（检测技术与自动化装置专业论文）基于光纤光栅传感器的铝电解槽高温安全监测系统.pdf

山东大学硕士学位论文 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1 8 8 6 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 又经历了预焙一自焙一预焙槽的发展历程。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 6 0 0 、侧部钢板温度 测量范围0 - 6 0 0 、底部钢板温度测量范围o - - 5 0 0 。每个电解槽的测温点 多达1 0 0 个，每个车间按1 0 0 个电解槽进行设计。系统精度：1 ；响应时间： 3 0 s ；使用寿命：1 0 0 ，0 0 0 小时( 大于1 0 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s m l 2 5 的解调原理，本课题采用美国m o i 公司生产的光纤光栅 解调仪s m l 2 5 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s l 和s 2 进行了标定实验， 山东大学硕士学位论文 并得出标定结果。 课题的软件系统在l a b v i e w7 1 环境下开发完成，解调程序是在解调仪s m l 2 5 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。 关键词：铝电解；光纤光栅；解调；高温；标定 i i 山东大学硕士学位论文 ab s t r a c t a l u m i n u mi so n ek i n do ft h em o s tc o m m o nu s e dm e t a l s ，a l li m p o r t a n tb a s i cr a w m a t e r i a lf o ro u rc o u n t r y se c o n o m yd e v e l o p m e n t s i n c ec h a r l e sm a r t i nh a l lf r o mt h e u s aa n dp a u ll o u i sh e r o u l tf r o mt h ef r a n c ei n v e n t e dt h ee l e c t r o l y s i st e c h n i c st om a k e a l u m i n u ma tt h es a m et i m ei n18 8 6 ，a l u m i n u m e l e c t r o l y s i st e c h n i c sh a sc o m et h r o u g h t h ec o u r s eo fp r e b a k e d s e l f - b a k e d p r e - b a k e de l e c t r o - b a t h a tp r e s e n t ，o u r c o u n t r y sa l u m i n u m - e l e c t r o l y s i sm a n u f a c t u r ea l la d o p tt h ep r e b a k e de l e c t r o b a t h ， w ea l s oa d o p tm a n u a la n dd i s c o n t i n u o u st e c h n i q u et om e a s u r et h et e m p e r a t u r eo f e l e c t r o b a t hs h e l l ，w h i c hi sv e r yb e h i n d h a n d ，w a s t e sm a n p o w e ra n dm a t e r i a lr e s o u r c e s b u tl o we f f e c t s ，t h i st e c h n i q u ea l s oh a r m sw o r k e r sb o d yh e a l t ha n dc o u l d n tm e a s u r e h i d d e nt r o u b l ei nt i m e s oi t sc r yf o rr e a l i z ea u t o m a t i c a l l y , c o n t i n u o u s l ya n dr e a l t i m e m e a s u r et h ee l e c t r o b a t hs h e l l st e m p e r a t u r e t h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o rh a sm a n