任亮[1]2003年在《高精度光纤液位传感器的研究》文中研究说明本文提出了一种新型的高精度光纤液位传感器，能够实现对苯、汽油、柴油等石油化工材料的定点测量和连续测量。该传感器系统采用针式单光纤结构的传感头，使得系统具有结构简单、高精度、高灵敏度、无漂移等优点，其液位测量精度可达±0.5mm，最大光调制深度为21dB。该传感器可广泛应用于石油化工系统的多种液体的液位控制和测量，特别适用于小型容器的液位精确计量。 论文从理论和实验上分别对基于受抑全内反射原理的单光纤传感头进行了分析。论文提出并比较了两种制作单光纤传感头的方法：电弧拉制法和光纤研磨法；利用光线追迹法建造了单光纤传感头的数学模型。理论和实验的结果表明，顶角处于90°左右的光纤尖具有最大的光调制深度。 本论文研究了影响传感器工作寿命的传感头污染问题。分析了光纤尖在水中和在油中两种不同的污染情况。提出了传感头制作的改进方案，即采用溶胶-凝胶法在光纤尖上镀一层TiO_2膜来提高光纤尖的抗污染能力。在水中的实验表明，镀TiO_2膜后的光纤尖比镀膜前其抗污染能力有很大的提高。
段静波[2]2008年在《进位式编码盘光纤液位传感器的研究》文中研究表明本文设计了一种进位式编码盘光纤液位传感器。此传感器可直接测量液位,传输光纤使用混合排列光纤束,通过计数光纤点亮的根数来实现液位的测量,具有动态范围大,测量精度高,抗干扰能力强、长期稳定性好、输出信号不受环境光干扰、停电后重新启动不需要重新标定、以及成本低的优点,可实现现场全光无电远距离自动检测。研究结果表明本系统所采用的设计方案和方法是可行的,各项性能指标均达到了预期目标,适合于易燃易爆场合的液位测量,具有广阔的应用前景。
喻玄[3]2013年在《基于磁耦合和光纤阵列的液位传感器研究》文中进行了进一步梳理液位测量几乎遍及生产与生活的各个领域之中,特别是在工业生产领域,不仅要求高精度,还需要能很好地适应工业生产现场的特殊环境,这样对液位测量提出了高精度、实时在线和稳定的要求。目前,传统的液位测量主要还是超声波、雷达以及电子类传感器占主导地位,这些传感器有一个共同的弱点,就是将电带进了测量现场,这样就限制了它们在诸如强电磁干扰、易燃、易爆等恶劣环境中的应用。光纤液位传感器由于具备光纤传感器特有的本质防爆、对电绝缘、无感应性、化学稳定性、时域变换性以及低损耗、大容量、高精度、尺寸小和重量轻的特性,可以很好地应用到液位检测领域,满足工业生产对液位检测的要求。但是由于技术上的不成熟,至今还没有哪一种光纤液位传感器得到比较广泛地实际应用。近年来,研究得比较多的光纤液位传感器有光纤法-泊腔液位传感器和光纤光栅液位传感器。由于其测量精度较低和解调难度较大使得这些类光纤液位传感器未能得到很好的应用。本文提出了一种基于磁耦合和光纤阵列的光纤液位传感器,此传感器不仅具有全光的优点,适合用于强电磁干扰、易燃、易爆等恶劣环境,而且由于传感信号为光强扰动,不需要知道光强的准确值,所以传感系统的光源不稳定,光纤连接损耗和弯曲损耗等等因素对测量影响不大,测量精度取决于光纤排列密度,从理论上讲,只要密布光纤,测量精度就可以达到0.1mm以上,这几乎可以满足所有的工程应用。此传感器采用侧边抛磨光纤作为线光源,使得传感器的结构更加简单,性能更加稳定。另外,由于传感器采用特殊的结构以及特殊密封材料和技术,可以用于常温下任何腐蚀性液体和不透明液体的测量,并且本传感器对非液体容量变化引起的液位波动不敏感,所以特别适合应用在车辆、船舶、飞机等运输工具上进行液位测量。本论文的创新有以下几点：1)采用光纤阵列检测液位高度,采用光纤束传输信号,采用摄像头成像分析探测信号,具有数字信号的特性,不需要知道光强的准确值,大大降低了对光源和信号处理的要求。2)采用圆筒形立柱和圆筒形浮子结构,使得传感器结构更加稳定,使用范围更加广泛；3)采用侧边抛磨光纤作为光纤阵列的线光源,通过分析侧边抛磨光纤的波导传输特性,使得线光源的光强满足均匀分布。
