基于光纤光栅传感器的铝电解槽高温安全监测系统

论文摘要

铝是当今世界最常用的工业金属之一,是国民经济发展的重要基础原材料。自1886年美国的霍尔和法国的埃鲁同时发明了电解法制铝工艺之后,铝电解工艺又经历了预焙—自焙—预焙槽的发展历程。目前,我国电解铝生产已全部采用预焙电解槽工艺,对电解槽槽壳温度的测量,仍采用人工间断测量技术,该技术比较落后,投入人力物力较大、收效低、危害操作工人的身体健康且不能及时发现故障隐患。因此,迫切需要实现对电解槽槽壳温度的自动连续实时监测。光纤布拉格光栅传感器具有体积小、灵敏度高、稳定可靠、抗电磁干扰、易于构成多点分布式测量系统等优点。对比了目前常用的几种高温检测技术方案,基于光纤布拉格光栅传感技术,开发出一套对铝电解槽槽壳温度的实时在线监测系统。项目的研究实现,将填补国内空白,为铝电解槽槽壳的温度检测提供一种有效的技术手段,提高电解铝生产的效率和产品质量,并可及时避免事故的发生。课题的预期技术指标为:阴极钢棒温度测量范围0℃～600℃、侧部钢板温度测量范围0℃～600℃、底部钢板温度测量范围0℃～500℃。每个电解槽的测温点多达100个,每个车间按100个电解槽进行设计。系统精度:±1℃;响应时间:＜30S;使用寿命:100,000小时（大于10年）。论文首先介绍了光纤布拉格光栅的基本结构和应用现状,以及高温光纤光栅传感器的研究和应用现状。然后重点论述了光纤光栅的理论模型,推导得出了基于耦合模理论的温度传感模型。介绍了几种目前常用的光纤光栅传感器解调技术,然后重点论述解调仪sm125的解调原理,本课题采用美国MOI公司生产的光纤光栅解调仪sm125对传感器进行信号解调。通过长达一年的技术方案可行性调研和基础研究、设计工作,根据兖矿科奥电解铝厂电解槽槽壳的三类测温点的测温要求,设计了项目的硬件系统,包括:耐高温光纤光栅传感器的封装、连接和夹具结构、传感器的布线和系统光路。针对光纤布拉格光栅进行了测高温实验,搭建了实验环境,论文讲述了实验步骤和所得实验结果及结论;然后在该实验系统的基础上,设计了一套耐高温光纤光栅传感器的标定系统,该系统采用盘形电热炉加热,温度数据采用单片机通过串口通讯上传给计算机,然后利用该标定系统对耐高温光栅S1和S2进行了标定实验,并得出标定结果。课题的软件系统在LabVIEW 7.1环境下开发完成,解调程序是在解调仪sm125解调仪原厂自带软件的基础上进行了二次开发,加入了光开关自动控制程序和数据实时监控程序,系统软件的主要功能包括:温度的实时监视、数据存储和历史数据查询三部分。最后总结了课题的主要研究工作和所得结论,对下一步需要完成的研究工作进行了展望。

论文目录

• 目录
• CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及意义
• 1.2 可供选择方案比较
• 1.3 光纤光栅传感器概述
• 1.3.1 光纤光栅传感技术的发展历史
• 1.3.2 光纤光栅的基本结构
• 1.3.3 光纤光栅传感器的主要技术优点
• 1.3.4 光纤光栅传感技术的应用现状
• 1.4 高温光纤光栅传感器的研究现状
• 1.5 论文主要内容
• 第二章 光纤光栅传感器测温原理和波长解调技术
• 2.1 光纤光栅传感器测温原理
• 2.1.1 光纤光栅的理论模型
• 2.1.2 光纤Bragg光栅的基本参数
• 2.1.3 光纤Bragg光栅的温度传感模型
• 2.2 光纤光栅传感器的几种解调方法
• 2.2.1 光谱仪和多波长计解调法
• 2.2.2 可调谐滤波器解调法
• 2.2.2.1 可调谐波长的光纤Fabry-Perot滤波器解调法
• 2.2.2.2 声一光可调谐滤波器解调法
• 2.2.2.3 可调谐半导体量子阱电子吸收滤波器解调法
• 2.2.3 边缘滤波器解调法
• 2.2.4 波长可调谐光源解调法
• 2.3 光纤光栅解调仪sm125的解调原理
• 2.3.1 可调谐激光的产生
• 2.3.2 可调谐激光的校准
• 2.3.3 光电探测与信号处理
• 2.3.4 解调系统特点
• 2.4 小结
• 第三章 电解槽高温监测系统的硬件设计
• 3.1 兖矿科奥铝业电解槽的测温要求
• 3.2 系统总体架构
• 3.3 耐高温光纤光栅传感器的封装及装配
• 3.4 传感器的布线及系统光路设计
• 3.4.1 传感器的布线设计
• 3.4.2 系统的光路设计
• 3.5 小结
• 第四章 高温光纤光栅传感器的标定研究
• 4.1 光纤Bragg光栅测高温实验
• 4.1.1 实验系统的搭建
• 4.1.2 实验步骤
• 4.1.3 实验结果和分析
• 4.1.4 实验结论
• 4.2 耐高温光纤Bragg光栅传感器标定系统的设计
• 4.2.1 标定系统的硬件构成
• 4.2.2 单片机数据采集和通讯电路
• 4.2.3 数据采集和通讯程序
• 4.2.4 上位机数据接收程序
• 1和S₂的标定实验结果'>4.2.5 耐高温光纤Bragg光栅S₁和S₂的标定实验结果
• 4.3 小结
• 第五章 电解槽高温监测系统的软件设计
• 5.1 解调仪sm125解调程序的二次开发
• 5.1.1 基于TCP/IP协议的数据采集程序
• 5.1.2 峰值波长检测算法和程序实现
• 5.1.3 光开关控制程序
• 5.2 上位机软件的各功能实现
• 5.2.1 温度的实时监视
• 5.2.2 数据存储
• 5.2.3 历史数据查询
• 5.3 小结
• 第六章 结束语
• 6.1 方案可行性分析
• 6.2 论文总结与展望
• 6.2.1 论文总结
• 6.2.2 下一步展望
• 6.3 预期达到指标和效益
• 6.3.1 预期达到技术指标
• 6.3.2 预期达到经济和社会效益
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况