ys t r o n g p o i n t ss u c ha ss m a l lv o l u m e ，h i g h s e n s i t i v e ，s t e a d y , r e - e l e c t r o m a g n e t i c a l l y , b ep r o n et oc o m p o s i n gd i s t r i b u t e dm e a s u r e s y s t e me t e c o n t r a s ts e v e r a lh i g ht e m p e r a t u r em e a s u r et e c h n i q u e sc o m m o nu s e d p r e s e n t l ye m p o l d e ras y s t e mt h a tc o u l dm e a s u r et h ee l e c t r o b a t hs h e l l st e m p e r a t u r e u t o m a t i c a l l y , c o n t i n u o u s l ya n dr e a l t i m e ，i t sb a s e do nt h ef i b e rg r a t i n gs e n s i n g t e c h n o l o g y t h i sp r o j e c t sr e s e a r c ha n da c t u a l i z a t i o nw o u l df i l lu pt h e d o m e s t i c b l a n k n e s s ，p r o v i d eat e c h n o i n s t r u m e n tt o m e a s u r et h ea l u m i n u me l e c t r o b a t h s t e m p e r a t u r e ，e n h a n c ea l u m i n u m - e l e c t r o l y s i sm a n u f a c t u r e se f f i c i e n c ya n dp r o d u c t s q u a l i t y , a n da v o i do c c u ra c c i d e n ti nt i m e t h ea n t i c i p a t i v et e c h n i c a lt a r g e to ft h i s p r o j e c ti s ，t h e c a t h o d es t e e l s t i c k s t e m p e r a t u r em e a s u r es c o p ei s0 - - 6 0 0 。c ，l a t e r a ls t e e l p l a t e si s0 - 6 0 0 c ，b o r o m s t e e l - p l a t e si s0 , - 4 0 0 。c e a c he l e c t r o - b a t hh a s10 0t e m p e r a t u r em e a s u r ep o i n t s ，e a c h w o r k s h o pd e s i g n e da sh a s10 0e l e c t r o b a t h s s y s t e m sp r e c i s i o ni s 士1 ，r e s p o n s e t i m ei sl e s st h a n3 0s e c o n d s ，u s i n gl i f ei sa b o u t10 0 ，0 0 0h o u r s ( m o r et h a n10y e a r s ) t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ef i b e rb r a g gg r a t i n g sb a s i cc o n f i g u r a t i o na n da p p l i n g a c t u a l i t y , a n da l s oi n t r o d u c e st h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n sa c t u a l i t yo ft h ef b gh i g h i i i 山东大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r es e n s o r t h e nd i s c u s s e st h et h e o r ym o d e lo ff i b e rb r a g gg r a t i n g ，d e d u c e sa t e m p e r a t u