[发明专利]一种分布式光纤光栅营养液pH在线检测系统及检测方法

说明书

本发明公开了一种分布式光纤光栅营养液pH在线检测系统及检测方法。所述检测系统包括宽带光源、波分复用器、耦合器、传感器节点、频谱分析仪和计算机。检测方法为：搭建分布式光纤光栅营养液pH在线检测系统，然后将传感器节点分别布置在植物工厂内的栽培营养液中，在光纤中通入光信号，通过频谱分析仪记录回波信号，并传输给计算机分析处理，量化回波信号的狭缝深度以及狭缝处中心波长；根据光纤光栅pH传感器的V‑I传输矩阵数学模型，推导传感器节点处的pH值和位置信息，并将结果在计算机上进行实时展现。本系统具有定位精度高、测量准确度好、抗电磁干扰能力强等特点，能够适用于植物工厂、食品加工车间等需要同时在线检测多个对象pH的场合。

技术领域

本发明涉及分布式检测系统及检测方法，更具体的说是涉及分布式光纤光栅营养液pH在线检测系统及检测方法，用于实现复杂环境下的植物工厂内的栽培营养液pH的快速准确在线测量。

背景技术

植物工厂作为一种资源集约型植物生产模式，具有生产率高，自动化程度高，生产计划性强等优势，成为近年来设施园艺的一种重要的生产方式。营养液栽培具有营养成分易配比、易吸收、更新快等特点，是植物工厂生产的一种最重要的栽培方式。营养液质量将直接影响农产品质量。pH值是营养液的一项重要参数，合适的pH对于植物生长具有促进作用，而不合适的pH值将导致营养液内有益细菌和各种酶的生长受到抑制，从而限制植物根系对营养成分的吸收。因此营养液pH控制水平决定了营养液质量，进而决定了植物生产质量和农产品质量，及时准确的掌握并实施调节pH值，对于植物工厂安全高效生产具有重要意义。

目前，国内外对于pH检测技术的研究主要分为两大类：一类是电学检测方法，如氢电极，离子敏场效应晶体管（ISFET），电位型电极、电流型电极、离子敏选择性电极（ISE）等，如申请号为2015100039326、201580046907.4、201210026320.5等所公开的发明专利；另一类是非电学检测方法，如光纤法、比色法，近红外光谱法，光扫描图像传感法等，如申请号为201380069949.0、201510034169.6、201210587177.7、201310394168.0等所公布的发明专利。对于规模化的植物工厂，面积较大，栽培单元数量多，且各栽培单元之间是分离的，考虑到植物工厂栽培环境的特殊性（高温高湿电磁干扰等），因此对于各个栽培单元内的营养液pH的在线实时监测提出了更高的要求。随着光纤光栅技术和纳米技术的发展，为植物工厂内栽培营养液的pH在线监测提供了新的思路，尤其是光纤光栅传感器在分布式检测中的应用越来越多，从而成为植物工厂内的栽培营养液pH的快速准确在线检测新方向。

发明内容

本发明针对规模化植物工厂内栽培营养液分布式在线检测难的问题，提出一种分布式光纤光栅营养液pH在线检测系统及检测方法，用于实现复杂环境下的植物工厂内的栽培营养液pH的快速准确在线测量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种分布式光纤光栅营养液pH在线检测系统，包括宽带光源、波分复用器、耦合器、传感器节点、频谱分析仪和计算机。所述耦合器分别连接波分复用器、频谱分析仪和传感器节点；所述宽带光源、波分复用器、耦合器、传感器节点和频谱分析仪之间分别采用光纤连接，所述频谱分析仪与计算机之间为电连接。

上述方案中，所述的传感器节点为基于石墨烯智能水凝胶的线性啁啾光纤光栅传感器，由敏感涂层1、光纤光栅2、光纤包层3和光纤纤芯4组成。

上述方案中，所述的敏感涂层1由掺杂有石墨烯微片层的智能水凝胶构成，智能水凝胶以N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（BIS）为交联剂，过硫酸钾（K2S2O8）为前驱体，石墨烯微片层的片径为100~300nm，质量比为0.5%~1.0%。

上述方案中，所述的光纤光栅2为线性啁啾光纤光栅，中心波长为1544nm，啁啾系数为0.2nm/cm，折射率调制度为1.5×10-4。

一种分布式光纤光栅营养液pH在线检测方法，其特征在于，包括如下步骤：