本发明涉及光纤光栅传感技术和膜法水处理技术领域，尤其涉及一种基于光纤光栅传感的膜面应力分布测量系统。
背景技术：
膜技术因其节能、高效、经济、简单方便、无二次污染等一系列优点,在水处理中已被广泛地用于苦咸水淡化、海水淡化、工业给水处理、纯水及超纯水制备、废水处理、污水回用等。但在膜法水处理如正渗透过程中，存在浓差极化和膜污染的问题，使得通量下降。通过改变操作条件(水流速度和压力等)，可以减缓浓差极化和膜污染。如果能对膜界面的所受应力进行测量，则可有效了解膜面水力学情况，控制膜污染，科学的控制水力压力和能耗，指导优化组件结构等。由于膜分离过程中膜孔尺寸大都在微米级以下，同时污染和乘积在膜表面的颗粒物往往也在微米级以下，因此分析污染物在膜面上的水力学行为无法通过通常用在较大尺度流场的水力学分析设备而获得。目前，还没有有效地的手段可以直接对膜面的所受应力进行测量，通常，对膜分离过程中膜面的分析，大多数都是通过数值模拟和计算流体力学的方法，对膜面不同位置的流速、压力和浓度进行分析。
光纤光栅结构简单，质量轻，耐腐蚀，体积小并且本身即为敏感元件，对被测物体影响小，可以用来测量处于狭窄空间的物理量变化技术，并且能够通过分布式阵列进行多点测量。由于其在外形上可构造与膜面微流体行为更为接近的尺度范畴，因此使其直接测量膜表面的水力学行为的信息成为可能。
目前尚未有基于光纤光栅传感技术的膜面应力分布的测量系统。
技术实现要素：
针对现有技术正渗透膜处理技术中常见的板式正渗透膜组件，本发明将光纤光栅置于正渗透膜组件内，提供一种基于光纤光栅传感的膜面所受应力分布测量装置，可以实现对同一时刻膜面不同位置所受应力进行测量。本发明主要是基于光纤光栅的特性和传感原理，采用波分复用的方法，将多根光纤光栅串联后均匀分布在膜表面，对膜分离过程中膜面不同位置所受应力分布进行分析。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种基于光纤光栅传感的膜面所有应力分布测量装置，其基本方案是，包括固定在膜组件内的多个光纤光栅传感器，所述多个光纤光栅传感器与所述膜组件相互之间的位置和连接关系是，多个光纤光栅传感器按照沿膜组件工作时的水流方向且在廊道区域范围内分布布置，多个光纤光栅传感器与所述膜组件的膜面之间的距离在0-1mm；各光纤光栅传感器的光栅波长互不重叠；多个光纤光栅传感器依次用单模光纤串联；串联后的光纤光栅传感器的一端为自由端，串联后的光纤光栅传感器的另一端通过单模光纤与一光纤光栅解调仪的输入端相连接；所述光纤光栅解调仪的输出端连接至一台计算机，所述计算机内安装有数据采集模块及数据处理模块，所述数据采集模块采用与所述光纤光栅传感解调仪配套的软件；所述数据处理模块根据光纤光栅的传感原理通过采集到的上述多个光纤光栅传感器的光栅波长的变化得出所述膜组件膜面所有应力的分布。
本发明中提出的一种基于光纤光栅传感的膜面所有应力分布测量装置，其组合方案是，包括多套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件，膜组件均为中空纤维膜或是平板膜或是卷式膜；每套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件中，所述多个光纤光栅传感器与所述膜组件相互之间的位置和连接关系是，多个光纤光栅传感器按照沿膜组件工作时的水流方向且在廊道区域范围内分布布置，多个光纤光栅传感器与所述膜组件的膜面之间的距离在0-1mm；各光纤光栅传感器的光栅波长互不重叠；多个光纤光栅传感器依次用单模光纤串联，从而形成一套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件；将各套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件的光纤光栅的两自由端用单模光纤连接，连接方式是串联或并联或串并联；将连接后的多套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件中的光纤光栅的一端通过单模光纤与一光纤光栅解调仪的输入端相连接；所述光纤光栅解调仪的输出端连接至一台计算机，所述计算机内安装有数据采集模块及数据处理模块，所述数据采集模块采用与所述光纤光栅传感解调仪配套的软件；所述数据处理模块根据光纤光栅的传感原理通过采集到的上述多个光纤光栅传感器的光栅波长的变化得出所述膜组件膜面所有应力的分布。
