（光学专业论文）基于光纤光栅的液位传感技术.pdf

中文摘要 中文摘要 本文首先对光纤光栅的传感特性进行了研究，为将光纤光栅应用于传感器的 制作做出了铺垫，然后对波登管的相关力学性能进行了研究，为传感器的制作打 下了一定的理论基础。 在以上两点的基础上，本文设计了一种新型高灵敏度光纤光栅液位传感器。 通过将光纤光栅与波登管有效的结合，以达到测量液位的目的，其基本原理是利 用波登管感受液位的变化，进而带动光纤光栅，使布拉格反射波长发生变化。传 感器制作完毕后，先在理论方面对该传感器的可行性进行了理论的证明，然后通 过真实场景的实验，对该传感器进行了实验验证。理论分析和实验表明，在量程 范围内，波长的变化和液位的变化成理想的线性变化关系。实验发现，该传感器 可以实现高灵敏度的液位测量，实验测得在6 5m 的液位高度内，其灵敏度均值高 达6 5 7 7 1n n 棚p a 。 为了使解调系统进一步实用化，本文又通过利用可调光纤f p 滤波器对传感 器进行了再次解调，理论分析和实验表明，在量程范围内，在周期性锯齿波电压 信号的驱动下，f p 滤波器透射波长的变化和波形漂移时间的变化成线性变化关 系。其灵敏度均值高达2 5 9 5 4m s m p a 。 该传感器的研制对油库等易燃、易爆环境的液位测量具有重要意义! 关键词：光纤光栅；传感器；液位测量：波登管；解调 黑龙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h et h e s i sa n a l y z e st h es e n s i n gp r o p e r t i e so ft h ef b g ，w h i c hm a k e sag r e a t c o n t r i b u t i o nt oa p p l yt h ef b gt os e n s o r , a n dt h et h e s i sa l s oa n a l y z e st h em e c h a n i c a l p r o p e r t yo ft h eb o u r d o nt u b e ，w h i c hl a y st h er o o tf o rm a k i n gt h ef b gl i q u i ds e n s o r a c c o r d i n gt ot h et h e o r ym e n t i o n e da b o v e ，au p - t o d a t eh i g hs e n s i t i v ef i b e rg r a t i n g l i q u i dl e v e ls e n s o rh a sb e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e di n n o v a t i v e l yb yf i t t i n gt h ef i b e r b r a g gg r a t i n ga n dt h eb o u r d o nt u b et o g e t h e r , i no r d e rt om e a s u r et h el i q u i dl e v e l t h e k e yp o i n ti st h a tt h ec h a n g e so fl i q u i dl e v e li sa p p e r c e i v e db yt h eb o u r d o nt u b e ，w h i c h p u l l st h ef i b e rb m g gg r a t i n g ，s ot h a tt h er e f l e c t i v ew a v e l e n g t ho fb r a g gi sc h a n g e d a f t e r m a k i n gt h es e n s o r , t h et h e s i sm a k e st h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s t i n ge x p e r i m e n t ，w ec a n f r e dt h a tt h ec h a n g e so ft h er e f l e c t i v ew a v e l e n g t ha n dt h el i q u i dl e v e la r el i n e a ri nt h e m e a s u r i n gr a n g e w ec a na l s of i n dt h a tt h es e n s i t i v i t yo ft h i ss e n s o ri sq u i t eh i g h t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s i t i v i t yi s6 5 7 71n m m p ao na v e r a g ew i t h i nt h