基于u型光纤fbg的液面高度测量系统研究【字数：11352】
光纤传感器灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、可长距离监测。在一些危险系数较大、精度要求高的领域备受关注，并且得到了广泛的运用。本文介绍了一种测量液面高度的方法光源发出的一束光入射到U型光纤探头发生一次泄漏，然后传播到FBG，光经FBG反射回去再次经过U型光纤探头，发生第二次泄漏，从而使得前后光强变化更明显。对不同曲率半径R下的U型光纤探头的测量结果作了对比，得到了在介质一定时，随着弯曲半径越来越小，光损耗越大，其中在3-5mm时光强泄漏突出。在弯曲半径一定时，随着介质的折射率越大，光损耗越大。然后搭建基于U型光纤的液面高度测量系统，采用弯曲半径为5cm的U型光纤检测液面高度，通过对比U型光纤探头接触液面前后的光强的大小判断光纤探头是否接触液面，通过测量相对输出光功率峰值，可获得液面在12mm-16mm时相对光功率下降速度较快，经拟合曲线，相对输出光功率与液位成线性关系。
目 录
1. 绪论 1
1.1 研究目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 1
1.3 光纤传感器的应用 2
1.4 论文主要研究的内容 2
2. 光纤传感器的基本理论分析 4
2.1 光纤传感器的工作原理 4
2.2 功能型传感器 4
2.3 U型光纤传感器 5
2.4 U型光纤的弯曲半径与损耗之间的关系的研究 6
2.5 本章小结 7
3. 基于U型光纤的液面高度测量系统设计与实现 8
3.1 基于U型光纤的液面高度测量系统的总体设计 8
3.1.1 确定构建实验测试平台的方案 8
3.1.2 搭建基于U型光纤的液面高度传感装置 9
3.2 光源 10
3.3 环形器 10
3.4 U型光纤传感探头 11
3.5 光纤布拉格光栅 11
3.6 本章小结 12
4. 基于U型光纤FBG的液面高度测量实验 13
4.1 前期准备工作 13
4.2 液面高度测量实验研究 13< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
br /> 4.2.1 分析U型光纤探头接触液面前后光强的变化 13
4.2.2 分析相对输出光功率与液位之间的关系 15
4.3 存在问题 16
4.4 克服的方法 16
4.5 本章小结 17
5. 总结与展望 18
5.1 全文总结 18
5.2 工作展望 18
参考文献 20
致谢 21
在学期间的研究成果 22
1. 绪论
1.1 研究目的和意义
液位测量可以应用于众多领域中，并且有着举足轻重的作用。工业领域中，那些强磁场、具有腐蚀性、辐射性或危险性大的环境需要光纤传感器进行非接触液位测量；医学领域中，那些关乎着患者的性命的药剂具有严格的用量，需要高精度的光纤传感器进行严格的液位测量。随着科技的发展，由传统的人工液位测量到各种自动化测量仪表[1]的液位测量，即使在液位的测量精度上有所提高或者测量更方便、更智能，但是这些自动化测量仪表的安全性不高。
针对以上问题，本课题设计了一种基于U型光纤FBG液面高度测量系统，该系统中的U型光纤传感探头可以无限制放在任何地方，实现远程测量或者超远距离测量，并且灵敏度较高、安全性较高。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外液位测量技术起步较早，投资资金充裕，发展迅速。美国、德国、英国和日本是最早进行光纤传感器研究的一些国家。1977年，美国海军研究所（NAL）开始实施光纤传感器系统计划，即光纤传感器问世[2]。首先美国研制了现代数字光控系统[2]，采用光纤译码的光纤传感器系统代替直升机驾驶员的控制[2]，之后又开创了光纤陀螺，再到进军民用传感器、医用传感器。