r em o d e l ，w h i c hi sb a s e do nc o u p l i n gm o d e lt h e o r y t h ep a p e ri n t r o d u c e s s e v e r a lk i n d so ff b gs e n s o r sd e m o d u l a t i n gt e c h n i q u e sc o m m o nu s e dn o w , t h e n d i s c u s s e sd e m o d u l a t i n gp r i n c i p l eo ft h es m l 2 5 t h i sp r o j e c ta d o p t ss m l 2 5m a d eb y m o ii nt h eu s aa ss e n s o rs i g n a l sd e m o d u l a t i n gi n s t r u m e n t t h ei n v e s t i g a t i o no ft h et e c h n i c a ls c h e m e sf e a s i b i l i t ya n dt h ew o r ko fb a s i cr e s e a r c h ， d e s i g nh a v et a k e naw h o l ey e a r , o nt h eb a s i so fe l e c t r o b a t h t h r e ek i n d st e m p e r a t u r e p o i n t s m e a s u r er e q u e s ti nt h ep l a n t sy a n k u a n gk e a oa l u m i n u ml t d d e s i g n e dt h e h a r d w a r es y s t e mo ft h i sp r o j e c t t h eh a r d w a r es y s t e mi sc o m p o s e do fh e a t 。r e s i s t a n t f b gs e n s o r se n c a p s u l a t i o n , c o n n e c t i o na n dc l a m p sc o n f i g u r a t i o n ，s e n s o r sl i n e c o l l o c a t i o na n dt h es y s t e m so p t i c a lr o u t e a ne x p e r i m e n tu s i n gf b g s e n s o rm e a s u r e h i g ht e m p e r a t u r eh a db e e nd o n e ，s e tu pt h ee x p e r i m e n t ss e t t i n g ，t h e nn a r r a t et h e e x p e r i m e n t sp r o c e s s ，r e s u l ta n dc o n c l u s i o n b a s e do ne x p e r i m e n td e s i g nah i g h t e m p e r a t u r ef b g sd e m a r c a t i n gs y s t e m ，w h i c hu s ee l e c t r o t h e r m a ls t o v el i k ep l a t eh e a t u pt h es e n s o r s ，t h et e m p e r a t u r ed a t ai st r a n s m i t t e dt h r o u g hs e r i a lp o r tt oc o m p u t e rb y s c m ，t h e nd e m a r c a t et h es e n s o rs la n ds 2u s i n gt h i sd e m a r c a t i n gs y s t e ma n dg e t d e m a r c a t i n gr e s u l t t h es o f t w a r es y s t e mo ft h ep r o j e c ti sd e s i g n e dd u r i n gt h el a b v i e w 7 1e n v i r o n m e n t ， d e m o d u l a t i n gp r o c e d u r ei sq u a d r a t i cd e s i g n e d b a s e do nt h es m12 5 sp r i m a r y p r o c e d u r e ，t h eo p t i c a ls