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光纤传输光推动油罐多参数测量系统理论与实验研究

作　者: 王莉田
导　师: 史锦珊
学　校: 燕山大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 光纤传输光推动油罐多参数微功耗探头 PWM－PPM
分类号: TP274
类　型: 博士论文
年　份: 2000年
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内容摘要

光推动光电混合式光纤传感器是当今光纤传感技术领域研究的热点课题之一，用这种结构新颖的传感器实现的测量系统，在测量现场可视为“全光学”式，在易燃易爆工况下尤为适用。油罐液位和油水分界面等参数的测量，要求较高精度和良好的本质安全性能。目前常用的液位测量方法大多以电信号进行测量和传输，因而带来了防燃防爆等问题。本文针对特殊工况下的测量现场要求，提出光推动油罐多参数测量系统，理论分析和实验研究相结合实现了该测量系统的样机模型。该系统具有把传统的差动电容传感器测量液位原理与光纤功率、信号传输相结合的特点。首次把光推动理论用于油罐多参数测量系统，实现了单光源推动多个传感器的独特方案。该系统采用三只差动电容传感器实现液位、油水界面等参数的测量，三只热敏电阻用于补偿温度变化对电容传感器测量精度的影响。论述光纤、光源和光探测器的特性，对LD—光纤、LED—光纤和PD—光纤的耦合效率进行详尽分析，为信号光纤、功率光纤的合理选择及LD的正确应用奠定理论基础。设计光推动系统的总体方案。建立液位、油水界面等参数测量的数学模型，推导压力—电容的转换关系，阐述差动电容、热敏电阻的工作特性，为系统标定提供了理论依据。在光推动系统中，探头的微功耗设计是关键技术。过大的探头功耗要求LD提供更大的光功率输出，因此在易燃易爆场合会产生不安全因素。探头采用全CMOS数字电路实现电容—脉冲宽度调制（PWM）—脉冲位置调制（PPM）、热敏电阻—PWM—PPM、电复合及光脉冲发射等功能，探头总功耗小于870μW。光推动通道是整个系统的重要组成部分。通过下述方法可提供稳定、可靠的探头工作电压：LD—光纤的直接耦合方式，可实现20％左右的光耦合效率；采用多模光纤传输功率；选择升压变压器最佳变比提高光电转换效率；采取LD驱动电路光反馈以及致冷措施使其发光幅值稳定。实验中，采用20mW的GaAlAs LD，500m信号、功率光纤，系统工作稳定可靠。光推动通道具有较大的功率裕度，经计算其最大推动距离可达1.6km。提出多路脉冲位置信号的单光纤传输方案，在二次仪表端采用精密脉宽甄别电路解调多路信号。采用高速数字电路构成的定时器实现脉冲宽度测量，分辨率可达ns级。单片机系统完成被测信号的识别和比值处理、各参数的计算及显示等功能，保证系统的测量分辨率、测量精度、高稳定性等技术指标。进行光纤传输光推动油罐多参数测量系统的实验，包括压力—电容关系、温度标定、液位和油水界面标定、探头功耗测量、光功率通道及抗干扰特性等实验。

全文目录

中文摘要  3-4
英文摘要  4-9
插图清单  9-11
第一章绪论  11-20
  1．1 引言  11-14
  1．2 光推动光电混合式传感器研究现状  14-17
  1．3 课题研究的目的和意义  17-19
  1．4 课题的来源及主要研究内容  19-20
    1．4．1 课题来源  19
    1．4．2 主要研究内容  19-20
第二章光纤传输光推动传感系统的基本组成器件理论与特性分析  20-48
  2．1 引言  20
  2．2 光纤的传输特性  20-26
    2．2．1 光纤的数值孔径  20-21
    2．2．2 光纤的损耗特性  21-23
    2．2．3 光纤的色散及带宽特性  23-26
  2．3 半导体光源  26-32
    2．3．1 半导体电注入发光机理  26-28
    2．3．2 半导体激光器的结构特性  28
    2．3．3 半导体激光器的工作特性  28-30
    2．3．4 半导体发光二极管的结构特性  30-31
    2．3．5 半导体发光二极管的工作特性  31-32
  2．4 光电探测器（PD）  32-37
    2．4．1 PN和PIN光电探测器工作原理  32-33
    2．4．2 雪崩光电探测器  33-35
    2．4．3 光电探测器的特性  35-37
  2．5 光源、光探测器和光纤的耦合  37-47
    2．5．1 LD与光纤耦合效率的理论分析  37-43
    2．5．2 LED与光纤耦合效率的理论分析  43-47
    2．5．3 PD—光纤耦合效率的理论分析  47
  2．6 本章小结  47-48
第三章系统总体方案设计及其建模  48-56
  3．1 引言  48
  3．2 测量系统的总体结构及其实施方案  48-50
  3．3 油罐主要测量参数的数学模型  50-51
  3．4 电容式差压敏感元件特性  51-55
  3．5 半导体热敏电阻特性  55
  3．6 本章小结  55-56
第四章光推动系统的功率与信号通道设计及其特性分析  56-70
  4．1 引言  56
  4．2 光推动通道  56-60
    4．2．1 光电转换效率的优化设计  56-58
    4．2．2 LD驱动电路设计及其光稳定措施  58-60
  4．3 微功耗测量探头设计、功耗与推动距离计算  60-63
    4．3．1 差动电容传感器PPM电路  60-61
    4．3．2 温度传感器PPM电路  61
    4．3．3 电复合及脉冲光发射电路  61-62
    4．3．4 探头功耗计算  62-63
    4．3．5 光推动距离计算  63
  4．4 信号解调电路与单片机数据处理  63-69
    4．4．1 信号解调电路  63-65
    4．4．2 单片机数据处理  65-69
  4．5 本章小结  69-70
第五章光推动油罐多参数测量系统的总体实验  70-78
  5．1 引言  70
  5．2 电容测压实验和热敏电阻测温实验  70-72
    5．2．1 压力—电容特性  70-71
    5．2．2 热敏电阻测温的标定  71-72
  5．3 探头功耗测试及光推动通道特性实验  72-73
    5．3．1 探头功耗测试  72
    5．3．2 LD驱动电流与出纤功率的关系测试  72-73
    5．3．3 LD光反馈特性  73
  5．4 油罐液位、油水界面标定实验  73-75
  5．5 系统的其它性能实验  75-77
    5．5．1 光推动测量系统的时间漂移  75
    5．5．2 光推动测量系统的温度漂移  75-76
    5．5．3 电容式敏感元件的温度特性  76-77
    5．5．4 探头的抗电磁干扰特性  77
  5．6 本章小结  77-78
结论  78-80
致谢  80-81
参考文献  81-86
攻读博士学位期间所发表的论文  86-87
作者简介  87

光纤传输光推动油罐多参数测量系统理论与实验研究

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