到目前为止，许多外国公司已经开发出各种功能、智能、高精度的测量系统。美国开发的多量程超声波液位测量系统使用非接触式超声波传感器可以监测30cm至14m范围内的液位变化[3]；Universal TI TM 连续液位变送器具有高达15米的范围，精度高达0.1％，电流输出为420mA。 此外，由美国制造的HTG静态计量系统使用高精度压力变送器，该压力变送器放置在罐底部并测量液体压力以获得有关其他参数的信息。此外，国外有许多产品已经商品化、批量生产。
1.2.2 国内研究现状
国内液位测量起步较晚，而且大部分产品局限于实验室开发阶段，不能投入市场进行批量生产以及工程应用。特别是在光纤传感器的共性基础、中间实验、生产设备技术尤为突出，影响了光纤传感器产品的产业化进程[4]。
首先，国内研发了浮子式光电编码带液位计，使用与浮子同步移动的绝对式光电编码带和透射式光纤信号检测器来检测液位[5]。之后，清华大学光纤传感中心开发的光纤油罐液位和温度测量系统已经安装运行。同时，一些基于FBG传感技术的新型液位传感系统也处于试验阶段。总之，我国开发的液位测量系统的精度，可靠性，智能性和功能性不如国外同类产品，不能满足工业生产需要，需要改进。
1.3 光纤传感器的应用
利用光纤传感器可以测量被测量的温度、折射率、液位、位移、压力等等，其中本课题主要研究的是光纤传感器在液位方面的应用。同时光纤液位传感器的应用范围也比较广阔，它可以应用于工业领域中的石油液位的检测、可以应用于医学领域中药剂液位的测量等等。因为在工业领域中的一些被测液体具有高腐蚀性、挥发性、或者是有毒的、易燃、易爆的，并且被测液体所处的是强辐射、高温等危险较大的环境，而光纤具有抗腐蚀、抗干扰等优点，光纤传感探头可以放置无限远处进行液位测量；在医学领域中，对患者使用的药剂量需要十分的精确，而光纤传感器具有灵敏度高、精度高、信号频带宽、动态响应范围大等特点[8]。所以光纤传感器具有举足轻重的作用。
目前液位测量方式主要有浮子型、泄漏模式型、尖端反射型、液面反射型、微弯特性型。本课题主要将这些类型综合起来，由于U型光纤是将一根光纤进行了弯曲，因此光源发出一束光，经光纤传输到U型光纤探头时会发生损耗，损耗的大小取决于被测液体。然后光经过液面的反射后被接收光纤接收，将接收光纤接收到的光强大小与最初的光强大小相比较，判断U型光纤探头是否接触到液面；通过比较入射光与反射光之间的光强变化可得到光纤传感探头与液面之间的距离，进而得到液位信息[6]。
1.4 论文主要研究的内容
本文主要是利用U型光纤的强度调制测量液面的高度，由于受外界参数特别是U型光纤的弯曲半径和被测液体的折射率的影响，利用光源发出的光通过光纤传感探头传输到液体表面，发生光泄漏，通过光强解调外界参数的变化，从而检测液面高度。
目 录
1. 绪论 1
1.1 研究目的和意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 1
1.3 光纤传感器的应用 2
1.4 论文主要研究的内容 2
2. 光纤传感器的基本理论分析 4
2.1 光纤传感器的工作原理 4
2.2 功能型传感器 4
2.3 U型光纤传感器 5
2.4 U型光纤的弯曲半径与损耗之间的关系的研究 6
2.5 本章小结 7
3. 基于U型光纤的液面高度测量系统设计与实现 8
3.1 基于U型光纤的液面高度测量系统的总体设计 8
3.1.1 确定构建实验测试平台的方案 8
3.1.2 搭建基于U型光纤的液面高度传感装置 9
3.2 光源 10
3.3 环形器 10
3.4 U型光纤传感探头 11
3.5 光纤布拉格光栅 11
3.6 本章小结 12
4. 基于U型光纤FBG的液面高度测量实验 13
4.1 前期准备工作 13
4.2 液面高度测量实验研究 13< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
br /> 4.2.1 分析U型光纤探头接触液面前后光强的变化 13
4.2.2 分析相对输出光功率与液位之间的关系 15
4.3 存在问题 16
4.4 克服的方法 16
4.5 本章小结 17
5. 总结与展望 18
5.1 全文总结 18
5.2 工作展望 18
参考文献 20
致谢 21
在学期间的研究成果 22
1. 绪论
1.1 研究目的和意义
