光纤光栅流量传感器的结构设计与光谱特性研究

论文摘要

流量的测量在石油化工、医药、能源计量、环境监测等工业生产过程中是非常重要的。流量传感器是流体检测和控制过程中不可或缺的装置。人类对流体的测量具有悠久的历史。流量测量仪表种类繁多,传统的机械式流量传感器测量误差大、精度低。光纤布拉格光栅（FBG）传感器除具有普通光纤传感器重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰及使用安全等优点外,还具有结构简单、灵敏度高、频带宽、波分和时分复用及波长编码等优点,具有广泛的应用前景。光纤布拉格光栅实质上是紫外光利用光纤的光敏性在纤芯中形成的反射率分布。光纤光栅中光波的传输规律等理论以及光纤光栅的光学、机械和热衰退等性质是其在通信、传感领域应用的基础,研究这些理论和性质对于我们根据不同的应用要求更好的发挥光纤光栅器件的效能等有着重要的指导意义。本课题首先以Bragg光栅原理为基础利用光纤光栅模拟器（FOGS-BG）对光纤光栅的反射特性进行理论分析,系统考查温度、应变以及光纤光栅有效折射率、光栅长度、折射率调制等相关参数对反射特性的影响规律。然后,设计一种靶式结构的光纤布拉格光栅技术的新型流速传感器,采用一种耐高温胶将光纤光栅封装在三角形金属片上,液体冲击使等腰三角形悬臂梁发生变形,从而导致安装在悬臂梁上的光纤光栅的中心波长发生漂移。搭建实验装置,通过光谱仪观测波长的变化,确定流体流速与光纤光栅中心波长偏移量之间的函数关系,建立二者的内在联系,即可通过观测光纤光栅波长的变化量得到被测液体的流速。为了减小误差,文中研究了温度交叉敏感效应的消除方法。通过室内实验,测量不同流量作用下以及不同应力作用下光纤布拉格光栅中心波长的偏移行为。实验结果表明,光纤布拉格光栅中心波长的偏移量随着水流量的增大而增大,波长偏移量与流量之间呈非线性关系;光纤布拉格光栅在外力作用下发生形变,其中心波长的偏移量随着外应力的增大而增加,呈线性关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 流量测量的传统方法
• 1.2.1 涡轮流量计
• 1.2.2 电磁流量计
• 1.2.3 超声流量计
• 1.3 光纤光栅流量新型测试方法
• 1.3.1 光纤光栅传感流量测试技术的研究现状
• 1.3.2 光纤光栅流量计的发展趋势
• 1.4 选题意义与主要研究内容
• 1.4.1 选题意义
• 1.4.2 主要研究内容
• 第二章 光纤光栅的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 光纤光栅的分类
• 2.3 光纤光栅的理论分析基础
• 2.3.1 耦合模式法
• 2.3.3 矩阵传输法
• 2.4 本章小结
• 第三章 光纤布拉格光栅反射光谱特性仿真
• 3.1 引言
• 3.2 结构参数对光纤光栅反射率的影响
• 3.3 温度对光纤光栅反射率的影响
• 3.4 应变对光纤光栅反射率的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 光纤光栅流量传感结构方案设计
• 4.1 引言
• 4.2 基于靶式结构的FBG 流量传感器
• 4.2.1 FBG 传感基本原理
• 4.2.2 FBG 传感器结构
• 4.2.3 温度补偿措施
• 4.3 本章小结
• 第五章 光纤光栅流量计的光谱特性
• 5.1 引言
• 5.2 光纤光栅传感器的制作
• 5.3 实验装置构成
• 5.4 实验过程及结果分析
• 5.4.1 水流量对中心波长的影响
• 5.4.2 外应力对中心波长的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录
• 致谢
• 详细摘要