进一步讲，本发明中，所述光纤光栅传感器的带宽为0.2nm、反射率高于90％、栅区长度为10mm且加涂覆、光纤光栅传感器的中心波长范围为1530nm-1570nm，所述光纤光栅传感器的中心波长仅受温度和应变的影响。
所述膜组件是超滤膜、中空纤维膜、正渗透膜组件和反渗透膜组件的任何一种。
所述光纤光栅解调仪采用动态光纤光栅解调仪。
所述数据采集模块采用与动态光纤光栅解调仪配套的软件，所述数据采集模块设置的数据采集频率为每秒采集1-1000个数据。
所述正渗透膜组件是板式正渗透膜组件，所述板式正渗透膜组件包括原料液侧盖板、汲取液侧盖板和fo膜，所述原料液侧盖板内侧设有原料液凹槽、原料液垫片、原料液进水口和原料液出水口，所述汲取液侧盖板内侧设有汲取液凹槽、汲取液垫片、汲取液进水口和汲取液出水口；所述多个光纤光栅传感器与所述膜组件相互之间的位置和连接关系是，多个光纤光栅传感器按照沿膜组件工作时的水流方向分布布置在所述原料液侧盖板内侧面或所述汲取液侧盖板内侧面，对每个光纤光栅传感器均施加预应力后并与所述fo膜的膜面之间的距离在0-1mm，所述原料液侧盖板或汲取液侧盖板与所述光纤光栅传感器之间用uv胶固定；将所述原料液侧盖板和所述汲取液侧盖板扣合后用螺栓连接件固定，从而使多个光纤光栅传感器与所述正渗透组件固定。
所述光纤光栅传感器的个数为6个，相邻光纤光栅传感器的光栅之间的相距为1cm，相邻光纤光栅传感器的光栅波长相差2～3nm。6个光纤光栅传感器的光栅波长分别为1556nm、1553nm、1550nm、1548nm、1546nm、1544nm。
本发明中还提出了基于光纤光栅传感的膜面所有应力分布测量方法，利用上述基于光纤光栅传感的膜面所有应力分布测量装置，步骤如下：
步骤一、选择多根光纤光栅传感器，且其中任何两个光纤光栅传感器的中心波长相差不小于2nm，将多根光纤光栅传感器用单模光纤串联，对串联后的光纤光栅传感器施加预应力后使用uv胶固定在膜组件上，使每个光纤光栅传感器与膜面之间的距离在0-1mm；将膜组件封装后与所述光纤光栅解调仪连接，利用所述光纤光栅解调仪自带的软件测得各光纤光栅传感器的中心波长的静态值；
步骤二、将一水泵的出水口与膜组件的入水口相连，利用该水泵向膜组件的入水口注水，设定流速大于0且小于0.5m/s，在该流速范围内自小到大选定多个流速，按照选定的多个流速循环进行步骤三和步骤四的过程，直至完成多个流速下的数据采集后执行步骤五；
步骤三、数据采集模块以每秒采集1-1000个数据的采集频率采集每个光纤光栅传感的中心波长，光纤光栅传感解调仪对采集到的波长信号解调后，所述光纤光栅解调仪自带的软件在注水过程中实时获得各光纤光栅传感器的中心波长的测量值；
步骤四、将步骤三获得的测量值减去步骤一获得的静态值，得到各个光纤光栅传感器在每一时刻的中心波长的变化值；求取采集时段内所得的各个光纤光栅传感器在每一时刻的中心波长的变化值的平均值，将该平均值作为该时段内每个光纤光栅传感器的中心波长的变化值；
步骤五、使用作图软件，以光纤光栅传感器距离膜组件入水口的距离为横坐标，以步骤四获得的采集时段内每个光纤光栅传感器的中心波长的变化值为纵坐标，绘制出采集时段内不同流速下各个光纤光栅传感器的中心波长变化分布图；
步骤六、利用步骤五获得的采集时段内不同流速下各个光纤光栅传感器的中心波长变化值，根据光线光栅的传感原理得到不同流速情况下膜面所受应力的分布情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明是利用光纤光栅传感器作为传感基元，采用波分复用的方法，将多根光纤光栅串联后置于板式正渗透膜组件内，使其与膜面接触，用于对膜的微界面研究中，进行分布测量，对膜面不同位置所受的应力进行分析。基于光纤的这种膜面所受应力的分析方法，解决微界面、小空间无法有效实时反馈膜面所受应力情况的问题。并通过光纤光栅解调仪对测量的信号进行解调，将信号转化成光栅中心波长的变化，进而分析处理，构成基于光纤光栅传感技术的膜面应力分布测量系统。
附图说明
图1是本发明基于光纤光栅传感的膜面所受应力分布测量装置的框图；
