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光纤Bragg光栅热导温敏的传感研究

作　者: 杨华
导　师: 李川
学　校: 昆明理工大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 导热系数稳态法光纤Bragg光栅热增敏
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

材料的导热系数是物质热物性的重要参数,反映了物质对热进行传导的能力。在热工行业中,导热系数是保证材料是否满足热工过程的数量依据,也是设计热工系统的关键参数,材料导热系数的测量成为了解物质热物性的基本手段。由于材料的导热系数受组成成分,含水率,温度等因素的影响,使得实验室测量方法成为准确测量材料导热系数的唯一方法。但传统的实验室测量方法需要现场采集被测材料的样品,一般会破坏待测材料的整体性,无法对被测材料进行现场测量。目前线热源模型的热探针法,将探针插入或埋入被测材料中,可以检测材料沿热源线的平均导热系数,却不能测量材料的局部导热系数。本文设计的光纤Bragg光栅热导温敏传感器采用稳态法测量材料导热系数,光纤Bragg光栅粘贴于带圆柱形铝质外壳的发热体表面,利用发热体在材料中形成的温度场引起粘贴于发热体表面的光纤Bragg光栅的波长移位,实现材料导热系数的局部点测量。并利用铝质外壳的热膨胀大于光纤的热膨胀引起光纤Bragg光栅的附加波长移位,实现导热系数测量时的温度增敏作用,本文的主要研究内容如下：(1)根据传感器的结构,建立了光纤Bragg光栅波长移位与材料导热系数间的数学关系。(2)对传感器进行了材料的选择,根据选定材料的尺寸设计,对传感器的传感特性进行了计算。当发热体的直径为10.57 mm,稳定工作的电压为100 V,工作内阻为4040.161Ω；传感器埋于初始温度为10℃,导热系数为0.83 W/m·K砂土中,加热至热平衡时,传感器的理论的温度敏感系数为23.6×10-6℃-1,光纤Bragg光栅的波长变化量为1665 pm。(3)通过水浴法验证了粘贴于热源金属表面的热增敏方式的有益性,得到传感器的温度敏感系数为1.826×10-5℃-1。在光纤Bragg光栅的中心波长为1550 nm的典型情况下,裸光栅的理论温度敏感系数为6.0×10-6℃-1,本实验的温度敏感系数为裸光栅的3.04倍。传感器的各项静态性能指标分别为：非线性误差为：1.24%FS；重复性误差为：3.47%FS。(4)在不同导热系数的材料的温升实验中,传感器的稳定波长区别明显,稳定的波长值和温度值的最大差值分别为564pm和20.4℃。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-6
目录  6-9
第一章绪言  9-25
  1.1 引言  9
  1.2 材料导热系数  9-11
  1.3 材料导热系数的测量方法  11-21
    1.3.1 热流计法  12-13
    1.3.2 平板法  13-14
    1.3.3 圆管法  14-15
    1.3.4 圆球法  15-16
    1.3.5 热线法  16-17
    1.3.6 热带法  17-18
    1.3.7 瞬态平面法  18-20
    1.3.8 激光闪频法  20-21
  1.4 现场测量材料导热系数的发展现状  21-22
  1.5 小结  22-25
第二章光纤Bragg光栅热导温敏传感器的传感模型  25-31
  2.1 引言  25
  2.2 光纤Bragg光栅热导温敏传感器的结构设计  25-26
  2.3 光纤Bragg光栅热导温敏传感器的数学模型  26-29
    2.3.1 点热源的热传导原理  26
    2.3.2 光纤Bragg光栅的温度响应模型  26-28
    2.3.3 粘贴发热体金属表面的热增敏模型  28-29
  2.4 小结  29-31
第三章光纤Bragg光栅热导温敏传感器的研制  31-43
  3.1 引言  31
  3.2 热源的选择和尺寸设计  31-33
    3.2.1 PTC加热器的工作原理  31-32
    3.2.2 热源尺寸设计  32-33
  3.3 传感器的材料选择  33-34
  3.4 传感器的零件加工  34-36
    3.4.1 带铝质外壳的PTC的加工  34
    3.4.2 铜保护管和底塞的加工  34-36
  3.5 敏感元件光纤Bragg光栅的粘贴  36-38
    3.5.1 环氧树脂的特点  36-37
    3.5.2 光纤Bragg光栅的粘贴  37-38
  3.6 传感器的组装  38-41
    3.6.1 传感器部件的组装  38-39
    3.6.2 传感器的密封处理  39-40
    3.6.3 光纤的熔接和保护  40
    3.6.4 传感器的总装图  40-41
  3.7 传感器的理论参数  41-42
  3.8 小结  42-43
第四章光纤Bragg光栅热导温敏传感的测试实验  43-63
  4.1 引言  43
  4.2 实验原理  43-45
    4.2.1 温度标定实验原理  43-44
    4.2.2 不同材料的温升实验原理  44-45
  4.3 实验过程  45-50
    4.3.1 温度标定实验  45-49
    4.3.2 不同材料温升实验  49-50
  4.4 实验数据的分析  50-57
    4.4.1 传感器的温度标定实验分析  50-53
    4.4.2 温升实验数据分析  53-57
  4.5 小结  57-59
  4.6 附表  59-63
    附表1 传感器温升实验的实验数据  59-63
第五章总结与展望  63-65
  5.1 总结  63
  5.2 展望  63-65
致谢  65-67
参考文献  67-71
附录A 撰写的论文及专利  71

光纤Bragg光栅热导温敏的传感研究

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