w i t c h sa u t o m a t i cc o n t r o lp r o c e d u r ea n dt h ed a t a sr e a lt i m e w a t c ha n dc o n t r o lp r o c e d u r ea r ej o i n e d t h es o f t w a r es y s t e m sp r i m a r yf u n c t i o n i n c l u d e ，t e m p e r a t u r e sr e a lt i m ew a t c ha n dc o n t r o l ，d a t am e m o r ya n d h i s t o r i c a ld a t a s d e m a n dt h r e ep a r t s f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ep r o j e c t sp r i m a r yr e s e a r c hw o r ka n dc o n c l u s i o n g o t ，t h e np r o s p e c t t h em o r er e s e a r c hw o r kn e e dc o m p l e t e k e y w o r d s ：a l u m i n u m e l e c t r o l y s i s ；f i b e rb r a g gg r a t i n g ；d e m o d u l a t i o n ； h i g h t e m p e r a t u r e ；d e m a r c a t i o n i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 蕉逝崮 e l 期：婴霪：主：! 仝 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印 刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以 将本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论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：羹址导师签名：西醺日 期：圣! 堕：兰：12 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 铝在金属品种中，仅次于钢铁，是第二大类金属，具有特殊的化学、物理特 性，不仅重量轻、质地坚，而且具有良好的延展性、导电性、导热性、耐热性和 耐核辐射性，是国民经济发展的重要基础原材料。1 8 8 6 年，美国的c h a r l e sm a r t i n h a l l 和法国的p a u ll o u i sh e r o u l t 同时发明了冰晶石一氧化铝熔融电解法( 又称 霍尔一埃鲁特熔盐电解法) 制铝工艺。1 8 8 8 年，美国匹兹堡电解厂应用这种炼铝 方法建成了世界上最早的预焙阳极电解槽【l 】。之后，瑞士、法国、英国、德国等 几个国家开始用类似的预焙槽电解法生产铝，随后，铝电解工艺又经历了预焙一 自焙一预焙槽的发展历程，尤其是近5 0 年来，随着世界铝工业科技的不断进步， 高效节能、自动化程度高、环境保护效果好的大型点式下料预焙阳极电解槽已被 采用，极大地促进了世界原铝工业的迅猛发展【2 】。 目前，我国电解铝生产已全部采用预焙电解槽，电流效率8 5 - 9 5 。生产1 吨 铝理论耗电1 3 5 0 0 1 4 0 0 0k w h ，实际耗电1 5 0 0 0 1 6 0 0 0k w h 吨铝。电解温度一 般控制在9 5 0 - - 9 7 0 ，温度升高，部分将铝与电解质中的某些组分如碳等发生副反 应，生成碳化铝。温度越高，副反应越严重，从而使铝的溶解度增大，电流效率降 低。目前，国内所有电解铝厂对电解槽槽壳温度的测量，仍采用人工间断测量技术， 例如本课题的协作单位兖矿科奥铝业有限公司，每天人工使用红外测温仪测量电解 槽测温区温度3 次，对于出现异常的挂牌电解槽每天测温6 次。该技术不能连续记 录电解铝生产过程中的温度参数，而且投入人力、物力较大，收益较低，不能利用 温度参数对铝电解过程进行实时监测、控制，电耗较高。与国外相比，技术比较落 后。另外，我国电解槽还存在如下问题：槽龄较短、侧部炭块破损导致的停槽和漏 槽比例较高、对破损槽存在误判。电解槽侧部钢板温度、槽底钢板温度、阴极钢棒 温度及阴极钢棒电流分布的检测，是发现和判断破损槽的重要依据之一【3 l 。使用人 工便携式红外测温仪来测量这些温度，一方面工人劳动强度大、高温强磁场的工作 环境危害工人的身心健康；另一方面高温强磁场下红外测温仪易失效，也不能实时 连续测量，故不能及时发现故障隐患。 