在线检测纸质文物霉菌病害过程参数的光纤传感器研究 |
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作为中华民族灿烂历史文明传承最重要的载体，纸质文物具有不可替代的地位，其文化价值与历史价值不可估量。然而纸质文物富含纤维素，易受到霉菌侵蚀和环境参数（光照、湿度及二氧化碳浓度）的影响，进而对纸质文物造成破坏，因此预防性保护纸质文物极其重要。在纸质文物预防性保护领域，在线准确检测纸质文物表面微生物生长过程信息及文物本体病变信息是实现其预防性保护的基础和关键。然而当前关于纸质文物霉菌病害过程参数的检测主要依赖于离线检测技术，难以在线实时获取文物表面微生物生长信息及文物本体病变信息，导致难以揭示纸质文物病害机理与规律，难以实现其预防性保护。基于此，本文提出光纤光谱在线非接触检测纸质文物病害过程信息的新方法。首先研制了一种用于在线检测纸质文物霉菌病害过程参数的高灵敏度反射式光纤传感器；接着培养了不同种类的曲霉（黑曲霉、黄曲霉、溜曲霉、杂色曲霉），并对其形貌特征进行表征，利用研制的传感器对纸质文物表面霉菌生长过程信息进行定性和定量测量；最后模拟病害过程参数（光照、湿度、二氧化碳浓度）对纸质文物的老化过程，利用研制的传感器对老化处理后的纸质样品进行了检测，为探究纸质文物病害机理及规律提供了重要支撑。其主要研究工作有以下3点： ① 本文提出了一种用于在线无损检测纸质文物霉菌病害过程参数的原理及方法，研究传感探头光纤束结构，选择一根锥形入射光纤和六根接收光纤作为传感器光纤束。建立传感器测量纸质文物的原理，并搭建检测系统，分别研究入射光纤直径、入射光纤锥角、入射与接收光纤间距、光程对传感器输出光谱及灵敏度的影响，制备并获得纸质文物霉菌病害过程参数在线无损检测的高灵敏度反射式光纤传感器。实验结果表明，当入射光纤直径为1500 μm、入射光纤锥角为12°、入射与接收光纤间距为100 μm、光程为30 mm时，传感器响应灵敏度达到最大。 ② 培养不同种类的曲霉，采用相机、光学显微镜、场发射扫描电子显微镜（FESEM）对霉菌的分布情况、霉菌高度及霉菌孢子大小进行表征与测量，再利用研制的反射式光纤传感器对培养不同周期的曲霉（霉菌具有不同的高度）进行检测。实验结果表明，随着培养时间的增加，菌丝在纸质样品表面的密度增加，且霉菌的高度和孢子的直径增加。通过传感器获得不同霉菌的光谱信息，黑曲霉、黄曲霉、溜曲霉、杂色曲霉的特征吸收峰分别为418 nm、282 nm、275 nm和350 nm、295 nm和390 nm，吸收峰对应的吸光度大小与霉菌的高度呈线性关系，且传感器对曲霉的检测下限达到10 μm，表明采用本文研究的光纤传感器可以实现对纸质文物表面霉菌生长过程信息进行在线准确检测。 ③ 搭建了病害过程参数（光照、湿度、二氧化碳浓度）老化纸质样品的实验系统，采用拉力测试仪、热重分析仪、傅里叶变换红外光谱仪、以及本文研制的反射式光纤传感器检测老化处理后纸张的性能。实验研究表明，当 LED 灯的光波长为395 nm、湿度为82% RH、二氧化碳浓度为99.99%时，纸质样品的抗张强度最低，热稳定性最差，傅里叶变换红外光谱峰值强度发生显著变化，并出现了新的吸收峰。同时，用传感器检测纸质样品获得的紫外可见吸收光谱出现了特征吸收峰，表明采用本文研究的光纤传感器可以实现对纸质文物本体病变信息进行在线准确检测。 纸质文物;在线检测;反射式光纤传感器;霉菌病害;过程参数 重庆理工大学 硕士 信息与通信工程 赵明富;钟年丙 2023 中文 K854.2 2023-09-19（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间） |
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