变；

通过监测光栅中心波长的变化规律，来监测双壳贝类生物体所处水域的水质情况。

与现有技术相比，本发明的以上一个或多个技术方案取得了以下有益效果：

水污染监测生物传感器在使用时，将第一固定基座和第二固定基座固定在扇贝等双壳贝类生物体上，然后将其放置于待监测的水体中，通过监测生物体生理特征变化，实时反应水质污染、含氧量、农药含量等一系列指标来完成水污染的监测，实现借助生物载体实现水污染情况的监测，方便进行水体监测。

光纤布拉格光栅贴附于弯曲部的外侧，更容易发生均匀应变，进而产生规律性信号。此外，弯曲部具有一定的弹性，可以及时复位，且在一定受力范围内不会出现塑性形变，以保证监测的准确性。

该水污染监测方法是利用双壳贝类生物体作为水污染程度的感知体，通过光纤传感器采集获得生物体的活动特征，从而实现水污染指标的监测，对于水污染监测，特别是对生物体能够产生直接影响的水质污染监测具有更加有效和直接的在线监测效果。

利用光纤布拉格光栅感应双壳贝类生物体的活动特征，通过光缆将光栅的应变信号向外传递，通过该种方式进行监测时，监测距离可达上百公里，无需中继站、无需供电，解决了目前生物传感器离线采样、电子传感器远程长期在线监测困难的问题，为海洋信息监测网的铺设提供必要监测手段。

此外，还可以将多个生物传感器进行串联，采用波分复用可以实现多个传感器的串联检测，大大减少了布线分线难度，为实际海洋布设提供了便利。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例提供的水污染监测生物传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的水污染监测生物传感器的局部结构示意图；

图3为本发明实施例提供的弹性梁片的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第一固定基座的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第二固定基座的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的水污染监测系统的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的双壳贝类生物体健康态与病态波形示例图；

图8为本发明实施例提供的双壳贝类生物体在正常水质环境下呼吸、滤食、休眠波形图。

其中，1、第一固定基座，101、第一卡槽，102、第一孔；

2、第二固定基座，201、第二卡槽，202、第二孔，203、光纤槽；

3、弹性梁片，301、第一固定部，302、第二固定部，303、弯曲部；

4、光纤布拉格光栅，5、隔离仓，6、光缆，7、光缆缓冲保护套，8、计算机，9、解调仪，10、双壳贝类。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

第一方面，本发明提供一种水污染监测生物传感器，包括：

水生生物，为活的双壳贝类生物体；

光栅固定结构，包括第一固定基座、第二固定基座和弹性梁片，弹性梁片为拱形结构，其第一固定部和第二固定部分别安装于第一固定基座和第二固定基座上，使其中部的弯曲部位于两个固定基座中间；两个固定基座分别固定于水生生物的两个壳体表面；

光栅，为光纤布拉格光栅，粘附于光栅固定结构的弯曲部的外侧；

水生生物的两个壳体的开合通过两个固定基座带动弯曲部扩张或收缩，进而带动光栅规律性扩张或收缩，产生信号的变化。

在一些实施例中，弯曲部未发生弹性形变时，第一固定基座与第二固定基座平行。采用该种结构，两个固定基座之间的开合可以更灵敏地传递到弯曲部上，进而使弯曲部的变形更加灵敏，有利于提高监测的灵敏度。

在一些实施例中，弯曲部的外侧壁处于隔离仓内，隔离仓内部填充有隔离液。

弯曲部的外侧壁是指弯曲部的外凸的一侧的侧壁，光栅粘贴于该侧壁上，将光栅置于隔离液中，可以将光栅与外界的水体隔离，以保证光栅的正常工作，并保证光栅的使用寿命。

进一步的，所述防水隔离壁的材质为橡胶或塑料。

进一步的，所述隔离液为硅油。硅油具有较高的耐热性、耐水性、电绝缘性和较小的表面张力，可用作隔离剂。其它液体成分也可以，需具有对金属和橡胶没有腐蚀的特性，且在常规海水或淡水四季温度范围内不结冰、不汽化、膨胀系数小等特征。