山东大学硕士学位论文 因此，迫切需要对电解槽槽壳的温度进行实时连续的检测，准确的判断出破 损部位及程度，以便对破损槽中有挽救价值的进行补救和延长破损槽的使用寿命， 减少非计划性停槽，增加产量，消除事故隐患，提高经济效益。对于侧部钢板温 度、槽底钢板温度和阴极钢棒温度，不同系列电解槽的温度指标有差异。下面以 贵州铝电解厂f 3 1 和兖矿科奥电解铝厂【4 】系列的电解槽为例列举这三个位置的温度 指标，如表1 - 1 所示。 表1 - 1 贵州铝电解厂和兖矿科奥电解铝厂温度指标 一 位置 正常温度范围( o c ) 异常温度范围( o c ) 所属系列 侧部钢板 1 2 0 2 2 02 9 0 贵州铝电解厂阴极钢棒1 5 0 2 5 0 2 7 0 槽底钢板 6 0 - - 1 2 01 5 0 侧部钢板 2 8 0 4 5 04 7 0 兖矿科奥电解铝厂 阴极钢棒 2 0 0 2 8 0 3 2 0 槽底钢板 6 0 - - 1 2 01 5 0 实现这些温度的实时连续检测意义重大，因为侧部散热孔温度反映了炉帮的厚 度和电解槽侧部热流密度；阴极方钢温度的高低反映了槽膛伸腿的大小、铝液温度 和电解槽底部热流量；底部钢板温度的高低反映铝液温度和底部热密度( 或者底部内 衬绝热系数) 【5 1 。所以，实现侧部钢板温度、槽底钢板温度和阴极钢棒温度的实时连 续检测，再结合其他参数的测量，一方面可以比较准确的判断电解槽炉底是否破损、 破损部位和破损程度，根据检测和判断的准确部位进行修补，做好维护管理工作， 不但可以避免生产过程中误停槽和漏炉事故的发生，而且可以延长电解槽寿命，取 得较好的生产经济指标；另一方面对于分析电解槽的热场分布或炉膛形状提供原始 数据，根据这些温度反馈信息可以更好的进行电解质温度管理、能量平衡管理和物 料平衡管理，提高电解槽运行稳定性，从而提高原铝产量和质量。 1 2 可供选择方案比较 对比目前常用的几种高温检测技术，热电偶虽然可以用来测量高温，但是不 易构成多点分布式测量，因此在电解槽上不适用；红外热像仪和红外测温仪都容 2 山东大学硕士学位论文 易受高温、电磁场的干扰，而且障碍物和测量距离都将影响其测温精度。 光纤温度测量技术用在铝电解槽槽壳温度检测中主要有两种方案，一种是基 于光纤拉曼后向散射技术的分布式光纤温度传感器，此种传感器空间分辨率约为 2 m ，温度分辨率2 c ，但这种传感技术难度高，成本相对比较昂贵；另外一种是基 于光纤b r a g g 光栅的定点式温度检测技术，此技术可以利用波分复用、时分复用以 及增加光开关的方法实现多点网络式温度检测系统。 基于光纤拉曼后向散射技术的分布式光纤温度在线检测系统，容易实现长距 离大范围多点的温度测量，且测温和定位精度高，受使用环境影响小、运行稳定 可靠，但应用于铝电解槽温度检测时，2 m 的空间分辨率为其在槽壳安装以及整体 方案设计时提出了新的难题，同时，基于光纤拉曼后向散射技术的分布式光纤温 度检测系统，开发周期长，成本高，目前还不适合在铝电解槽实时温度检测中的 应用。 基于光纤b r a g g 光栅的温度传感器除了具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰能 力强、耐腐蚀等优点外，还易集成，本征自相干性好，能够实现多点分布式测量， 克服了传统传感器测量成本高、精度小、多个参量相互串扰的不足。基于光纤b r a g g 光栅的槽壳温度在线监测系统易于安装、维护，而且一旦某个测温点发生故障， 不影响其它点的测量。因此，本课题选用光纤b r a g g 光栅作为传感器，设计槽壳温 度在线监测系统，该方案测得的温度数据准确可靠，并且可以实现对槽壳温度进 行定时测量、按需测量及特殊部位测量，能自动进行槽壳温度的采集和存储，并 以图表的形式直观地显示，打印数据报表。 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 9 7 8 年，加拿大的k 0 h i l l 等人首次观察到掺锗光纤中因光诱导产生光栅 的效应，制成了世界上第一只被称之为“h i l l 光栅 的光纤光栅【6 】，开创了光纤 光栅研究与应用的先河。 1 9 8 9 年，美国的m e l t z 等人发明了紫外光侧面写入光敏光栅的技术【7 】( 紫外侧 写技术) 。紫外侧写技术的问世，引发了人们对光纤光栅及其应用和光纤敏化技术 的普遍兴趣，迅速促进了光纤光栅制作技术及其应用研究的发展，为光纤光栅的 3 山东大学硕士学位论文 实用化开辟了一条可行之路。 1 9 9 2 年，b a l l 等人首先发现在1 5 5 0 h m 附近，光纤b r a g g 光栅的波长随其轴向机械 拉伸应力变化呈线性关系，其调谐速率约为1 2n m m m 【8 】，他们将该技术用于光纤 激光波长的调谐，在光纤的允许应变范围内，获得了l o n m 左右的波长调谐。该发现 意义重大，促使人们不断探索新颖的光纤光栅波长调谐方法，研发新型的光子器件 技术，从而导致了光纤通信与光纤传感系统的迅猛发展。 