基于光纤传感技术的液体溶液浓度测量关键问题研究

论文摘要

论文提出了利用光纤布喇格光栅（fiber Bragg grating-FBG）传感技术对液体溶液浓度进行测量的方法,并对其中的一些关键问题进行了相关研究。FBG传感器体积小、灵敏度高、动态范围大等特点非常适用于液体溶液光声信号的检测。针对弱吸收溶液在单光束圆柱形液体光声池中光吸收率低的问题,设计了两种液体溶液长程光吸收结构的光声池：平行多光束长程光吸收光声池和多角星形长程光吸收光声池,并建立了相应的波动方程模型。计算仿真证明,平行多光束长程光吸收光声池的设计有效提高了光吸收率,在光声池内产生的平面声波不随传播距离衰减,此光声池所产生的光声信号强度是同尺寸单光束光声池的数百倍。论文还讨论了光声池的池壁厚度、光源调制频率等参数对光声池性能的影响,为液体光声池的设计提供了理论依据。针对裸光纤布喇格光栅水声传感器灵敏度低的弱点,论文提出了一种带静水压补偿的推挽式弹性膜片FBG水声传感探头。通过计算仿真和初步实验证明,这种结构的传感器探头灵敏度是裸光纤布喇格光栅传感器探头灵敏度的1600倍,且具有较大的动态范围。此外,这种传感探头还具有静水压补偿能力,且对环境温度变化不敏感。针对FBG水声传感信号解调的需求,论文提出了差分匹配FBG自解调方法。该方法不仅具有很高的解调分辨率,还可以对环境温度的变化进行补偿,解决了FBG传感器对温度和应力的交叉敏感性问题。论文给出了该方法的光路连接拓扑结构——两次反射式差分匹配FBG自解调结构。差分匹配的FBG自解调方法具有无需机械移动装置、响应速度快、结构简单、成本低等优点,还可以利用波分复用、空分复用、时分复用等多种方法实现多传感器复用。本文最后给出了液体溶液浓度的初步测试结果,证明了该方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 光纤水声传感技术研究现状
• 1.2.1 强度型光纤水听器
• 1.2.2 干涉型光纤水听器
• 1.2.3 光纤光栅型水听器
• 1.3 液体光声效应及其应用研究现状
• 1.3.1 液体光声效应
• 1.3.2 液体光声效应的激光激发机制
• 1.3.3 光声效应在液体成分测量方面的研究现状
• 1.4 论文工作的主要内容
• 第2章 测量系统整体方案FBG传感探头设计
• 2.1 系统总体结构及测量原理概述
• 2.2 测量系统的理论模型
• 2.3 FBG水声传感装置概述
• 2.3.1 常见的FBG水声传感探头增敏装置
• 2.3.2 评价光纤水声传感单元的主要指标
• 2.4 带静水压补偿的推挽式弹性膜片FBG水声传感探头设计
• 2.4.1 探头结构
• 2.4.2 测量原理
• 2.4.3 理论分析
• 2.4.4 仿真结果及分析
• 2.4.5 波纹膜片参数对探头性能的影响
• 2.4.6 初步静力学实验结果
• 2.4.7 探头对于温度和声压的交叉敏感问题分析
• 2.4.8 质量块滤波效果分析
• 2.5 总结
• 第3章 测量系统中长程光声池的设计与研究
• 3.1 概述
• 3.1.1 液体光声池的研究现状
• 3.1.2 基本液体光声池
• 3.1.3 光声池设计构想
• 3.2 液体长程光声池结构设计
• 3.3 光声池的波动方程模型推导
• 3.3.1 水声学的一些基本概念
• 3.3.2 单光束圆柱形光声池的波动方程模型推导及求解
• 3.3.3 平行光束光声源长程光声池的波动方程模型推导及求解
• 3.3.4 多角星形光声源长程光声池的波动方程模型推导
• 3.4 仿真与比较
• 3.4.1 光声池尺寸和材料与声压信号强度的关系
• 3.4.2 光声池池壁厚度对光声池特性的影响
• 3.4.3 光源调制频率对光声池特性的影响
• 3.5 其他
• 3.6 结论与展望
• 第4章 信号的解调方法及初步的实验研究
• 4.1 概述
• 4.1.1 FBG的测量原理
• 4.1.2 FBG传感信号解调方法的研究现状
• 4.2 差分匹配FBG自解调方法的基本原理
• 4.3 两次反射式差分匹配FBG自解调结构
• 4.3.1 原理简介
• 4.3.2 理论分析
• 4.4 各种因素对差分匹配FBG自解调方法的影响讨论
• 4.4.1 FBG反射峰值的影响
• 4.4.2 FBG 3dB带宽的影响
• 4.4.3 尾纤端面反射的影响
• 4.4.4 FBGFP的影响
• 4.4.5 光源功率波动和系统扰动的影响
• 4.5 差分匹配FBG自解调传感器网络的复用与解复用
• 4.5.1 波分复用
• 4.5.2 空分复用
• 4.5.3 时分复用
• 4.6 差分匹配FBG自解调方法的噪声及最小解调极限分析
• 4.6.1 光学系统噪声
• 4.6.2 电路系统噪声
• 4.6.3 噪声分析总结和最小解调极限估计
• 4.7 初步的实验测试结果
• 4.7.1 水声传感器信号反射谱波形测试结果
• 4.7.2 灵敏度频率响应实验测量结果
• 4.7.3 同频率不同幅值信号的测量实验结果
• 4.7.4 液体浓度测量实验结果
• 4.8 总结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位论文期间发表的学术论文
• 致谢