高精度光纖液位傳感機(jī)理及應(yīng)用研究.pdf

1、液位測(cè)量廣泛地應(yīng)用于工業(yè)測(cè)量、燃料貯藏等領(lǐng)域。近年來(lái)，隨著實(shí)際應(yīng)用需求的增加，液位測(cè)量尤其是高精度液位測(cè)量逐漸在地質(zhì)監(jiān)測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)等新興領(lǐng)域開(kāi)始發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，與此同時(shí)，如液體折射率、溫度等參數(shù)越來(lái)越多的被集成到液位傳感器中，以實(shí)現(xiàn)以液位為核心的多參量傳感。另一方面，光纖傳感技術(shù)以其靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、尺寸小易于集成、無(wú)源、易于實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為科研與應(yīng)用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其中光纖光柵傳感器、光纖激光傳感器以

2、及光纖干涉型傳感器以其獨(dú)特的傳感特性與應(yīng)用潛力在眾多光學(xué)傳感器中得到了較多的關(guān)注。
　　本論文針對(duì)高精度液位傳感技術(shù)在環(huán)境與地質(zhì)監(jiān)測(cè)、工程與工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域的重大應(yīng)用需求，系統(tǒng)開(kāi)展了光纖傳感技術(shù)與高精度液位傳感技術(shù)相結(jié)合的理論、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用研究，主要工作內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：
　　(1)基于弱反射率窄帶寬光纖光柵液位計(jì)的理論與實(shí)驗(yàn)研究：原創(chuàng)性的提出了基于浮子—光柵一體式機(jī)械結(jié)構(gòu)的液位傳感方案，根據(jù)耦合模理論與傳輸矩陣方程進(jìn)行了對(duì)

3、應(yīng)的數(shù)學(xué)建模和機(jī)理分析，并完成了包括靈敏度、測(cè)量范圍、線性度、溫度交叉敏感等關(guān)鍵參數(shù)和誤差的測(cè)量，理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的液位計(jì)的靈敏度為162 pm/mm，分辨率可達(dá)0.37mm，測(cè)量范圍24mm，線性度優(yōu)于0.998，波長(zhǎng)穩(wěn)定性小于2pm，具有高靈敏度、高可靠性與穩(wěn)定性等突出特點(diǎn)。
　　(2)基于光纖激光諧振拍頻傳感技術(shù)的液位計(jì)的理論與實(shí)驗(yàn)研究：詳細(xì)推導(dǎo)了光纖激光器及拍頻解調(diào)技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)理論，構(gòu)建了雙環(huán)腔單縱模光纖激光器

4、的結(jié)構(gòu)模型，分別完成了光纖激光器系統(tǒng)特性及液位傳感特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究，在液位測(cè)量的基礎(chǔ)之上，利用所設(shè)計(jì)的激光器結(jié)構(gòu)還拓展進(jìn)行了溫度傳感的機(jī)理與實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的液位計(jì)具有2.12×107 MHz/m的超高檢測(cè)靈敏度，線性度為0.986，對(duì)應(yīng)于910kHz的頻率解調(diào)分辨率，液位測(cè)量的分辨率可以高達(dá)0.05μm，其中實(shí)驗(yàn)靈敏度與分辨率是所報(bào)道的光學(xué)液位計(jì)方案中的最高值。
　　(3)基于全光干涉結(jié)構(gòu)的液位計(jì)及液位-折射率

5、雙參量傳感器的理論與實(shí)驗(yàn)研究：設(shè)計(jì)出單模光纖-多模光纖-單模光纖-多模光纖-單模光纖的全光模式干涉儀結(jié)構(gòu)，基于此傳感頭構(gòu)建了液位傳感模型，進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步的，在液位測(cè)量的基礎(chǔ)上，利用模間干涉結(jié)構(gòu)的折射率敏感特性，進(jìn)行了液位和折射率雙參量傳感的機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明，對(duì)于兩個(gè)選定的干涉級(jí)次，液位傳感和折射率傳感的靈敏度分別為245.7 pm/mm、-38 nm/RIU和223.7 pm/mm、-62 nm/RIU，首次實(shí)現(xiàn)了

6、基于模間干涉結(jié)構(gòu)的液位與折射率雙參量傳感測(cè)量。
　　(4)高精度液位傳感的應(yīng)用研究：以水管傾斜儀和雨量計(jì)為研究對(duì)象，實(shí)現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)與地質(zhì)監(jiān)測(cè)及環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的結(jié)合，自主開(kāi)發(fā)了基于均勻光纖光柵、光纖激光諧振拍頻兩種傳感技術(shù)的水管傾斜儀結(jié)構(gòu)，從創(chuàng)新性，可靠性，穩(wěn)定性和測(cè)量精度等多方面進(jìn)行了理論與實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，同時(shí)，自主開(kāi)發(fā)了基于光纖光柵傳感頭的虹吸式雨量傳感系統(tǒng)，對(duì)雨量計(jì)關(guān)鍵參數(shù)、虹吸補(bǔ)償效應(yīng)及系統(tǒng)誤差分別進(jìn)行了相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究。