e l i q u i dl e v e lo f6 5m i no r d e rt om a k et h ed e m o d u l a t i n gs y s t e mm o r e p r a c t i c a b l y ，t h et u n a b l ef - pf i l t e r i su s e di nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt e s t i n ge x p e r i m e n t ，a n dw ec a nf i n dt h a t ，i na m o v ef o rap e r i o d i cs a w t o o t hw a v e sv o l t a g e ，t h ec h a n g e so ft h ew a v e l e n g t hw h i c h d r i l l st h r o u g ht h ef pf i l t e r c o n t r o l l e ra n dt h ed r i f t i n gt i m eo ft h ew a v es h a p ei sl i n e a ri n t h em e a s u r i n gr a n g e a n dt h es e n s i t i v i t yi s2 5 9 5 4m s m p ao na v e r a g e t h er e s e a r c ho ft h i sf i b e rb m g gg r a t i n g l i q u i dl e v e ls e n s o ri ss i g n i f i c a n t l y m e a n i n g f u li n t h em e a s u r e m e n to fl i q u i dl e v e lw h i c hc a nb eu s e di ni n f l a m m a b l e e n v i r o n m e n t , f o re x e m p l e ：t h eo i ld e p o t k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；s e n s o r ；m e a s u r e m e n to fl i q u i dl e v e l ；b o u r d o nt u b e ； d e m o d u l a t i o n i i 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨蕉江太堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。 一躲像恢? ： 学位论文版权使用授权书 年月日 本人完全了解墨蕉堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权墨蕉堑太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 传感器是一种可感受指定被测物理量，并将所感受到的物理量的变化以一定 的规律转换成可被人们读取的信号的元件或装置。光纤布拉格光栅( f i b e rb r a g g g r a t i n g ) 是光纤导波介质中物理结构呈周期性分布，用来改变光在其中传播行径 的一种光子器件。随着科学技术的不断发展，人们已经生活在一个信息化的世界 之中，因此如何能更好的对信息进行采集，传输以及处理，已经是人们非常关注 的一个问题了。而在信息的采集，传输以及处理的这个过程中，信息的采集无疑 是最重要的环节，此环节恰恰就是传感器的用武之地，因此如何能研制出一款性 能良好的传感器，实现对信息良好的感知已成为目前社会人们研究的热点。如果 没有一个好的传感器来感受并传递待测物理量，那么其它的装置也就没有什么意 义了。可见传感器的地位至关重要。 在人们的日常生活以及工业生产中，液位参数是一个经常需要被记录的量。 如：对油库的液位监测、对液体容器中的液位的监测等。因此研制出一款性能可 靠、稳定，灵敏度高且能适应恶劣环境的液位传感器是很有实际价值的。 f b g 传感器具有其它诸多传感器无法企及的优点：它易于植入或者附着在结 构的表面，对结构的力学性能几乎没有影响；它对波长绝对编码的数据传输模式 决定了它不受系统的整体光强和光纤、耦合器的连接损耗以及其它器件的插入损 耗的影响；其本征性决定了它可很好的与光纤进行连接；它损耗低且光谱特性好、 可靠性高、易于复用；它的介电性使得它免疫电磁场的影响等等。因此得到了人 们的广泛关注和研究。 近些年，随着光纤技术不断发展，光纤光栅传感器在物理量的监测方面已被 人们广泛的研究和应用n 删。但由于在实际应用中，光纤光栅传感器毕竟是近些年 来新兴的一种传感器，技术尚未完全成熟，而且技术非常成熟的传统的传感器已 经大量的占有了市场，这就要求光纤光栅传感器要充分体现出其超越传统传感器 1 黑龙江大学硕士学位论文 的诸多优势，如：灵敏度高，性能稳定，性价比高等。