进一步的，所述隔离仓包裹于弹性梁片和光栅的外部。

更进一步的，隔离仓的一端固定于第一固定基座上，另一端固定于第二固定基座上。

在一些实施例中，第一固定基座上设置有第一卡槽，第二固定基座上设置有第二卡槽，弹性梁片的第一固定部和第二固定部分别插合于第一卡槽和第二卡槽内。

进一步的，所述弹性梁片的材质为不锈钢或纤维复合材料。具有较强的弹性和耐海水侵蚀性。

在一些实施例中，第一固定基座和第二固定基座通过防水胶粘结于双壳贝类生物体的壳体上。

进一步的，第一固定基座与壳体的粘结位置处设置有第一孔，第二固定基座与壳体的粘结位置处设置有第二孔，第一孔和第二孔均为通孔。

第一孔和第二孔的设置便于向固定基座与壳体之间涂防水胶，以提高固定基座与壳体之间的粘结强度。此外，采用该种结构，可以先将固定基座与壳体定位后，再通过第一孔和第二孔向内注射粘合剂，有助于更好地实现固定基座的定位固定。

在一些实施例中，第一固定基座或第二固定基座上设置有槽体。

该槽体用于放置光缆，以便于将光缆与光栅连接。

第二方面，本发明提供一种水污染监测系统，包括：

所述水污染监测生物传感器；

解调仪，通过光缆与生物传感器的光栅连接；

计算机，与解调仪连接。

在一些实施例中，光栅与光缆的连接处设置有光缆缓冲保护套。用于保护光纤布拉格光栅与光缆的连接。

进一步的，所述光缆缓冲保护套设置于光纤槽内。

所述水污染监测生物传感器的数量根据实际需要可以扩展传感器数量，传感器之间相互串联。

第三方面，本发明提供一种水污染监测方法，包括如下步骤：

双壳贝类生物体的呼吸引起两个外壳的张合运动，通过两个固定基座传递到弹性梁片上，引起弹性梁片的弯曲部的舒张或压缩，进而使紧贴在弹性梁片弯曲部上的光栅同步发生形变，引起光栅中心波长的改变；

通过监测光栅中心波长的变化规律，来监测双壳贝类生物体所处水域的水质情况。

本发明实施例提供了一种新型水污染监测生物传感器，水污染监测传感器用于固定于扇贝等双壳贝类生物体上。图1为本发明实施例提供的一种水污染监测传感器的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的水污染监测传感器包括第一固定基座1、第二固定基座2、弹性梁片3和光纤布拉格光栅4。

弹性梁片3的一端固定连接第一固定基座1，弹性梁片3的另一端固定连接第二固定基座2，即弹性梁片3实现将第一固定基座1和第二固定基座2连接在一起。第一固定基座1和第二固定基座2用于固定连接扇贝等双壳贝类生物体的壳体。弹性梁片3具有良好的弹性，可起到良好的传动作用。在本发明实施例中，第一固定基座1和第二固定基座2的后端连接弹性梁片3，第一固定基座1和第二固定基座2的前端用于固定连接扇贝等双壳贝类生物体。

当将水污染监测传感器通过第一固定基座1和第二固定基座2固定在生物体上时，生物体的呼吸引起其上下两张外壳的张合，从而带动第一固定基座1和第二固定基座2的张合运动，第一固定基座1和第二固定基座2的张合运动传导至弹性梁片3上，引起弹性梁片3的弯曲形变。光纤布拉格光栅4固定设置在弹性梁片3上，当弹性梁片3发生弯曲形变时，弯曲形变会引起紧贴在弹性梁片3上的光纤布拉格光栅4随之同步产生应变，从而引起光纤布拉格光栅4中心波长的改变。