戴怡[4]2014年在《高精度光纤液位传感机理及应用研究》文中研究指明液位测量广泛地应用于工业测量、燃料贮藏等领域。近年来，随着实际应用需求的增加，液位测量尤其是高精度液位测量逐渐在地质监测、大气环境监测等新兴领域开始发挥着越来越重要的作用，与此同时，如液体折射率、温度等参数越来越多的被集成到液位传感器中，以实现以液位为核心的多参量传感。另一方面，光纤传感技术以其灵敏度高、抗干扰能力强、尺寸小易于集成、无源、易于实现多点监测网络等优点，逐渐成为科研与应用领域的研究热点，其中光纤光栅传感器、光纤激光传感器以及光纤干涉型传感器以其独特的传感特性与应用潜力在众多光学传感器中得到了较多的关注。本论文针对高精度液位传感技术在环境与地质监测、工程与工业生产等领域的重大应用需求，系统开展了光纤传感技术与高精度液位传感技术相结合的理论、实验和应用研究，主要工作内容包括以下几个方面：(1)基于弱反射率窄带宽光纤光栅液位计的理论与实验研究：原创性的提出了基于浮子—光栅一体式机械结构的液位传感方案，根据耦合模理论与传输矩阵方程进行了对应的数学建模和机理分析，并完成了包括灵敏度、测量范围、线性度、温度交叉敏感等关键参数和误差的测量，理论与实验结果表明，所设计的液位计的灵敏度为162pm/mm，分辨率可达0.37mm，测量范围24mm，线性度优于0.998，波长稳定性小于2pm，具有高灵敏度、高可靠性与稳定性等突出特点。(2)基于光纤激光谐振拍频传感技术的液位计的理论与实验研究：详细推导了光纤激光器及拍频解调技术的相关基础理论，构建了双环腔单纵模光纤激光器的结构模型，分别完成了光纤激光器系统特性及液位传感特性的理论与实验研究，在液位测量的基础之上，利用所设计的激光器结构还拓展进行了温度传感的机理与实验探究。实验结果表明，所设计的液位计具有2.12×107MHz/m的超高检测灵敏度，线性度为0.986，对应于910kHz的频率解调分辨率，液位测量的分辨率可以高达0.05μm，其中实验灵敏度与分辨率是所报道的光学液位计方案中的最高值。(3)基于全光干涉结构的液位计及液位-折射率双参量传感器的理论与实验研究：设计出单模光纤-多模光纤-单模光纤-多模光纤-单模光纤的全光模式干涉仪结构，基于此传感头构建了液位传感模型，进行了理论和实验研究，进一步的，在液位测量的基础上，利用模间干涉结构的折射率敏感特性，进行了液位和折射率双参量传感的机理与实验研究，结果表明，对于两个选定的干涉级次，液位传感和折射率传感的灵敏度分别为245.7pm/mm、-38nm/RIU和223.7pm/mm、-62nm/RIU，首次实现了基于模间干涉结构的液位与折射率双参量传感测量。(4)高精度液位传感的应用研究：以水管倾斜仪和雨量计为研究对象，实现了光纤传感技术与地质监测及环境监测领域的结合，自主开发了基于均匀光纤光栅、光纤激光谐振拍频两种传感技术的水管倾斜仪结构，从创新性，可靠性，稳定性和测量精度等多方面进行了理论与实验的验证，同时，自主开发了基于光纤光栅传感头的虹吸式雨量传感系统，对雨量计关键参数、虹吸补偿效应及系统误差分别进行了相关的理论与实验研究。论文遵循理论——实验——应用的研究思路，在传感机理，实验结果，应用拓展等方面均取得了原创性成果。本论文的研究成果不仅可以应用于工程结构监测与地质环境监测，也可进一步拓展到生物医疗监测，航空航天探测等军用与民用领域，对于物联网、光纤通信等产业具有重要的科学研究意义和广阔的应用前景。