相信光纤光栅传感器一定 会以其巨大的优势在不久的将来成为人们生产和生活中不可或缺的工具。本文要 研究的光纤光栅液位传感器就是在此种背景下考虑创作的，目前在利用光纤光栅 测量液位的方面人们研究的还比较少，再加上光纤光栅传感器的优点是所有其他 传统传感器无法企及的。因此，这就为本文提供了一个很好的机遇和发挥空间。 为了使生产过程( 如：油库，石油开发过程中) 能够安全进行，为了给人们 提供具有更加稳定，更高精度，更好性价比的测量液位的传感器，给人们在生产 生活中提供更加精确的参考量，所以研制性能优良的光纤光栅液位传感器是具有 非常大的意义的。 课题研究的主要目的是将光纤光栅技术应用于液位监测，通过新颖的传感器 设计以及严格的实验验证，对光纤光栅在液位测量方面的应用展开试探性的研究。 1 2 国内外同类课题研究现状及发展趋势 液位测量技术在国外发展的比较早，而且投入了雄厚的资金，因此得到了快 速的提升与发展。到目前为止，多款性能优秀的液位测量产品以及与之配套的液 位测量技术已被外国的公司研制而出。如：美国m i l l t r o n i c s 公司开发的 m i l l t r o n i c s 超声波液位监测系统，d r e x e l b r o o k 公司开发的u n i v e r s a l lt i 、t m 连续液位变送器，t e x a s 等仪器公司研制的h t g 静压式计量系统等都是液位检测领 域的优秀产品。但以上这些液位测量方式在实际应用中必然会受到其工作环境的 限制，如：在强电磁干扰、高温高压、核子辐射、易燃、易爆、化学腐蚀等恶劣 环境中，就不可以使用。在我国，虽然普通液位传感器技术( 如：电子类液位传 感器等) 的发展是比较落后的，但是在新型的光纤光栅液位传感器方面，我国还 是有着较好的发展的，1 9 9 0 年国内公开了一项浮子式光电型编码带液位传感器专 利，它是利用与浮子同步运动的一条绝对式光电型编码带和透射式光纤信号探测 头作为检测液位高度的传感器嘲。2 0 0 2 年1 月南开大学的张颖、刘志国等人采用 增敏罐封装的方法，设计并研究了一种新型高灵敏度的光纤光栅压力传感器，其压 力灵敏度达到5 2 7 7n m m p a ，压力灵敏系数较裸光纤提高了1 7 2 2 倍，且线性度良好， 2 第f 章绪论 可应用于低压情况下物理量的传感测量n 1 。该方法在埋置光纤光栅的过程中存在较 大技术难题，若埋置不当，致使光纤光栅与弹性聚合物之间不能很好的粘合，将 直接导致传感器的失效，即使在制作的时候光纤光栅与聚合物之间粘合较好，但 是也很难保证在长时间的实际应用中不出现光纤光栅与聚合物脱离的现象，能否 保证其长时间的有效，是该方案成功与否的关键，也是此类用聚合物所制作的光 纤光栅传感器的一大弊端。 2 0 0 6 年武汉理工大学的郭金明，姜德生等人提出了一种基于进口膜片的光纤 光栅压力传感器，分析了光纤光栅的压力传感特性，给出了f b g 的中心波长与压力 的关系以及压力灵敏度系数的表达式，并将f b g 纵向粘贴在富士公司生产的型号为 f b c 2 0 w b 2 的膜片上进行了压力实验。实验结果表明粘贴在f b c 2 0 w b 2 型膜片上的 f b g 压力传感器的灵敏度系数约为0 3 7 6n m m p a ，与理论值0 3 8 5n m m p a 接近。 而且该f b g 压力传感器中心波长的变化与压力的变化呈良好的线性关系，并且迟 滞现象较小，说明基于该膜片的f i g 压力传感器非常适合于压力测量喳1 。该方法所 设计的f b g 压力传感器从实验中证明了其可行性，但是，在实际应用及生产中， 弹性膜片与外壳接触处的密闭问题却是一个不可回避的问题，在应用中，随着环 境的变化很难保证接触处的气密性能保持长久，若该密闭处受到损坏，那么该传 感器也就没有什么意义了。2 0 0 8 年1 月西安石油大学的王宏亮、乔学光等人研制 了一种应力迟滞和温度自动补偿型f b g 压力传感器，实现了外压力调谐双f b g 布 拉格波长差的调谐方法h 1 。他们采用四对称悬臂梁与光纤布拉格光栅传感机构的组 合设计，将两个相同反射波长的光纤光栅对称粘接于悬臂梁的上下表面，组成光栅 串，实现对外压力的双光栅波长差的调谐方法。研究结果表明，此传感器可自动补 偿弹性迟滞效应和温度对光纤光栅压力传感器的影响，解决了光纤光栅对压力和 温度交叉敏感的问题，改善了传感系统的线性和重复性。在o - 6 m p a 的测压范围内， 双峰波长差变化范围为o 一6 6 r i m ，测量灵敏度为1 1 2n m m p a 。该设计可行性较高， 而且通过悬臂梁的方式解决了温度、应变交叉敏感的问题，但是此传感器整体结 构过于复杂，不利于实际的生产。2 0 0 8 年7 月暨南大学的赵中华、高应俊等人提 出一种抗光源强度变化和外界干扰的条纹计数法光纤f - p 腔干涉型液位传感器，其 气 黑龙江大学硕士学位论文 采用波纹管作为弹性元件，感受液位的升降变化，通过监测f - p 腔干涉条纹的变化 来达到测量液位的目的，而且还提出了相应的解调方案以及温度补偿方法，并利 用所制作的双光路光纤卜p 腔液位传感器，进行了气压模拟试验和实际水位测量试 验，取得了良好的结果。