高精度光纖液位傳感機理及應用研究.pdf

1、液位測量廣泛地應用于工業(yè)測量、燃料貯藏等領域。近年來，隨著實際應用需求的增加，液位測量尤其是高精度液位測量逐漸在地質監(jiān)測、大氣環(huán)境監(jiān)測等新興領域開始發(fā)揮著越來越重要的作用，與此同時，如液體折射率、溫度等參數(shù)越來越多的被集成到液位傳感器中，以實現(xiàn)以液位為核心的多參量傳感。另一方面，光纖傳感技術以其靈敏度高、抗干擾能力強、尺寸小易于集成、無源、易于實現(xiàn)多點監(jiān)測網(wǎng)絡等優(yōu)點，逐漸成為科研與應用領域的研究熱點，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特的傳感特性與應用潛力在眾多光學傳感器中得到了較多的關注。
　　本論文針對高精度液位傳感技術在環(huán)境與地質監(jiān)測、工程與工業(yè)生產(chǎn)等領域的重大應用需求，系統(tǒng)開展了光纖傳感技術與高精度液位傳感技術相結合的理論、實驗和應用研究，主要工作內容包括以下幾個方面：
　　(1)基于弱反射率窄帶寬光纖光柵液位計的理論與實驗研究：原創(chuàng)性的提出了基于浮子—光柵一體式機械結構的液位傳感方案，根據(jù)耦合模理論與傳輸矩陣方程進行了對

3、應的數(shù)學建模和機理分析，并完成了包括靈敏度、測量范圍、線性度、溫度交叉敏感等關鍵參數(shù)和誤差的測量，理論與實驗結果表明，所設計的液位計的靈敏度為162 pm/mm，分辨率可達0.37mm，測量范圍24mm，線性度優(yōu)于0.998，波長穩(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。
　　(2)基于光纖激光諧振拍頻傳感技術的液位計的理論與實驗研究：詳細推導了光纖激光器及拍頻解調技術的相關基礎理論，構建了雙環(huán)腔單縱模光纖激光器

4、的結構模型，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驗研究，在液位測量的基礎之上，利用所設計的激光器結構還拓展進行了溫度傳感的機理與實驗探究。實驗結果表明，所設計的液位計具有2.12×107 MHz/m的超高檢測靈敏度，線性度為0.986，對應于910kHz的頻率解調分辨率，液位測量的分辨率可以高達0.05μm，其中實驗靈敏度與分辨率是所報道的光學液位計方案中的最高值。
　　(3)基于全光干涉結構的液位計及液位-折射率

5、雙參量傳感器的理論與實驗研究：設計出單模光纖-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構，基于此傳感頭構建了液位傳感模型，進行了理論和實驗研究，進一步的，在液位測量的基礎上，利用模間干涉結構的折射率敏感特性，進行了液位和折射率雙參量傳感的機理與實驗研究，結果表明，對于兩個選定的干涉級次，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，首次實現(xiàn)了

6、基于模間干涉結構的液位與折射率雙參量傳感測量。
　　(4)高精度液位傳感的應用研究：以水管傾斜儀和雨量計為研究對象，實現(xiàn)了光纖傳感技術與地質監(jiān)測及環(huán)境監(jiān)測領域的結合，自主開發(fā)了基于均勻光纖光柵、光纖激光諧振拍頻兩種傳感技術的水管傾斜儀結構，從創(chuàng)新性，可靠性，穩(wěn)定性和測量精度等多方面進行了理論與實驗的驗證，同時，自主開發(fā)了基于光纖光柵傳感頭的虹吸式雨量傳感系統(tǒng)，對雨量計關鍵參數(shù)、虹吸補償效應及系統(tǒng)誤差分別進行了相關的理論與實驗研究。