赵哲[5]2008年在《光纤布拉格光栅液位传感器的实验研究》文中认为光纤布拉格光栅传感器因具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高、小巧等特点,被广泛应用到各个领域,并成为光纤传感领域的一个研究热点。本论文从液位测量技术的发展出发,先后总结了现有的主要液位测量方法,并归纳了国内外液位传感器的发展情况。在光纤光栅传感部分,重点介绍了光纤布拉格光栅的传感模型,并对应变传感、温度传感、应变和温度交叉敏感等问题进行了详尽的分析。在光纤布拉格光栅液位传感部分的设计中,对其整体方案进行了规划,并从压力弹簧管的应变原理出发,通过大量的理论推导,获得基于压力弹簧管的光纤光栅液位传感原理,得到由液位产生的压力与光纤布拉格光栅波长偏移量的线性关系。同时,对光纤光栅的温度补偿问题进行了一定探讨。在理论推导的基础上,本课题设计完成了基于C型压力弹簧管的光纤光栅液位传感器,完成了基于活塞式压力计、光谱分析仪以及LED宽带光源实验平台的搭建。通过温度传感实验,验证了光纤布拉格光栅温度传感特性,并得到与理论值较吻合的光纤Bragg光栅温度灵敏度系数;通过应变传感实验,证明了课题中制作的光纤光栅液位传感器具有较好的迟滞特性,重复性、线性特性等,其灵敏度约为0.671nm/MPa。论文中对光纤光栅解调技术做了一定的探讨,完成了以DSPTMS320VC5402为核心的光源及其驱动电路、光电探测部分、电源电路、复位电路、时钟电路、A&D转换电路等的设计,并进行上位机监控页面的仿真设计。
汪远[6]2005年在《压力式光纤液位传感器的研究》文中研究说明光纤是一种新型的传感材料,它具有调制方法多样、测量范围广泛等等优点。本文通过对光纤传感技术、光纤光栅传感技术和液位测量技术的发展所做的简要回顾,以及对各种液位测量方法的比较,得到压力敏感式的光纤液位传感器是一种更具有应用潜力的的液位测量方法。 本文从理论和实验上分别对压力式光纤微弯液位传感系统和压力式光纤光栅液位传感系统进行了研究,主要工作如下: (1) 基于光纤的模式耦合理论,通过传导模和辐射模之间模式耦合的耦合波方程微扰解得到了光纤周期畸变情况下的微弯损耗系数;通过传导模之间模式耦合的耦合波方程微扰解得到了光纤折射率分布周期畸变情况下的光纤光栅反射谱布喇格条件。由于光纤微弯传感和光纤光栅传感这两种方法在原理及压力测量方式上的相似性,对光纤微弯液位传感系统和光纤光栅液位传感系统这两种压力式光纤液位传感系统进行了分析和设计。 (2) 基于光纤微弯损耗的传感原理,我们对多模光纤的微弯损耗特性进行了实验研究。并以此为依据,设计了一套压力式光纤微弯液位传感系统。具体内容包括对重要机械部件微弯周期调制齿板和传压弹性膜片的分析和设计,以及探头整体结构和信号解调电路。根据弹性力学的理论,对边缘固定约束的平膜片进行了理论推导,并利用推导的结论给出了膜片的相关参数,再利用有限元方法和ANSYS软件模拟了膜片受均匀压力载荷时的位移,应力分布。在论文中,对光纤微弯液位传感器系统的发射和光电检测电路进行了分析和设计。内容包括光电发射、探测器件的选取,采用LM317的集成稳压电路、ICL7650作为前置放大器的放大电路、以及巴特沃斯四阶有源低通滤波器的滤波电路的设计。 (3) 基于光纤光栅传感理论的分析,我们对光纤光栅的应力和温度传感特性进行了实验研究。并以此为依据,提出了压力式光纤光栅液位传感器的传感方法,并对光纤布喇格光栅液位传感系统的体系结构进行了设计,引入参考光纤光栅来克服光纤光栅的交叉敏感性。在论文中,还对不同的波长解调系统进行了论述,包括基于光纤波分耦合器的边缘滤波法、可调法布里-珀罗腔滤波法和非平衡马赫-曾德干涉仪法。