光纤布拉格光栅的中心反射波长为：

λb＝2neffλ(1)，式中：neff为导模的有效折射率，λ为光栅的固有周期。

当波长满足布拉格条件式(1)时，入射光将被光纤光栅反射回去。

由公式(1)可知，光纤光栅的中心反射波长λb随neff和λ的改变而改变。光纤布拉格光栅对于应力很敏感，应力通过弹光效应和光纤光栅周期λ的变化来影响λb。

当光纤光栅仅受应力作用时，光纤光栅的折射率和周期发生变化，引起中心反射波长λb移动，因此有：

式中：δneff为折射率的变化，δλ为光栅周期的变化。

光栅产生应力时的折射率变化：

式中：

ε是轴向应力，μ是纤芯材料的泊松比，p11、p12是弹光系数，pe是有效弹光系数。

假设光纤光栅是绝对均匀的，也就是说，光栅的周期相对变化率和光栅段的物理长度的相对变化率是一致的。

所以公式(3)可写成：

公式(6)就是裸光纤光栅应力测量的一般计算公式。

轴向应力ε是由光栅所受到的双壳贝类生物体张合引起梁片弯曲造成的，即双壳贝类生物体张合引起了光纤光栅应力变化，通过公式(6)可以建立起双壳贝类呼吸以及滤食贝壳张合度q与光纤光栅中心波长λb的对应关系：

δλb＝β*q(7)，其中，β为斜率系数。

根据以上公式，只要测量得出光栅中心波长的变化量即可测量出双壳贝类生物体张合呼吸以及滤食的频率特征规律。

在本发明实施例中，双壳贝类生物体优选扇贝，扇贝生存能力强，但不局限于扇贝，可根据实际检测水体进行选择。当选用扇贝时，如附图1所示，扇贝10被夹持在第一固定基座1和第二固定基座2的远离其固定连接弹性梁片3的一端，第一固定基座1和第二固定基座2分别固定连接扇贝10的上下两个贝壳上。

生物体呼吸滤食规律与水质成分之间的对应关系，可根据不同成分与生物体特征改变规律建立专业的数据库，不同种贝壳对不同成分的响应关系也不同，同种贝壳对于不同的成分响应关系也不同，但是，确定的贝壳与确定的成分其对应响应关系是确定的，例如，石油污染与扇贝张合呼吸活跃度间存在明显的对应关系。因此，通过监测生物体生理特征变化实时反应水质污染、含氧量、农药含量等一系列指标来完成水污染的监测，实现借助生物载体实现水污染情况的监测，方便进行水体监测。

本发明实施例提供的水污染监测传感器，主要用于水体环境中，如海洋水体等。为防止水体对弹性梁片3和光纤布拉格光栅4在水体中被腐蚀或是被水体生物附着而影响水污染监测传感器的使用，本发明实施例提供的水污染监测传感器上还包括隔离仓5。隔离仓5固定连接第一固定基座1和第二固定基座2，且弹性梁片3和光纤布拉格光栅4位于隔离仓5内，隔离仓5用于防止弹性梁片3和光纤布拉格光栅4在水体中被腐蚀或是被水体生物附着。隔离仓5使用弹性软材制作而成。可选的，隔离仓5的弹性软材可以选择防水的橡胶材料或者防水薄膜材料等。进一步，隔离仓5内填充硅油，可更好的保护弹性梁片3和光纤布拉格光栅4，并且便于水污染监测传感器在水下使用。

弹性梁片3可以采用高cr、ni低c耐海水侵蚀不锈钢、fealmo合金不锈钢材料、具有弹性的耐海水侵蚀纤维复合材料等，进而使弹性梁片3具有较强弹性和耐海水侵蚀性。

隔离仓5包括隔离仓内侧片和隔离仓外侧片，隔离仓内侧片和隔离仓外侧片的一端固定连接第一固定基座1，另一端固定连接第二固定基座2，隔离仓外侧片位于第一固定基座1和第二固定基座2的端部，隔离仓内侧片位于第一固定基座1和第二固定基座2相对的内侧，且隔离仓内侧片和隔离仓外侧片连接成一个腔体，将弹性梁片3和光纤布拉格光栅4包裹其内部。

图2为本发明实施例提供的一种水污染监测传感器的局部结构示意图。图2示出了本发明实施例中弹性梁片3、第一固定基座1和第二固定基座2的基本结构。图3为本发明实施例中提供的弹性梁片的结构示意图；图4为本发明实施例中提供的第一固定基座的结构示意图；图5为本发明实施例中提供的第二固定基座的结构示意图。下面结合图2-5对本发明实施例提供的弹性梁片3、第一固定基座1和第二固定基座2进行详细描述。