此传感器探头因完全靠光信号传感，所以可免疫外界电 磁干扰，在易燃易爆等特殊环境下安全使用，此方法为光纤在液位监测方面的应 用提供了一个很好的思路，但是此方法并没有用到光纤光栅。2 0 0 8 年7 月集成光 电子国家重点实验室的张文涛、刘育梁等人设计并实现了一种基于平膜片挠度的 光纤光栅压力传感器，该压力传感器利用一个l 型的杠杆机构将膜片的挠度转换为 光纤光栅的轴向应变，在提高传感器灵敏度的同时避免了对光纤光栅栅区直接封 装造成的应力分布不均匀的情况。实验结果表明，该传感器具有良好的线性度和稳 定性，其压力灵敏度系数达1 0 4n m m p a 瞳1 。但是该方案所设计的传感器内部涉及 到了机械元件，我们知道光纤光栅是很灵敏的材料，而机械元件与其相比是很迟 钝的元件。将极为灵敏的f b 6 与相比之下极其迟钝的机械元件相组合，这本身就 是一种矛盾。该方案中所用到的轴承和轴之间必然会存在着很大的游隙，这种游 隙距离的数量级远高于光纤光栅波长漂移变化的数量级，这是制作光纤光栅传感 器最大的禁忌，这也必将会导致该传感器存在很大的迟滞效应问题，不适合实际 的推广和应用。 经综合比较，在普通的电子、机械类液位传感器的研制方面以及相应传感器 的解调系统方面，国外的技术水平要明显领先于国内的技术水平，而且由于传统 液位传感器的技术发展已经趋于成熟，因此国内技术人员很难在传统液位传感器 方面有更多的发挥空间；但是，近年来，随着光纤光栅传感技术的不断发展，随 着其在传感领域优越性的不断体现，人们已经越来越重视对其的开发和利用从而 取代因精度不高，易受环境影响而经常会受到使用限制的传统液位传感器。光纤 光栅在液位传感领域的应用中，国内和国外的起步水平基本是相同的，这也就为 我国的科研人员提供了一个与外国科研人员公平竞争的历史机遇，能否通过利用 光纤光栅来制作出新型的液位传感器，使液位的测量更加精确，更加稳定，使传 感器更能适应所处环境等是很值得我们思考和研究的。这也为本课题的确立、研 4 第1 章绪论 i i 发提供了一个很好的条件。 综合国内外液位传感器的发展来看，基于在光纤光栅的液位传感器方面的研 究，目前来看特别少。随着光纤光栅以其一系列独特而又卓越的优点( 如：免疫 强电磁干扰；抗高温、高压能力强；可在易燃、易爆等恶劣条件下使用；灵敏度 高；损耗低等。) 在传感器领域的优势越来越明显。因此在光纤光栅传感器迅速发 展的今天，用光纤光栅来制作液位传感器必将成为一个符合历史潮流发展的趋势。 因此，光纤光栅在液位测量方面的应用一定会有着广泛的发展前景。 1 3f b g 传感器 1 3 1 光纤光栅的分类 随着人们对光纤光栅研究的不断深入，按照光纤光栅栅格周期的不同，可将 光纤光栅分成均匀周期光纤光栅和非均匀周期光纤光栅两类n 仰钔。其中，均匀周期 光纤光栅又包括：光纤布拉格光栅( 常用) 、闪耀光纤光栅以及长周期光纤光栅； 非均匀周期光纤光栅又包括：相移光纤光栅和啁啾光纤光栅两种。 本课题设计的f b g 液位传感器用到的光纤光栅是光纤光栅中的光纤布拉格光 栅( f b g ) ，下面针对此种光纤光栅作一下简要的介绍： 光纤布拉格光栅无论是在光纤光栅传感领域，还是在光纤通信领域，均以其 卓越的优点被人们所广泛的认同。光纤布拉格光栅是一种可将满足布拉格反射波 长条件的光波沿原路反射回来，而其它波长的光波将透过光纤光栅的带阻滤波器 件。 其它种类光栅简介：闪耀光纤光栅自身具有能将光波进行模耦合的特性，故 而经常在光纤激光器及光耦合器中得以应用；在长周期光纤光栅中传输的光波的 某一个波段将被此光栅在包层中耦合掉，其他波段的光波则可透过，故而其在光 纤传感领域有着较广泛的应用：啁啾光纤光栅的反射带宽较大，且具有较稳定的 色散，因此可被应用于对波分复用系统进行色散补偿：相移光纤光栅的波长选择 性很高，可使处于布拉格反射带宽中的一些本应发生反射的光波透过光栅，因此 黑龙江大掌硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i l i 一 r l l i i i i i i i i 可在波分复用系统中进行应用。 1 3 2f b g 传感器的特点及应用 1 3 2 1f b g 传感器的特点 光纤光栅传感器具有其他种类传感器无法比拟的优点n ：首先，光纤光栅作 为以为石英作为光传输的介质的无源器件，其具有良好的介电性和免疫电磁干扰 的性质，这就为光纤光栅传感器在特殊、恶劣环境中( 如：矿井等易燃易爆场所) 的应用提供了安全的基础；然后，光纤光栅以其简单、轻巧的结构，抗腐蚀、抗 高温性能卓越，灵敏度高等优良特点经常被人们直接埋入建筑物或一些力学材料 的体内，这样不但实现了在不影响物体自身力学性能及结构的情况下对待测物体 物理量的变化进行测量，而且还真正的做到了将光纤光栅传感网络像“人体的神 经网络 那样对待测物体进行全方位的覆盖；接下来，因为光纤光栅是对波长进 行绝对编码，所以不受光源信号强度在传输过程中的衰减以及插入损耗等因素的 干扰，性能稳定、可靠，故而对远程监测的实现提供了重要的保障；通过利用波 分复用、时分复用、空分复用技术，可将若干光纤光栅传感器组合起来，形成传 感通信网络，协同工作，即实现网络化监测。 