张聪[7]2007年在《拉锥光纤液体传感器的研究》文中提出随着光纤传感技术的发展，光纤传感器已经应用于许多领域。利用光纤对液体的测量技术，由于具有多种优点而得到越来越多的应用。本文用几何光学原理详细分析了光在锥形光纤中的传输特性，设计了新型基于锥形光纤作为探头的透射式和反射式的液体传感器。并用软件BPM对理论分析结果进行了仿真验证。采用电弧拉制法和氢氧焰加热法制作不同形状的锥形光纤。透射式锥形光纤传感器可以对液位的变化进行连续测量；反射式锥形光纤传感器除了可对液位进行定点测量，还可以对液体滴速进行检测。实验结果表明，此种光纤传感器灵敏度高、可靠性好、抗干扰能力强。液位传感器可以不受液面波动和泡沫的影响。滴速传感器可以对液滴速度进行精确实时检测。此应用可以扩展到医药生化等领域对液体的分析检测。可以预测此种传感器将会有很好的前景。
李国哲[8]2004年在《探针式光纤液位传感器的仪器化研究》文中研究指明本文提出了一种新型光纤液位传感器，结合受抑全内反射式光纤传感头精确的液位传感特性和单片机控制的步进电机驱动系统高定位精度的特点，可实现对被测液面的高精度自动测量。呈直角圆锥形的传感探头由62.5μm／125μm的单根多模光纤，经电弧加热拉制或机械研磨而成。由于从传感头反射回的光强依赖于传感头周围介质的折射率，当传感头移动通过两种折射率不同的介质的界面时，就会产生明显的光强度变化。利用单片机控制的步进电机伺服系统驱动传感探头，可以实时跟踪液面变化并同时给出液位信息。本系统传感探头尺寸小，感知液面位置的精度达到微米量级，而且传感头与光纤一体化、可靠性强、对检测目标无任何影响。该传感器在2m测量范围内分辨率达到0.1mm，测量精度达到±0.4mm，且无长期漂移。 本文首次将单光纤液位传感头与单片机控制的步进电机伺服系统结合，构成高精度的液位自动跟踪测量系统。该系统提供了一种新的测量柴油、汽油及多种有机溶剂的方法，而且具有结构简单、高精度、高灵敏度、无漂移等优点，可广泛应用于石油化工系统多种液体的高精度连续自动测量和监测，特别适用于小型容器的精确液位计量。 本文还详细介绍了系统的具体设计与实现，包括对系统光源、光电探测器等器件的选择、系统硬件电路和软件模块的设计等。本系统是单片机为核心的智能控制系统，通过单片机进行数据的采集、处理、显示及控制步进电机的运动状态，接受用户的指令，将液面位置、预警值、传感头的状态等信息显示在显示器上。系统在硬件设计上充分考虑了提高系统的抗干扰性和可靠性，软件设计也采用指令冗余、软件陷阱等抗干扰和纠错措施，保证了系统的可靠性和稳定性。
叶琳琳[9]2009年在《新型聚合物光纤液位传感器的精确测量技术研究》文中指出液位测量技术在工程领域有着极为广泛的用途,如应用于易燃易爆的大型储油罐场所等,它通过液位传感器来检测液体高度的信息,具有较高的实用价值和发展前景。在现代化的企业生产过程中,需要采用计算机控制与管理,这对液位测量技术提出了更高的要求,如测量的对象要广、测量的精度要高、可靠性要好、实用性要强、适用于特殊测量环境等。光纤传感器因其采用光纤技术而使其在众多传感技术中具有很多独特的优点,如测量现场全光无电,安全性能好,调制方法多种多样等。但由于采用石英材质,光纤直径小、脆弱容易折断而导致其应用环境受到一定的限制。解决这一问题的技术之一是采用新型材质传感探头,我们研究了新型聚合物光纤液位传感器,因其成本低、容易弯曲、耐用而更具有可应用于各种复杂环境中的实用价值。由于光纤传感器应用的广泛性及其广阔的市场,其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视,各国更是竞相研究开发并引起激烈的竞争。