如图3所示，本发明实施例提供的弹性梁片3包括第一固定部301、第二固定部302和弯曲部303，弯曲部303连接第一固定部301和第二固定部302。弹性梁片3通过所述第一固定部301固定连接第一固定基座1，弹性梁片3通过所述第二固定部302固定连接第二固定基座2，光纤布拉格光栅4固定设置在所述弯曲部303上。弯曲部303凹面朝向第一固定部101和第二固定部201，凸面朝向102和202方向，弯曲部303通过301和302与固定连接第一固定基座1的101和第二固定基座2的201固定连接。

具体的，第一固定部301和第二固定部303为平直结构，便于实现与第一固定基座1和第二固定基座2的连接，第一固定部301和第二固定部303之间的距离可根据扇贝等双壳贝类生物体的实际厚度进行选择。在本发明实施例中，光纤布拉格光栅4固定于弯曲部303上，便于实现对光纤布拉格光栅4的触发。当扇贝等双壳贝类生物体的贝壳张合带动第一固定基座1和第二固定基座2张合，张合的第一固定基座1和第二固定基座2通过弹性梁片3的第一固定部301和第二固定部302传递至弹性梁片3的弯曲部303，从而触发光纤布拉格光栅4，即弯曲部303发生弯曲形变时，弯曲形变会引起紧贴在弹性梁片3上的光纤布拉格光栅4随之同步产生应变，从而引起光纤布拉格光栅4中心波长的改变。第一固定部301、第二固定部302和弯曲部303组合便于更加精确的触发光纤布拉格光栅4，进而可以更加准确的测量出生物体张合呼吸以及滤食的频率特征规律。

优选的，光纤布拉格光栅4设置在弹性梁片3的弯曲部303的外侧，有利于光纤布拉格光栅4的触发，同时便于光纤布拉格光栅4的安装。

如图4所示，在本发明实施例中，第一固定基座1上设置第一卡槽101。弹性梁片3通过第一卡槽101卡合连接所述第一固定基座1。弹性梁片3的第一固定部301卡合连接第一卡槽101。

如图4所示，在第一固定基座1远离其固定连接弹性梁片3的一端设置第一孔102。在本发明实施例中，水污染监测传感器通常采用防水胶将第一固定基座1固定在扇贝等双壳贝类生物体的贝壳上，因此设置第一孔102的设置便于涂放防水胶，加固贝壳与水污染监测传感器的连接，有效防止水污染监测传感器从贝壳上脱落，提高水污染监测传感器与贝壳之间连接的稳定性。在本发明实施例中，第一孔102为通孔。优选的，第一孔102的数量为两个，但不局限于两个，可根据具体使用需求进行选择。

进一步，如图5所示，在本发明实施例中，第二固定基座2上设置第二卡槽201。弹性梁片3通过第二卡槽201卡合连接所述第二固定基座2。可选的，弹性梁片3的第二固定部302卡合连接第二卡槽201。

如图5所示，在第二固定基座2远离其固定连接弹性梁片3的一端设置第二孔202。在本发明实施例中，水污染监测传感器通常采用防水胶将第二固定基座2固定在扇贝等双壳贝类生物体的贝壳上，因此设置第二孔202便于涂放防水胶，加固贝壳与水污染监测传感器的连接，有效防止水污染监测传感器从贝壳上脱落，提高水污染监测传感器与贝壳之间连接的稳定性。在本发明实施例中，第二孔202为通孔。优选的，第二孔202的数量为两个，但不局限于两个，可根据具体使用需求进行选择。

更进一步，为方便实现第一固定基座1和第二固定基座2与扇贝等双壳贝类生物体的固定连接，第一固定基座1和第二固定基座2前端设置有通孔102、202，用于有效固定贝壳和基座，能够防止滑落和松动。

在本发明实施例中，水污染监测传感器还包括光缆6，光缆6连接所述光纤布拉格光栅4。光缆6用于实现光纤布拉格光栅4中心波长的输出，更加方便水污染监测传感器的连接使用。

进一步，光纤布拉格光栅4与所述光缆6连接处设置光缆缓冲保护套7，所述光缆缓冲保护套7套设在所述光纤布拉格光栅4与所述光缆6的连接接头上。光缆缓冲保护套7用于保护光纤布拉格光栅4与光缆6的连接。