1 3 2 2f b g 在传感领域的应用 近年来，随着光纤技术的不断发展，光纤光栅的可靠性得到进一步提高的同 时，其生产成本也变得更为经济，这使得光纤光栅的优势越发明显和突出，再加 上光纤光栅传感器具有传统的传感器不可企及的优点，因此自其问世以来，其实 用化前景越来越被人们所重视。而且，光纤光栅的应用领域也得到了不断的扩展， 主要包括：光纤光栅在光纤传感以及光纤通信领域中的应用 1 c - e ) 。， 光纤光栅在传感领域的应用很广纠羽，涉及到了诸多方面( 如，建筑，航天、 航海、化工、电力等) ：在建筑工程中，人们通常将f b g 传感器埋置于桥梁、隧 道等建筑物的结构之中，用其组成的传感网络对建筑物的健康状况( 如：建筑物 的力学性能变化等) 进行实时的监测、评估。这样对提醒人们何时需保养建筑物、 如何排除建筑物潜在的危险隐患均起到了非常重要的作用； 第1 章绪论 在航天、航空、航海、化学工业、电力工业等领域中光纤光栅传感器亦已被 广泛的应用。如：在航天航空航海领域中，为了监测飞行器或者船舶的健康状况， 我们需要同时对飞行器或者船舶的多个物理量( 如：机身应变、温度等) 进行监 测，如果采用一般的机械或者电子类传感器，那么由于机械或者电子类传感器的 体积较大，所以不便于埋置于机身之中，如果强行将以上这种传感器埋置于机身 之中，这必然会对飞行器或者船舶的架构以及其力学性能产生影响，因此普通的 机械类或者电子类传感器并不是最佳选择。而如果我们采用光纤光栅传感器，那 么情况就大大不同了，因为f b g 的一个很大的优点就是其体积小巧，对物体的框 架结构、力学性能不会产生影响，因此，我们可以将其埋置于机身内部，这样不 但对飞行器、船舶等的架构及机身的力学性能没有影响，而且若干f b g 传感器在 机身内部组成的庞大的传感网络，就可以像我们人类的神经网络一样，实时的、 敏感的监测飞机内部各种物理量的变化，这样人们便可即时的掌握飞行器或者船 舶的各项运行参数，避免事故的发生； 在化工领域中，因为许多化学物品都具有腐蚀性、易燃易爆性，因此它们存 放环境都是有非常严格的要求的，因此我们需要实时掌握其储存环境的诸多物理 量的变化( 如：温度等) ，而普通的电子类传感器因其工作条件离不开电，而电却 恰恰是化学物品储存环境中的危险因素之一，这样看来，电子类传感器不是虽佳 的选择，这时，性能优良的f b g 传感器再一次的被我们所重视，因为f b g 传感器 是一种利用光波进行传感的器件，也就是说他免疫电、磁场的干扰，也就是说放 置于存有易燃、易爆的化学物品的环境中的f b g 传感器探头内部只有光信号，没 有任何电信号，这样就为此种环境的安全监测提供了有效保障；在电力工业领域 亦如此，因为电力工业中不可避免的就是电磁干扰，而普通的电子类传感器不可 避免的会受到电磁的干扰，从而影响传感数据的准确性，而f b g 传感器免疫电磁 干扰，也就是说电力工业应用中( 如：电线) 产生的电磁干扰不会对f b g 传感器 产生任何影响，这也就为我们电力工业的安全运行上了一道坚固的防火墙! 综上所述，近年来，随着光纤光栅传感技术的不断发展和完善，其巨大的优 势和应用前景得到了充分的显示。随着光纤光栅传感器技术的日趋完善和成熟， 7 黑龙江大学硕士学位论文 其性能和实用化的程度也在不断地提高，光纤光栅传感器占领传感器领域的主要 地位已经成为历史车轮前进的必然趋势1 1 3 2 3f b g 在通信领域的应用 近年来，光纤光栅以其卓越的优点( 如：采用对波长绝对编码，与光纤兼容 性强，传输损耗低，传输速率高，传输信息容量大，不受光源功率强度、光纤弯 曲以及其他器件的插入损耗等因素的影响，传感精度高，可靠性、稳定性强，便 于利用复用技术组成传感网络等) 被人们广泛的应用于通信领域。光纤光栅在通 信领域的应用主要包括用于滤波、色散补偿、改善光纤放大器性能等。 在色散补偿方面：色散是制约高速光通信发展的一个因素，通过利用啁啾光 栅可以有效地补偿色散；在改善光纤放大器方面：将光纤光栅和掺饵光纤放大器 组合，可以有效的提高掺饵光纤放大器的性能。 在滤波方面：如，可调光纤f p 滤波器。工作原理：此种滤波器是一种能够 选择透射波长的带阻滤波仪器，它可以使某一特定的波长透过，而其它的波长将 被阻止，无法通过，从而实现波长的选择。其内部的f - p 腔的每一个腔长只对应 一个透射波长，这样，通过改变其内部f - p 腔的腔长，便可以实现波长的选择船删。 1 4 液位测量技术简介 1 4 1 液位测量技术概述 我们把可以测量液体液面高度的装置或者元件称为液位传感器。随着液位传 感技术的不断发展和进步，液位传感器已经在许多领域得到了广泛的应用，如： 在工程领域、企业生产过程中等。研制具有更高精度、更好可靠性及稳定性、更 加实用、能更适用于特殊恶劣环境测量的传感器是当下人们关注的焦点，以上性 能对液位传感器提出了更高的要求。这也为本课题的研究提供了发挥空间。 1 4 2 液位测量的主要方法 目前，应用于生产、生活中的液位传感器主要有以下几种的蚓：机械式液位传 感器；液压式液位传感器；雷达、超声波液位传感器；利用放射元素式液位传感 r 第1 章绪论 器；光学类。