图2是本发明基于光纤光栅传感的膜面所受应力分布测量装置一实施例的主视剖视图；
图3是图2所示测量装置的俯视图；
图4是本发明测量方法一实施例得出的光纤光栅传感器的中心波长变化分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明的设计思路是，基于光纤光栅的特点和光纤光栅传感原理，将光纤光栅置于膜组件内，用于对膜的微界面研究中，进行分布测量，对膜面不同位置所受的应力进行分析。基于光纤的这种膜面所受应力的分析方法，解决微界面、小空间无法有效实时反馈膜面所受应力情况的问题。
本发明提出的一种基于光纤光栅传感的膜面所受应力分布测量装置，如图1所示，包括膜组件、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、数据采集模块和数据处理模块，所述的数据采集模块和数据处理模块安装在一计算机中。多个光纤光栅传感器固定在膜组件内，所述多个光纤光栅传感器与所述膜组件相互之间的位置和连接关系是，多个光纤光栅传感器按照沿膜组件工作时的水流方向且在廊道区域范围内分布布置，多个光纤光栅传感器与所述膜组件的膜面之间的距离在0-1mm；相邻光纤光栅传感器的光栅之间的距离不受限制，各光纤光栅传感器的光栅波长互不重叠；多个光纤光栅传感器依次用单模光纤串联；串联后的光纤光栅传感器的一端为自由端，串联后的光纤光栅传感器的另一端通过单模光纤与一光纤光栅解调仪的输入端相连接；所述光纤光栅解调仪的输出端连接至一台计算机，所述计算机内安装有数据采集模块及数据处理模块，所述数据采集模块采用与所述光纤光栅传感解调仪配套的软件；所述数据处理模块根据光纤光栅的传感原理通过采集到的上述多个光纤光栅传感器的光栅波长的变化得出所述膜组件膜面所受应力的分布。
本发明中，膜组件均为中空纤维膜或是平板膜或是卷式膜；按孔径为可以是微滤、超滤、纳滤、反渗透和正渗透膜组件的任何一种。如图2和图3所示，以膜组件为板式正渗透膜组件为例，所述板式正渗透膜组件包括原料液侧盖板12、汲取液侧盖板22和fo膜3，所述原料液侧盖板10内侧设有原料液凹槽11、原料液垫片12、原料液进水口13和原料液出水口14，所述汲取液侧盖板20内侧设有汲取液凹槽21、汲取液垫片22、汲取液进水口23和汲取液出水口24；以将6个光纤光栅传感器固定在原料液侧盖板10内侧面为例，所述6个光纤光栅传感器与所述膜组件相互之间的位置和连接关系是，6个光纤光栅传感器按照沿膜组件工作时的水流方向分布布置在所述原料液侧盖板10内侧面，所述光纤光栅传感器4的带宽为0.2nm、反射率高于90％、栅区长度为10mm且加涂覆、光栅波长范围为1530nm-1570nm，所述光纤光栅传感器4的中心波长仅受温度和应变的影响。相邻光纤光栅传感器3的光栅之间的相距为1cm，相邻光纤光栅传感器4的光栅波长相差2～3nm，6个光纤光栅传感器3的光栅波长分别为1556nm、1553nm、1550nm、1548nm、1546nm、1544nm。对每个光纤光栅传感器均施加预应力后并与所述fo膜3的膜面之间的距离在0-1mm，所述原料液侧盖板10或汲取液侧盖板20与所述光纤光栅传感器之间用uv胶5固定；将所述原料液侧盖板10和所述汲取液侧盖板20扣合后用螺栓连接件6固定，从而使6个光纤光栅传感器4与所述正渗透组件固定。6个光纤光栅传感器依次用单模光纤串联；串联后的光纤光栅传感器的一端为自由端，串联后的光纤光栅传感器的另一端通过单模光纤与一光纤光栅解调仪的输入端相连接；所述光纤光栅解调仪的输出端连接至一台计算机，所述计算机内安装有数据采集模块及数据处理模块。
本发明中，所述光纤光栅解调仪7采用美国micronoptics公司生产型号为sm130的动态光纤光栅传感解调仪，所述数据采集模块采用与美国micronoptics公司的且与型号为sm130的动态光纤光栅解调仪配套的软件，所述数据采集模块设置的数据采集频率为每秒采集1-1000个数据。所述数据处理模块根据光纤光栅的传感原理通过采集到的上述6个光纤光栅传感器的光栅波长的变化得出所述膜组件膜面所受应力的分布。