1 9 9 3 年，k 0 h ill 研究组提出了相位掩模写入技术，他们利用紫外激光经过相 位掩模衍射后的1 级衍射光形成的干涉条纹对光纤曝光写入光栅9 1 。该项技术极大 地放宽了对写入光源相干性的要求，使得光纤光栅的制作更加容易，这为光纤光栅 的商品化生产提供了强有力的技术支持。 1 9 9 3 年，j a c k s o n 等人提出了基于平行阵列的光纤b r a g g 光栅w d m 拓扑结构【1 0 1 ，在 光纤光栅复用技术的研究与应用方面率先迈出了第一步。从此，诸女h w d m 1 1 】，s d m 1 2 1 ， t d m 1 3 】等复用技术、以光纤光栅为基元的各种拓扑结构以及它们的各种组合形式与网 络系统【1 4 - 1 6 1 层出不穷，极大地推动了光纤光栅在光纤通信及光纤传感领域的应用步 伐。 随着光纤光栅制造技术的不断完善，其应用的成果日益增多，从光纤通信、 光纤传感到光计算和光信息处理的整个领域都将由于光纤光栅的实用化而发生革 命性的变化，光纤光栅技术是光纤技术中继掺铒光纤放大器( e d f a ，e r d o p e d f i b e ra m p l i f i e r ) 技术之后的又一重大技术突破，现在在世界各国掀起了光纤光 栅研究的热潮。 1 3 2 光纤光栅的基本结构 光纤光栅是利用增敏光纤的光敏效应，使单模光纤纤芯折射率在芯区长度方 向上产生周期性改变而制成的一种新型光纤光子器件，基本结构如图1 1 ( a ) 所示。 即当激光通过增敏过的光纤时，光纤纤芯的折射率将随激光光强的空间分布发生 相应的变化，变化的大小与光强成线性关系，并可永久的保存下来。不同的曝光 条件、不同类型的光纤可产生多种不同折射率分布的光纤光栅。 目前，光纤光栅主要分为光纤b r a g g 光栅、啁啾光纤光栅和长周期光纤光栅 等，光纤b r a g g 光栅是最常见的一种光纤光栅，其光栅周期与折射率调制深度均 4 山东大学硕士学位论文 为常数，光栅波矢方向与光纤轴线一致。一般地，光纤b r a g g 光栅的折射率调制 周期( 光栅周期) 比较短，一般约为0 5 l 啪【1 7 1 ；且折射率调制分布多成如图1 1 ( b ) 所示的正弦型 1 8 】的均匀分布： 啦) = + a n c o s ( 罢小( - l 2 z l 2 ) ( 1 - 1 ) 式中( z ) 光栅纤芯的折射率； 刀光致折射率变化的最大值，即折射率调制深度； n e f f 纤芯的有效折射率； 人折射率变化的周期即光栅的周期，也称栅距； l 光栅长度，即传感测量区。 折射率变化部分 入铽光j ! i i n n l ( z ) 八i l i m蝴盥 ( a ) 光纤b r a g g 光栅基本结构( b ) 光纤b r a g g 光栅折射率分布 图1 1 光纤b r a g g 光栅基本结构和折射率分布 ” t e r2 ta p r 1 7 3 1 p i _ 丽丽可面丌 器p 嚅 1 坚! 旦!g ：里塑 c ：f c 悼t p ，日l k l 如 r 。8 i 。 y v 嘶 1 5 2 9 5 3 m1 5 5 3 m0 a 叭d1 5 3 1 5 3 m 圈嘲圜豳圆圆圈 ( a ) 光谱仪测得的光栅反射谱 l e r ) ：- 6 m2 叫2 掣) b ：f i ，b f s e t ：0 帕c ：f c t $ - r p 8 ；阳b dr e s ：0 勘ms e 鹇：v d e f ih l b 乱n ：s t l p l ：4 丌0 ：、厂! 1 5 2 95 3 m- 1 5 3 日m02 8 m - d1 5 3 1 5 3 m 圈豳脚圆圆圈豳 ( b ) 光谱仪测得的光栅透射谱 图1 2 光纤b r a g g 光栅折射率分布及其反射和透射特性 光纤b r a g g 光栅是一种性能优异的窄带反射滤波无源器件。当光波传输通过 光纤b r a g g 光栅时，满足布拉格光栅波长条件的光波将被反射回来，这样入射光 5 山东大学硕士学位论文 波就会分为两部分：反射光波和透射光波，分别如图1 2 ( a ) 和( b ) 所示。布拉格 波长条件为： 如= 2 n 够a ( 卜2 ) 式中以光栅反射中心波长，也称反射峰值波长或布拉格( b r a g g ) 波长； 刀谚导模有效折射率，也称光纤的有效折射率，满足下面的关系。 二墨篙一一，且宁峄， 甜i 弩f 川舭研衅襁且6 二竺吃2 w 2 = 1 ，2 一“2 u 一甜 光纤b r a g g 光栅的这种特性基于光栅折射率的周期分布，而这种周期性的折 射率分布来自光纤的折射率紫外光敏性和光栅的特殊写入工艺技术。 1 3 3 光纤光栅传感器的主要技术优点 a ) 高可靠性和稳定性。一方面是因为普通传输光纤不会影响光波的频率特性( 忽 略光纤的非线性效应) ；另一方面光纤光栅传感系统的波长调制原理从本质上排除了 各种光强起伏引起的干扰，例如，光源强度的起伏、光纤微弯效应引起的随机起伏、 耦合损耗等都不可能影响信号的波长特性，因而基于光纤光栅的传感系统具有很高 的可靠性和稳定性。 b ) 在对光纤光栅进行定标后，可对外界参量进行绝对测量。 