其测量原理分别为： 机械式液位传感器测量原理：通过机械传动装置把和液位处于相同高度的浮 子( 如水箱中的水漂) 高度信息转换成相应的电信号，然后通过与之配套的解调 设备测算出液位高度。此种传感器虽然可以实现对液位的连续测量，但是随着使 用时间的延长，会有大量沉淀附着于传动装置上，导致装置测量灵敏度大大降低， 直至产生故障； 液压式液位传感器的测量原理：当液面高度发生变化时，容器底部或侧壁上 的某个点上的压力将随之变化，然后，通过容器底部或侧壁上相应位置的传感器 感受这些变化，并将所感受到的液位变化的信号传送到解调系统中，得出相应的 液位高度值。此种类型的传感器可以对液位实现连续性的测量，但是其测量精度 将受到解调系统精度的限制，而且被测液体的密度亦需要是均匀、已知的； 雷达、超声波液位传感器的测量原理：通过测量电磁波信号从发射到反射到 被探测器接收的这段时间来测量液位，可用于较恶劣的环境( 如：有毒的环境) 。 但是由于雷达传感器的测量信号激发时间很短，因此需要具有能快速分析、处理 信号的解调设备对其进行解调，才能保证所得数据的准确性，这也就导致其价格 昂贵，不利于实际应用； 放射元素式液位传感器测量原理：放射射线具有穿透和反射能力，当某种同 位素射线到达被测液体时，如果利用其透射性测量液位，因为放射线在射入待侧 液体后，其强度会发生变化，那么通过测量并解调器强度的变化便可得出液位值； 如果利用放射线的反射性来测量液位，此种思路和雷达、超声波式液位传感器的 测量原理就十分相似了，通过测量射线从发射到被反射回来的时间来达到测量液 位的目的。此方法虽然可以测量较恶劣的环境( 如：腐蚀性、有毒性、易燃易爆 的场合) ，但是因此类放射线能量损失较大，故而将导致测量误差偏大，而且此方 法因具有核辐射性，所以对人体健康不利； 光学类液位传感器以f b g 液位传感器为主，光纤光栅传感器以其卓越的优点， 被人们所广泛的研究，它不但测量精度高，反应灵敏，而且还能应用于诸多恶劣 的环境，而且其解调方式也有很多，是一种极具实用价值，具有广泛应用前景的 9 黑龙江大学硕士学位论文 传感器，本文将利用光纤光栅设计一款新型的f b g 液位传感器。 1 5 本文研究的主要内容 为了使液位传感器性能更加稳定可靠，测量灵敏度更高，对液位能够进行动 态、连续监测，能在易燃易爆等恶劣环境下应用，本文设计了一款新型的高灵敏 度光纤光栅液位传感器，其原理可靠，工艺和结构简单，能大幅度提高光纤光栅 液位传感器的灵敏度，并且为光纤光栅液位传感器应用于实际的监测提供了一个 新的思路。主要工作大致如下： ( 1 ) 了解并且掌握fbg 的传感原理； ( 2 ) 分析弹簧管自由端在压力p 的作用下产生的牵引力； ( 3 ) 设计、制作fbg 液位传感器，并对其进行封装设计； ( 4 ) 从理论和实验两方对该fbg 液位传感器进行可行性验证； ( 5 ) 为了使解调系统更加实用化，采用可调光纤f _ p 滤波器对所设计的f b g 液位传感器进行解调测试。 第2 章f b g 传感器特性研究 2 1 引言 第2 章f b g 传感特性的研究 f b g 传感技术是一种以f b g 的布拉格反射波长对应力、压力、温度等物理量的 敏感特性为基础的一种新型传感技术。它对波长进行绝对编码，便于将多个f b g 连接起来组成传感网络，这正是其它传感器所不可替代的。由此可见，f b g 是一种 能够对多种物理量进行监测，并可实现网络化监测的理想元件。 2 2f b g 的结构及传感原理 入射光 _ - _ l - 一 反射光 图2 1 光纤布拉格光栅原理示意图 f i g u r e 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f f b g 透射光 _ _ _ _ _ _ f b g 是一种性能优越，具备带阻滤波功能的无源光子器件。其带宽窄，波矢方 向与纤轴方向一致，采用波长编码，结构示意图如图2 - 1 所示。f b g 可以改变光的 传播方向，当光波通过光栅区域时，满足布拉格反射条件 砧= 2 n q a ( 2 1 ) 的光波将被反射回来，其它波长的光将通过f b g ，这便形成了反射和透射两种光谱， 它们彼此互补。当作用在f b g 上的能被f b g 所感知的外界物理量( 如应力、温度 等) 发生变化时，会引起反射或者透射光谱的波长漂移，通过对波长漂移的监测， 黑龙江大学硕士学位论文 即可判断待测量的变化情况，达到传感的目的n 叼。 式( 2 1 ) 的微分形式可表述为： a a b ：堕+ 竺 ( 2 2 ) k n 啦 入 式( 2 一1 ) 、( 2 2 ) 中式中n e f f 为纤芯的有效折射率，八为栅格周期。 由式( 2 2 ) 可知：能使f b g 的栅格间距或折射率发生微扰的物理量都可以使 光纤光栅的布拉格反射波长发生变化，即可被光纤光栅所感知。 2 3f b g 的传感特性分析 2 3 1 匣力对f b g 传慰器的作用 当光纤光栅受到应力作用时，光栅的栅格周期常数在应力的拉伸作用下将发 生变化，与此同时，在应力作用下，光纤光栅中产生的弹光效应将改变其折射率， 它们分别可表示为： 坐：s (23)a一= e i 一1l n 、 堕：一鱼竖! 