本发明中，还可以是将多套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件连接起来形成检测阵列，即一种基于光纤光栅传感的膜面所受应力分布测量装置，包括多套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件，膜组件均为中空纤维膜或是平板膜或是卷式膜；按其孔径为可以是微滤、超滤、纳滤、反渗透和正渗透膜组件中的同一种；每套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件中，所述多个光纤光栅传感器与所述膜组件相互之间的位置和连接关系是，多个光纤光栅传感器按照沿膜组件工作时的水流方向且在廊道区域范围内分布布置，多个光纤光栅传感器与所述膜组件的膜面之间的距离在0-1mm；相邻光纤光栅传感器的光栅之间的距离不受限制，各光纤光栅传感器的光栅波长互不重叠；多个光纤光栅传感器依次用单模光纤串联，从而形成一套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件；将各套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件的光纤光栅的两自由端用单模光纤连接，连接方式是串联或并联或串并联；将连接后的多套固定有多个光纤光栅传感器的膜组件中的光纤光栅的一端通过单模光纤与一光纤光栅解调仪的输入端相连接；所述光纤光栅解调仪的输出端连接至一台计算机，所述计算机内安装有数据采集模块及数据处理模块，所述数据采集模块采用与所述光纤光栅传感解调仪配套的软件；所述数据处理模块根据光纤光栅的传感原理通过采集到的上述多个光纤光栅传感器的光栅波长的变化得出所述膜组件膜面所受应力的分布。
利用上述基于光纤光栅传感的膜面所受应力分布测量装置进行测量的步骤如下：
步骤一、选择多根光纤光栅传感器，且其中任何两个光纤光栅传感器的中心波长相差不小于2nm，将多根光纤光栅传感器用单模光纤串联，对串联后的光纤光栅传感器施加预应力后使用uv胶固定在膜组件上，多个光纤光栅传感器与所述膜组件的膜面之间的距离在0-1mm；将膜组件封装后与所述光纤光栅解调仪连接，利用所述光纤光栅解调仪自带的软件测得各光纤光栅传感器的中心波长的静态值；
本实施例中，将6根光纤光栅传感器串联，使用uv胶分布固定在膜组件上，使其与膜面紧密接触，光纤光栅传感器与膜面之间也可以具有小于1mm的距离。相邻光纤光栅传感器之间的相距为1cm，各光纤光栅传感器的中心波长相差不小于2nm。6个光纤光栅传感器的中心波长的基准值分别为1537.88nm、1539.89nm、1542.09nm、1547.94nm、1550.25nm、1559.23nm。光纤光栅中心波长按照距离膜组件入水口距离h由近到远依次为：1cm处为1559.23nm、2cm处为1550.25nm、3cm处为1547.94nm、4cm处为1537.88nm、5cm处为1539.89nm、6cm处为1542.09nm。
特别强调的是，本发明中在放置光纤光栅传感器时，对于光纤光栅传感器之间的距离没有限制，通常采用在膜面上沿水流方向均布即可，多个光纤光栅传感器的排放位置，也可不用按照中心波长依次由大到小进行放置，只要是所有的光纤光栅传感器中任何两个的中心波长相差不小于2nm即可。
串联后的光纤光栅传感器两端中的任一端为自由端，另一端则通过单模光纤与一光纤光栅解调仪的输入端相连接，光纤光栅解调仪使用由美国micronoptics公司生产型号为sm130的动态光纤光栅传感解调仪。光纤光栅解调仪的输出端连接至一台计算机，计算机内安装有数据采集模块及数据处理模块，采用美国micronoptics公司生产型号为sm130的动态光纤光栅传感解调仪配套的软件。将膜组件封装后，测得各光纤光栅中心波长的静态值分别为1cm处为1559.37nm、2cm处为1550.46nm、3cm处为1548.09nm、4cm处为1538.16nm、5cm处为1540.20nm、6cm处为1542.40nm。
步骤二、将一水泵的出水口与膜组件的入水口相连，利用该水泵向膜组件的入水口注水，设定流速大于0且小于0.5m/s，在该流速范围内自小到大选定多个流速，按照选定的多个流速循环进行步骤三和步骤四的过程，直至完成多个流速下的数据采集后执行步骤五；
本实施例中，设定4个流速分别为0.16m/s、0.24m/s、0.32m/s和0.40m/s。
