基于FBG的液位和温度同时测量方法

论文摘要

光纤传感器因具有抗电磁干扰、电绝缘、抗腐蚀、灵敏度高、小巧等特点,可工作在高温、强腐蚀性、强电磁场等恶劣环境中,现已成为传感器领域的一个研究热点。作为光纤传感器中不可或缺的一员,基于光纤布喇格光栅的传感器也在不断完善。光纤布喇格光栅传感器信号采用波长调制,与其他光纤传感器相比,更不易受外界环境干扰,具有精确度高、稳定好、易于分布式监测、易于解调等特点。鉴于光纤光栅的诸多优点,本文拟将光纤光栅应用在易燃易爆场合的液位和温度同时测量领域。本文涉及材料、信息、光学、机械等多学科知识,主要做了以下工作：1.首先分析了现有的采用光纤检测液位、液位和温度同时测量的方法,提出了用光纤布喇格光栅(FBG)同时测量液位和温度所具有的优越性。2. 阐述了光纤布喇格光栅的工作原理,分析了光纤布喇格光栅的应变、温度传感特性,重点研究了FBG对应变和温度的交叉敏感问题,提出了液位和温度的区分测量方法。3.在总结已有研究成果的基础上,提出了采用等强度悬臂梁、薄膜片、L型杠杆的高灵敏度液位传感器结构。通过建立传感器的数学模型,分析了传感器各结构参数对整个传感器性能的影响,并选取适当的参数,使其适用于液位和温度同时测量,最后完成了整个的结构设计。4.分析了现有的FBG解调方法,并针对本论文设计的传感器,提出了采用LPG双边沿滤波FBG解调法,并给出了系统结构设计图。5.进一步分析了该传感器结构存在的不足之处,并提出了改进方向。本文的研究成果为光纤布喇格光栅的区分测量方法、高灵敏度压力(液位)传感器的研究提供了一定的理论和实际应用依据,并为光纤布喇格光栅在油库、化工等易燃易爆场合的实际应用打下了良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号对照表
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 光纤传感器技术概述
• 1.3 光纤光栅传感器在液位、温度测量中的应用
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 光纤光栅基本原理与传感技术
• 2.1 光纤布喇格光栅传输的基本原理
• 2.1.1 光纤光栅的结构
• 2.1.2 光纤光栅的种类
• 2.1.3 FBG耦合模理论
• 2.1.4 FBG的反射谱仿真
• 2.2 FBG的传感特性
• 2.2.1 FBG的温度特性
• 2.2.2 FBG的应变特性
• 2.2.3 FBG的交叉敏感问题
• 2.3 FBG的制作
• 2.4 小结
• 第3章 传感器设计
• 3.1 传感器结构图
• 3.1.1 传感器设计模型及工作原理
• 3.1.2 悬臂梁的选择
• 3.1.3 薄膜片的选择原则
• 3.2 传感器力学特性分析
• 3.3 传感器灵敏度
• 3.4 传感器结构参数选择
• 3.5 小结
• 第4章 传感器解调
• 4.1 常用光纤光栅解调方法
• 4.1.1 直接解调法
• 4.1.2 可调谐F-P滤波法
• 4.1.3 非平衡迈克尔逊干涉仪解调法
• 4.1.4 匹配滤波法
• 4.1.5 可调谐窄带激光检测法
• 4.1.6 倾斜光栅（TFBG）的边沿滤波解调法
• 4.1.7 基于光纤环镜的FBG解调
• 4.2 基于长周期光纤光栅的FBG解调
• 4.2.1 长周期光纤光栅光谱特性
• 4.2.2 LPG边沿滤波解调FBG原理
• 4.2.3 基于LPG的双边沿滤波FBG解调法
• 4.3 传感系统
• 4.3.1 系统结构图
• 4.3.2 传感器系统仿真
• 4.4 小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 不足与展望
• 参考文献
• 致谢