二擘! 型g( 2 4 ) 以万 2 式中占为轴向应变：冀。和b ：是弹光系数；v 为泊松比。 记只i 譬【丑：一y ( 五。+ 丑：) 】，称其为有效弹光系数。 把公式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 及代入( 2 - 2 ) 中，可得出应变作用的表达式为： 孥：( 1 一只弦( 2 - 5 ) 令k = 以0 - g ) ，将其代入式( 2 5 ) ，由此可得： a a 。= k ef 2 6 、l 冤2 草f b g 传感器特性研冤 i i i i i i i i i i - - -一一一i i i i i i i i i i 由式( 2 6 ) 我们可看出：光纤光栅反射波长的变化和轴向应变之间成明显的线性关 系。 2 3 2 压力对f b g 传感器的作用 当光纤光栅受到变化的压力( p ) 作用时n 们，有： 等= c 去筹+ 古挈，凹 弘乃 九b l 入8 p n 匾8 p j、 其中 羔：一掣( 2 - 8 ) 一= 一一 嫡p e 之：凳( 1 2 。) ( 2 只：+ 只。) ( 2 9 ) 聆盯a p 2 e 、 “ 、7 e 为光纤的弹性模量。 将( 2 8 ) 、( 2 - 9 ) 代入( 2 7 ) 式，得出反射波长的漂移变化量为： 警：卜半+ 鲁( 1 砌) ( 2 只：峨) 】舯( 2 - 1 0 ) 厶 e2 e 、 一“ “7 2 3 3 温度对f b g 传感器的作用 当光纤光栅受到变化的温度作用时，光纤光栅的栅格周期常数将在热涨效应 的作用下发生变化，与此同时，热光效应将会改变光栅区域的折射率。在一定的 温度变化范围内，它们均和温度的变化丁成正比，表达式为n 伽： _ a a ：g , a t ( 2 1 ，1 ) 一2 t 二。l ， 人 、。 一a n , g ：一上堕坐t ( 2 1 2 ) 一= = 一，、 z izi 刀 、7 式中口为光纤材料的热膨胀系数，y 为光纤的归一化频率。变化的温度作用于f b g 时产生波长漂移量的多多主要由热光效应决定，大约占漂移量的9 5 ，记为： 黑龙江大学硕士学位论文 p 上? l e f t 墼d v 筹 ( 2 - 1 3 ) d 把孝叫做热光系数。因此温度变化使f b g 产生的波长漂移量的最终公式为： 兰晏邑= ( 口+ 孝) 丁2 - 1 4 ) 当光纤光栅同时受到温度、压力、应力作用时，则光纤光栅布拉格反射波长 的总漂移变化量可表示为n 们： 等- ( 1 卅州口螂州一半+ 鲁( 1 劫煳z 制a p 2 4f b t l 应变传感的温度补偿技术 在第2 3 节中，我们知道了应变和温度的变化都会对光纤光栅的反射波长的 漂移量产生影响。在f b g 传感器的实际应用中我们经常会遇到这样的状况：只希 望测量应变作用于f b g 传感器时所引起的波长飘移，不希望测量应变和温度变化 同时作用于f b g 时引起的布拉格波长漂移。可是在实际测量中，我们所测量的光 纤光栅波长漂移量基本都是温度和应变同时作用在f b g 传感器时的合漂移量。因 此，在不采取任何措施的情况下，温度变化对f b g 传感器测量精度的影响是不可 避免的，只有把温度变化对f b g 传感器波长漂移量的影响去掉，才能使我们所设 计的传感器测量更加准确。光纤光栅温度与应变的交叉敏感问题是光纤光栅传感 领域的一个热点问题，许多人都在致力于研究出更好的温度补偿方法，也就是如 何能更好的将温度变化对f b g 波长漂移量的影响从总的布拉格反射波长漂移量中 去除掉。 经总结，现将温度补偿的几种主要方法归纳如下： 方法一：补偿光栅法，在f b g 传感器的测量环境中( 即相同温场) 放置另一 个自由光栅，该光栅不受力的作用，仅用来测量温度，那么自由光栅的波长漂移 量也就是传感器中温度变化产生的波长漂移量。此时，用传感器中总的波长漂移 第2 章f b 6 传感器特性研究 量减去自由光栅的温度漂移量，剩下的就是应力作用于f b g 传感器所产生的漂移 量哺洲1 。此方法简单、易行，可以完全剔除温度变化对光纤光栅的影响。 方法二：聚合物本身是一种对温度不敏感的材料，利用这个性质，将f b g 埋 置于聚合物中，这样便可以利用聚合物对温度的不敏感性大大降低温度对光纤光 栅的影响，达到温度补偿的目的旧1 。此方法只能降低温度变化对f b g 的影响，无 法彻底消除温度变化对f b g 的影响。 方法三：利用具有负膨胀系数的材料，此种材料在受热后，不会产生热胀效 果，反而会发生一定的收缩，当埋置于其中的光纤光栅发生热胀效应时，此材料 会在一定程度上反向压缩f b g ，从而尽量抵消f b g 的热胀效应，达到补偿的目的嘲、 矧。此方法只能在一定范围内对温度进行补偿，无法完全消除温度的影响。 方法四：采用具有自身免疫温度影响的啁啾光栅，此种光栅的反射波长的带 宽变化与温度变化无关，进而达到温度补偿的目的隅。此方法虽然可以完全免疫 温度影响，但是所用的啁啾光栅传感精度不如f b g ，而且目前啁啾光栅过于昂贵。 方法五：利用悬臂梁法对f b g 进行温度补偿。