c ) 传感探头结构简单，尺寸小。 d ) 利用波分复用、时分复用、空分复用等技术可以构成多点的准分布式测量。 e ) 抗电磁干扰。一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以在光纤中传输的光信 号不受电磁干扰的影响。 f ) 电绝缘性能好，安全可靠。光纤本身是由非电介质构成的，而且无需电源驱 动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。 g ) 耐腐蚀。由于制作光纤的材料石英具有极高的化学稳定性，因此基于光纤的 光栅传感器适于在较恶劣环境中使用。 h ) 光纤传输损耗小，传感信号可远距离传输，便于实现实时、在线测量。 6 山东大学硕士学位论文 1 3 4 光纤光栅传感技术的应用现状 在光纤领域，光纤光栅传感器的应用前景十分广阔【1 9 1 。由于光纤光栅传感器具 有上述众多的优点，已经成功地应用在航空、航天领域中作为有效的无损检测当中 【2 0 】，同时光纤光栅传感器还可应用于地球动力学、化学医药、材料工业、水利电力、 船舶、煤矿等众多领域 2 l , 2 2 1 ，以及在土木工程领域 2 3 2 4 1 中的混凝土组件和结构中 用于测定结构的完整性和内部应变状态。除此之外，光纤光栅传感器还在其他领域 比如在加速度器、水声器、形变监测、腐蚀探测器、身份和物品的识别系统等方面 都得到了较好的应用。并且许多方面的性能都比传统的机电类传感器更稳定、更可 靠、更准确。 1 4 高温光纤光栅传感器的研究现状 光纤b r a g g 光栅按其光敏机制的不同，分为三种类型，即i 型、i i a 型和i i 型。 这三种类型的光栅中，来源于光纤纤芯物理性损伤的i i 型光栅的温度稳定性最好， 可耐8 0 0 摄氏度以上的高温【2 5 】；与局部电子态缺陷有关的i 型光栅的温度稳定性最 差；而光纤基质材料的光致紧密( c o m p a c t i o n ) 效应所致的i i a 型光栅的温度稳定性 介于两者之间【2 6 1 。i i 型光栅只对波长大于其布拉格( b r a g g ) 波长的光波透射，这类 光栅基本没有什么实际应用价值；i i a 型光栅制作有一定困难，它不能成栅于任何 类型的光敏光纤上，这类光栅的实用意义也不大。对于i 型光栅来说，其热稳定性 还与光纤敏化技术有关，采用不同的敏化技术，所得到的i 型光栅的温度稳定性也 不相同【2 7 1 ，目前常用的光纤敏化技术是掺杂和高压载氢技术。其中掺锗光纤光栅能 耐4 0 0 。c 5 0 0 。c 的高温f 2 8 刀】。 高温稳定性光纤光栅制作技术的关键不在于光纤光栅的写入装置，而在于光纤 预处理过程。将光纤进行载氢敏化处理后，先对光纤进行紫外均匀曝光处理，然后 对其进行高温退火，最后在其上写入光纤光栅，这样制作出的光纤光栅在6 0 5 c 退 火1 0 小时后其折射率调制深度仅仅下降了3 9 9 6 ，其耐高温能力远远高于掺锗光纤光 栅【2 7 1 。据分析，引起光纤b r a g g 光栅折射率热衰减的主要原因是热导致光纤内部结 构d i d ( d r a w i n gi n d u c e dd e f e c t ) 向g o d c ( g e r m a n i u m - o x y g e n 一一d e f i c i e n tc e n t e r ) 的转变，实验室测试表明一种载氢掺锗光纤b r a g g 光栅在室温至1 0 0 0 。c 内其波长一 温度关系呈线性并且性能稳定 3 0 , 3 1 】。t y s o nl l o w d e r 等人提出的一种表面高低起 7 山东大学硕士学位论文 伏的光纤b r a g g 光栅( s r f b g ) 能够测量温度到l 1 0 0 。c 3 2 】；加拿大o el a n di n c 、香 港w e l l t e c hi n s t r u m e n tc o l t d 、上海紫栅光电技术有限公司、宁波杉工结构监 测与控制工程中心有限公司、北京品傲光电科技有限公司、深圳太辰光通信有限公 司均提供封装的高温光纤b r a g g 光栅传感器。其中，o el a n di n c 、w e l l t e c h i n s t r u m e n tc o l t d 、深圳太辰光通信有限公司还提供裸光栅。 随着国内高等院校开设光纤光栅研究方向，关于光纤b r a g g 光栅传感检测技术 的应用研究 3 3 , 3 4 也开始了，如南开大学光电子课题组、武汉理工大学光纤传感技术 研究中心、北京交通大学光波技术研究所、中国科学院上海光学精密机械研究所、 西安石油大学光纤传感重点实验室等。其中詹亚歌等人所设计的高温传感头，将被 测温度转变为光栅的应变，在实验室实现了0 c - 5 0 0 。c 的测量【3 5 1 。实际应用中还发 现，光纤光栅涂敷层的耐高温程度在某方面限制了光栅的应用，因此人们也在耐高 温涂敷层材料的选择及与普通光纤的兼容性方面进行研究，如选择耐高温的铜作为 光栅处的涂敷层。