与发达国家相比,我国的研究水平还有不小的差距,主要表现在商品化和产业化方面,大多数品种处于实验室研制阶段,不能投入批量生产和工程化应用。因此研发新一代光纤液位传感器具有很重要的应用价值。论文首先介绍了聚合物光纤的材料和结构特点、传输特性以及聚合物光纤的损耗机理。研究了聚合物光纤弯曲半径在其临界半径上下时与其产生的弯曲损耗的大小。其次,自行设计了聚合物光纤的端面处理装置,通过观测温度对光纤切割端面平整度的影响,确定了聚合物光纤端面处理所需的最佳温度范围。实验中提出了聚合物光纤在乙醇溶液中老化的新问题,并对此老化原因做出了定性的分析和讨论。最后,设计了聚合物光纤弯曲侧剖装置,对弯曲光纤的部分区域进行了包层去除,并用此装置对光纤进行成功的侧剖处理。结合聚合物光纤的传输特性和材料特性,设计了聚合物光纤液位传感器,并对传感机理进行了讨论。因探头采用多段传感技术使制作出的新型聚合物光纤液位测量传感器具有较高的测量灵敏度。
赵中华[10]2006年在《条纹计数法光纤Fabry-Perot腔液位传感器研究》文中研究说明光纤液位传感器由于本质安全和精度高的特点在液位测量中得到越来越广泛的研究和应用。本文提出一种抗光源波动和外界干扰的条纹计数法光纤干涉型液位传感器。文章在详细分析和对比了各种液位测量方法的基础上，特别针对易燃易爆液体的测量问题，以光纤法布里-珀罗腔液位传感器为对象作深入细致的分析，提出采用大挠度弹性元件——波纹管作F-P腔的腔面，并解决了判断F-P腔的干涉条纹的移动方向问题，研制出可进行连续测量的、精度高、成本低、性能稳定的光纤液位传感器，有望能够对石油、化工等易燃易爆液体进行连续测量和监控。 文章从理论和实验上分别对光纤液位传感器进行了系统的研究和探讨，主要的工作有以下内容： 一、广泛调研相关的文献，归纳了光纤传感器的特点、各种液位测量方式及其不足和缺点； 二、针对目前市场上各种光纤液位传感器的缺陷，提出并探讨了条纹计数法光纤F-P腔液位传感器的基本原理及结构设计的思想； 叁、对本文中提出采用的大挠度弹性敏感元件波纹管的基本特性、材料与应变模型和大挠度形变公式，进行了分析和讨论，给出了选择结果和相关有益的建议； 四、对干涉光强输出信息的条纹计数办法和液位升降判向，经研究和分析分别提出实用的硬件电路设计方案和计算机软件处理办法； 五、实际制作了双光路光纤F-P腔液位传感器，进行了实际气压模拟试验和实际水位测量试验，取得成功有价值的结果；对实验结果进行了分析，最后讨论了影响本传感器测量的各种因素和今后的相应的改进措施。
参考文献：
[1]. 高精度光纤液位传感器的研究[D]. 任亮. 大连理工大学. 2003
[2]. 进位式编码盘光纤液位传感器的研究[D]. 段静波. 南京林业大学. 2008
[3]. 基于磁耦合和光纤阵列的液位传感器研究[D]. 喻玄. 武汉理工大学. 2013
[4]. 高精度光纤液位传感机理及应用研究[D]. 戴怡. 华中科技大学. 2014
[5]. 光纤布拉格光栅液位传感器的实验研究[D]. 赵哲. 北京化工大学. 2008
[6]. 压力式光纤液位传感器的研究[D]. 汪远. 西北工业大学. 2005
[7]. 拉锥光纤液体传感器的研究[D]. 张聪. 哈尔滨工程大学. 2007
[8]. 探针式光纤液位传感器的仪器化研究[D]. 李国哲. 大连理工大学. 2004
[9]. 新型聚合物光纤液位传感器的精确测量技术研究[D]. 叶琳琳. 吉林大学. 2009
[10]. 条纹计数法光纤Fabry-Perot腔液位传感器研究[D]. 赵中华. 暨南大学. 2006
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