步骤三、数据采集模块以每秒采集一个数据的采集频率采集每个光纤光栅传感的中心波长，光纤光栅传感解调仪对采集到的波长信号解调后，所述光纤光栅解调仪自带的软件实时测得注水过程中间隔为1秒的每一时刻各光纤光栅传感器的中心波长的测量值。
步骤四、将步骤三获得的静态值减去步骤一获得的测量值，得到各个光纤光栅传感器间隔为1秒的每一时刻各光纤光栅传感器的中心波长的测量值；求取采集时段内所得的各个光纤光栅传感器间隔为1秒的每一时刻各光纤光栅传感器的中心波长的测量值的中心波长的变化值的平均值，将该平均值作为该时段内每个光纤光栅传感器的中心波长的变化值；
本实施例中，水泵在膜组件的入水口通入水流，设置入水口的水流流速为0.16m/s。其位于膜面不同位置的光纤光栅传感器将由于水流冲刷作用产生的应力信号转换成光纤光栅中心波长变化的波长信号。光纤光栅传感器感知到的波长信号通过本实施例中采用的美国micronoptics公司生产型号为sm130的动态光纤光栅传感解调仪进行解调，光纤光栅动态解调仪通过以太网将获取的波长变化数据输送到由美国micronoptics公司生产型号为sm130的动态光纤光栅传感解调仪配套的软件进行数据采集，数据采集模块以每秒采集一个数据的采集频率对光纤光栅的中心波长随时间的变化进行采集，获得光纤光栅波长随时间的变化的测量值，1cm处为1559.58nm、1550.82nm、1548.46nm、1538.63nm、1540.51nm、1542.62nm。
上述4个流速0.16m/s、0.24m/s、0.32m/s和0.40m/s情况下的基准值相同，但每种入口流速均测量对应的静态值和测量值，所测得的静态值的数值均大于基准值，有关数据参见表1至表5。
表1.流速为0.16m/s时6个光纤光栅传感器各中心波长的数值：
表2.流速为0.24m/s时6个光纤光栅传感器各中心波长的数值：
表3.流速为0.32m/s时6个光纤光栅传感器各中心波长的数值：
表4.流速为0.40m/s时6个光纤光栅传感器各中心波长的数值：
表5.得到不同流速下波长的变化值为：
步骤五、使用作图软件，本实施例中，使用美国originlab公司开发的origin8.0作图软件，以光纤光栅传感器距离膜组件入水口的距离为横坐标，以步骤四获得的采集时段内每个光纤光栅传感器的中心波长的变化值为纵坐标，绘制出采集时段内不同流速下各个光纤光栅传感器的中心波长变化分布图，如图4所示。
步骤六、利用步骤五获得的采集时段内不同流速下各个光纤光栅传感器的中心波长变化值，根据光线光栅的传感原理得到不同流速情况下膜面所受应力的分布情况，膜面不同位置处光纤光栅传感器中心波长的变化情况即为膜面应力的变化情况，最终得到不同入口流速情况下膜面不同位置所受应力的分布情况，从而为进一步对膜面水力学情况进行研究奠定了基础。其原理如下：
光纤光栅具有当外界温度或应变改变时，光纤纤芯的有效折射率和光纤光栅的周期都会发生改变，从而引起光纤光栅中心波长的改变，如式1：
δλb(αδt+ξδt)λb+(δε-pcδε)λb(1)
式(1)中：λb——光栅中心波长，单位为nm；δλb——光栅中心波长变化量，单位为nm；pc为光纤光栅有效弹光系数；δε为应变变化；ζ为光纤光栅材料热光系数；α为光纤光栅的热膨胀系数；δt为温度变化。
当不考虑温度变化时，式1中δt＝0，光纤光栅受到均匀轴向应变所引起中心波长相对位移公式为式(2)：
δλb/λb＝(1-pc)δε(2)
式(2)中，pc为光纤光栅有效弹光系数，可表示为式(3)：
式(3)中：μ为光纤材料的泊松比；p11、p12均为光纤的弹光系数；neff为光纤光栅的有效折射率。
选用掺锗石英光纤，式(3)中各参数分别为neff＝1.46，μ＝0.16，p11＝0.12，p12＝0.27，由此可以计算出pc＝0.22，
将pc＝0.22带入式(2)得式(4)
δλb/λb＝0.78δε(4)
应力引起光纤光栅波长的改变由应力产生的轴向应变来实现：
式(5)中e表示光纤的弹性模量，由材料固有性质决定，为定值；λb为光栅的中心波长，为定值。由此可以得到光栅中心波长变化δλb与应力的线性关系。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。