液位测量可以应用于众多领域中，并且有着举足轻重的作用。工业领域中，那些强磁场、具有腐蚀性、辐射性或危险性大的环境需要光纤传感器进行非接触液位测量；医学领域中，那些关乎着患者的性命的药剂具有严格的用量，需要高精度的光纤传感器进行严格的液位测量。随着科技的发展，由传统的人工液位测量到各种自动化测量仪表[1]的液位测量，即使在液位的测量精度上有所提高或者测量更方便、更智能，但是这些自动化测量仪表的安全性不高。
针对以上问题，本课题设计了一种基于U型光纤FBG液面高度测量系统，该系统中的U型光纤传感探头可以无限制放在任何地方，实现远程测量或者超远距离测量，并且灵敏度较高、安全性较高。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
国外液位测量技术起步较早，投资资金充裕，发展迅速。美国、德国、英国和日本是最早进行光纤传感器研究的一些国家。1977年，美国海军研究所（NAL）开始实施光纤传感器系统计划，即光纤传感器问世[2]。首先美国研制了现代数字光控系统[2]，采用光纤译码的光纤传感器系统代替直升机驾驶员的控制[2]，之后又开创了光纤陀螺，再到进军民用传感器、医用传感器。
到目前为止，许多外国公司已经开发出各种功能、智能、高精度的测量系统。美国开发的多量程超声波液位测量系统使用非接触式超声波传感器可以监测30cm至14m范围内的液位变化[3]；Universal TI TM 连续液位变送器具有高达15米的范围，精度高达0.1％，电流输出为420mA。 此外，由美国制造的HTG静态计量系统使用高精度压力变送器，该压力变送器放置在罐底部并测量液体压力以获得有关其他参数的信息。此外，国外有许多产品已经商品化、批量生产。
1.2.2 国内研究现状
国内液位测量起步较晚，而且大部分产品局限于实验室开发阶段，不能投入市场进行批量生产以及工程应用。特别是在光纤传感器的共性基础、中间实验、生产设备技术尤为突出，影响了光纤传感器产品的产业化进程[4]。
首先，国内研发了浮子式光电编码带液位计，使用与浮子同步移动的绝对式光电编码带和透射式光纤信号检测器来检测液位[5]。之后，清华大学光纤传感中心开发的光纤油罐液位和温度测量系统已经安装运行。同时，一些基于FBG传感技术的新型液位传感系统也处于试验阶段。总之，我国开发的液位测量系统的精度，可靠性，智能性和功能性不如国外同类产品，不能满足工业生产需要，需要改进。
1.3 光纤传感器的应用
利用光纤传感器可以测量被测量的温度、折射率、液位、位移、压力等等，其中本课题主要研究的是光纤传感器在液位方面的应用。同时光纤液位传感器的应用范围也比较广阔，它可以应用于工业领域中的石油液位的检测、可以应用于医学领域中药剂液位的测量等等。因为在工业领域中的一些被测液体具有高腐蚀性、挥发性、或者是有毒的、易燃、易爆的，并且被测液体所处的是强辐射、高温等危险较大的环境，而光纤具有抗腐蚀、抗干扰等优点，光纤传感探头可以放置无限远处进行液位测量；在医学领域中，对患者使用的药剂量需要十分的精确，而光纤传感器具有灵敏度高、精度高、信号频带宽、动态响应范围大等特点[8]。所以光纤传感器具有举足轻重的作用。
目前液位测量方式主要有浮子型、泄漏模式型、尖端反射型、液面反射型、微弯特性型。本课题主要将这些类型综合起来，由于U型光纤是将一根光纤进行了弯曲，因此光源发出一束光，经光纤传输到U型光纤探头时会发生损耗，损耗的大小取决于被测液体。然后光经过液面的反射后被接收光纤接收，将接收光纤接收到的光强大小与最初的光强大小相比较，判断U型光纤探头是否接触到液面；通过比较入射光与反射光之间的光强变化可得到光纤传感探头与液面之间的距离，进而得到液位信息[6]。
1.4 论文主要研究的内容
本文主要是利用U型光纤的强度调制测量液面的高度，由于受外界参数特别是U型光纤的弯曲半径和被测液体的折射率的影响，利用光源发出的光通过光纤传感探头传输到液体表面，发生光泄漏，通过光强解调外界参数的变化，从而检测液面高度。
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