目前深圳太辰光通信有限公司刻制出了耐5 0 0 。c 的裸光栅，其使 用的涂敷层材料是p o l y i m i d e 即聚酰亚胺。 1 5 论文主要内容 本文课题来源是省信息产业厅项目：光纤传感电解铝生产节能监控技术，项目 的主要内容是：根据铝电解槽温度及检测点分布要求，基于光纤光栅传感技术设计 铝电解槽壳温度检测传感器，研究在线检测系统，开发光纤传感电解铝生产节能监 控技术。全文共六章。 第一章绪论。介绍了课题背景及意义，论述了光纤光栅传感器的发展历史、主 要技术优点和应用现状，最后分析了高温光纤光栅传感器的国内外研究现状。 第二章光纤光栅传感器测温原理和波长解调技术。首先论述光纤光栅传感器的 测温原理，目前已有多种描述光纤光栅的理论模型，本文着重介绍基于耦合模理论 的光纤光栅传感模型，采用m a t l a b 仿真程序进行理论计算。然后介绍了光纤光栅的 4 个基本参数和温度传感模型。论述了光纤光栅传感器的几种常用解调方法，包括： 光谱仪和多波长计解调法、可调谐滤波器解调法、边缘滤波器解调法和波长可调谐 光源解调法，其中可调谐滤波器解调法又分为：可调谐波长的光纤f a b r y p e r o t 滤 波器解调法、声一光可调谐滤波器解调法和可调谐半导体量子阱电子吸收滤波器解 曩 山东大学硕士学位论文 调法，接下来重点阐述光纤光栅解调仪s m l 2 5 的解调原理，本项目选用美国 m o i ( m i c r o no p t i c s ，i n c ) 生产的光纤光栅解调仪s m l 2 5 进行高温光纤光栅传感器 的信号解调和数据采集。 第三章铝电解槽高温监测系统的硬件设计。首先介绍了兖矿科奥铝业电解槽 的测温要求，铝电解槽的三类测温点现场位置：阴极钢棒、侧部钢板和槽底钢板， 说明了每类测温点的的具体温度指标。然后是系统的总体架构，耐高温光纤裸光 栅的封装、连接和夹具的结构设计。最后是传感器的布线及系统光路设计，并分 别从光功率损耗和波分复用技术要求两方面详细分析并证明了该系统设计的可行 性。本章内容展示了很多实物图片和结构示意图，方便论述系统的硬件设计。 第四章耐高温光纤光栅传感器的标定研究。论述了光纤b r a g g 光栅测高温实验 和耐高温光纤b r a g g 光栅传感器标定系统的设计两部分内容。第一部分包括：实验 系统的搭建、实验步骤、实验结果和分析，以及实验结论。第二部分包括：标定系 统的硬件构成、单片机数据采集和通讯的电路、程序、上位机数据接收程序和耐高 温光纤b r a g g 光栅s l 和s 2 的标定实验结果。 第五章电解槽高温监测系统的软件设计。这一章包括：解调仪s m l 2 5 解调程 序的二次开发和上位机软件的各功能实现两部分内容，虽然解调仪s m l 2 5 自带的 解调程序性能稳定可靠，但并不能完全满足本系统的功能需求，而且界面难懂、 不易方便操作。因此，对其进行扩充性的二次开发，第一部分内容讲述了基于 t c p i p 协议的数据采集程序、峰值波长的检测算法和程序实现以及光开关的并口 控制程序。第二部分上位机软件的各功能实现则着重讲述了温度的实时监视、数 据存储和历史数据查询3 个软件功能的具体实现。整个系统软件的设计都是在 l a b v i e w7 1 环境下开发完成的。 第六章结束语。总结了本文的主要研究工作及结论，展望了下一步的研究工 作。 9 山东大学硕士学位论文 第二章光纤光栅传感器测温原理和波长解调技术 光纤光栅以其独特的优越性能在传感领域得到了充分重视与肯定。在上一章 介绍了光纤光栅的发展历史、基本结构、技术优点和应用现状之后，本章将更进 一步深入论述光纤光栅的测温原理和波长解调技术。 2 1 光纤光栅传感器测温原理 为了能使用光纤光栅作为传感器精确测温，就要首先从光学从面的结构和原 理出发，建立描述光纤光栅物理属性和设计结构的理论模型，进而建立温度传感 模型。 2 1 1 光纤光栅的理论模型 目前，已经有多种描述光纤光栅的理论模型，每种方法都提供了独特的视角 去观察光栅一电场交互作用的物理机制。其中，应用最广泛的是a y a r i v 于1 9 7 3 年引入的耦合模理论【3 6 1 ，该理论是光纤光栅的“谱形控制 和“光栅重建”的基 础，但耦合模理论仅适用于均匀光栅。随着研究的发展，后来相继出现了有效折 射率方法、转移矩阵方法等理论用来分析复杂结构的光纤光栅，另外，还有r o u a r d 法用于描述波导光栅，基于数字信号处理公式的离散时间法用于分析周期光栅等。 由于本课题中使用的光纤b r a g g 光栅属于均匀光栅，因此，本文中的光纤光栅理 论模型采用耦合模理论为基础。 光纤b r a g g 光栅的形成可简单的认为仅是对光纤导波模有效折射率的一种微 扰，其折射率分布可以描述为： 忡) = n e f + a n ( z ) = n e f f “( z ) 1 + v c o s ( 警外她) ) 】( - 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