更进一步，为方便光缆6的安装，第一固定基座1或第二固定基座2上设置光纤槽，光缆缓冲保护套7嵌设在所述光纤槽内。如附图5所示，第二固定基座2上设置光纤槽203，光纤槽203穿过第二卡槽201，光缆缓冲保护套7嵌设在光纤槽203内，当第二卡槽201卡接弹性梁片3后，将光缆6通过光缆缓冲保护套7压制在光纤槽203内。

基于本发明实施例提供的水污染监测传感器，本发明还提供了一种水污染监测系统。图6为本发明实施例中提供的一种水污染监测系统的结构示意图。如图6所示，本发明实施例中提供的水污染监测系统包括计算机8、解调仪9和若干水污染监测传感器。所述水污染监测传感器为上述实施例所述的水污染监测传感器。所述解调仪9的信号输入端通过光缆连接所述水污染监测传感器的光纤布拉格光栅4的输出端，所述解调仪9的信号输出端连接计算机8。计算机8通过解调仪9获得光纤布拉格光栅4的光栅中心波长的变化曲线，从而可以获得该生物体的呼吸滤食特征规律，进而推算出相应的水污染特性参数。

在本发明实施例中，水污染监测系统可安装多个水污染监测传感器，根据实际需要可以扩展传感器数量。优选的，每个水污染监测传感器所采用的光纤光栅基准中心波长均不同，进而可以实现波分复用，即包括了多个传感探头的一组水污染监测传感器相互之间可共用一个光纤/光缆通道而不串扰，多个水污染监测传感器之间可以通过光纤分路器或者光纤耦合器并联，也可设计为串联方式。每组水污染监测传感器通过光缆连接，进行信号传输。光纤光缆为特氟龙等抗拉型多芯光缆，既可作为信号传输用，又可作为收放传感器的缆绳使用。

在本发明实施例提供的水污染监测系统中，选择生命健康、适合被监测水域生存的双壳贝类生物体，例如扇贝等，根据图6所示组装封装水污染监测传感器，双壳贝类生物体被稳定夹持在水污染监测传感器的第一固定基座1和第二固定基座2中间，并通过上下基座预留的第一孔和第二孔涂敷快速固化水泥或者耐水胶，有利于双壳贝类生物体长期牢固地固定在第一固定基座1和第二固定基座2上。

解调仪9通过连接光纤光缆6与水污染监测传感器阵列连接在一起，解调仪9与计算机8通过网线接口连接，计算机上设置有读取数据软件，能够实时监测各个水污染监测传感器内封装的光纤布拉格光栅中心波长。

例设，图7为水质投毒前后双壳贝类生物体健康态与病态波形图，图8为某一种双壳贝类生物体在正常水质环境下呼吸、滤食、休眠波形图。那么根据图7和图8中数据可实时监控水质的变动情况。例如，一些蚌类贝壳在70-80％的时间内处于张开状态，以便摄取食物和氧气，但遇到水源污染的情况下，其贝壳关闭的时间会有所改变。

同时，因不同的生物体种类具有不同的基本生物特征，因此，在实际应用时，往往选择多个水污染监测传感器阵列式布放，所采用的生物体品种保证一致。此外，在水域内设置一标准水箱，水箱内水质为标准健康水质，例如海水为无污染的健康海水水源，淡水为普通饮用水水源取水等普通常见无明显污染的水。水箱内布放的水污染监测传感器采集到的数据设为标准值信号，其他传感器信号与标准值信号进行比对观察，特征相同或相近则认为水质安全，有巨大波动差异则判为异常。布放在同一水域位置的多个水污染监测传感器互为参考，其中某一个水污染监测传感器出现异常，例如生物体死亡造成信号特征消失时，其他水污染监测传感器均无异常，则可排除异常水污染监测传感器信号，作为失效信号处理。

在本发明实施例中，水污染监测系统中串联若干水污染监测传感器。串联方式可以采用一根光纤串若干水污染监测传感器，当需要很多传感器布放的时候，串联仅一根光缆然后结合采用波分复用可以实现，大大减少了布线分线难度，为进行水污染监测的布设提供便利，尤其为实际海洋布设提供了便利。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。