此方法便于实施，可以完全 去除温度对f b g 的影响。 将以上五种方法综合比较发现：方法二利用聚合物法，方法三利用负膨胀系 数法，虽然可以达到温度补偿的目的，但是仅仅能补偿部分的温度影响，无法彻 底消除温度变化对f b g 的影响；方法四，利用啁啾光栅法，虽然免疫温度影响但 是成本过高，测量精度不足；方法一补偿光栅法和方法五利用悬臂梁法，不但简 单易于实施，而且还可以完全去除温度对f b g 传感器的影响，是比较理想的方法。 经斟酌各方利弊，本文认为采用补偿光栅法对f b g 传感器进行温度补偿是最为简 便、可靠的方法。下面对此方法进行一下详细的说明： 采用补偿光栅法对温度进行补偿，即将两个相同的光纤光栅串联到一起，如 图2 2 所示，其中f b g l 为测量应力的光纤光栅，其两端分别与弓形弹性架的a 、b 两端固定，且在固定时对f b g l 施加一定的预应力，以消除迟滞效应。这样当力f 作用于弓形弹性架上时，弓形弹性架的两端会产生力f 1 和f 2 ，这两个作用力方向 相反，从而拉动f b g l ，但f b g l 同时也受到温度变化的影响，我们需将温度的影响 黑龙江大学硕士学位论文 图2 - 2 光纤光栅温度补偿原理示意图 f i g u r e 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o no f t h ef b g 排除，故引入f b g 2 温度补偿光栅，该光栅不受力，并且与f b g l 处于相同的温度 场内，只用其测量温度的变化使布喇格波长产生的飘移量，而在两个光栅中因温 度变化而产生的波长漂移量是相同的，这样，我们用f b g l 中的波长漂移量减去f b g 2 中的波长漂移量，便排除了温度对f b g 传感器波长漂移量产生的影响。接下来本 文将从理论方面对该方法进行一下分析讨论： 将光纤光栅1 安装在待测结构上( 此光纤光栅目的在于测量应变，但同时受 到应变和温度的作用) ，根据式( 2 1 5 ) ，其布拉格反射波长漂移量表达式为： a 2 s l = ( 1 - p 。) e 2 s + ( 口+ 善) 丁如 ( 2 - 1 6 ) 然后将光纤光栅2 安置于与光纤光栅1 相同温度场中( 该光栅只受温度作用， 不受应力的作用) ，根据式( 2 1 5 ) ，其反射波长表达式为： 如2 = ( 口+ 孝) r 以 ( 2 - 1 7 ) 因为f b g l 和f b g 2 处于相同的温度场内，所以两根光纤光栅受到温度作用而 产生的波长漂移量是一致的。 那么，用式( 2 1 6 ) 减去式( 2 1 7 ) 便可得出经温度补偿后的反射波长漂移量： 如= ( 1 一) ( 2 1 8 ) 根据以上分析我们可知，采用补偿光栅法对f b g 进行温度补偿，只需要分别 第2 覃f b g 传感器特性研究 测量出传感光栅和温度补偿光栅的b r a g g 反射波长的漂移量，然后经过计算后即可 完全消除温度对f b g 传感器的影响。此种温度补偿方法为f b g 传感器的实际应用 奠定了扎实的基础。 2 5 本章小结 本章首先对f b g 的传感原理以及其结构进行了详细的介绍，然后从光纤光栅 布拉格方程出发对光纤光栅的应变、温度和压力传感特性进行了理论分析；然后 又根据本课题所涉及的传感器，从理论的角度介绍了f b g 的应变传感模型；最后 针对f b g 在传感过程中温度和应变交叉敏感问题，对比和分析了现有各种解决方 案的优缺点，确定了在利用f b g 对待测量进行监测的过程中，采用参考光栅法( 也 可称为不受力光栅法) 为最简单，而又经济可靠的温度补偿方法，同时详细的分 析了该方法。总体来看，本章为下文传感器的设计，做出了理论方面的铺垫。 黑龙江大学硕士学位论文 第3 章波登管的基本介绍及其自由端力学性能 3 1 引言 由于本课题所设计的f b g 液位传感器的核心部件之一为波登管，故本章将针 对课题需要用到的波登管的相关知识做出详细的介绍，为接下来的工作得以顺利 进行作出重要的基础铺垫。 3 2 波登管的基本介绍 如图3 - 1 所示，波登管是一种很好的弹性元件，通常的结构是一种呈圆弧形 的空心扁管，管子截面的短轴位于管子弯曲平面内， 笏猕孔 f 1 - 一 自由端 卜 ll 进压口 壁厚h i； i ；h _ 长辅长h 短轴长压 图3 1 波登管结构及其截面示意图 f i g u r e 3 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo ft h eb o u r d o nt u b ea n di t ss e c t i o n 波登管的一端焊入进压口，具有压力p 的流体由进压口进入管子腔内。管子 的另一端用一封头通过焊接的方式将其密封，并将此端作为自由端。如图3 - 1 所 示，在压力p 的作用下，波登管发生弯曲，并且使封闭的自由端产生位移的变化， 也可以说使自由端产生了牵引力。由于不同的液位高度产生的压力不同，相应的 第3 章波登管的基本介绍及其自由端力学性能 波登管自由端产生的牵引力的大小也随之变化，这样便起到了感知液位变化的作 用。根据所测压强范围的不