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塑料光纤连续测量液位传感器

作　者: 刘凌寒
导　师: 徐晓峰
学　校: 吉林大学
专　业: 光学
关键词: 光纤传感器 连续测量 液位传感器
分类号: TP212.14
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


现有的光纤液位传感器测量范围很大,可用于工业领域如易燃易爆的大型储油罐场所等。针对其测量不够连续导致的测量精度有待提高的问题,本文设计了一种圆柱形状水平放置于待测液体中的聚合物光纤液位传感器,这种传感器可以进行无间隔连续测量液位高度,提高了原有液位传感器的精度。本文的核心工作为两个部分：一、对本文中所设计的光纤传感器进行理论模拟。1.对包层功率分配随芯径变化进行模拟经过一系列公式推倒和编程,得到包层功率分配随纤芯芯径的变化。三种模拟对象的材料分别是纤芯折射率1.59的聚苯乙烯,包层折射率为1.49的聚甲基丙烯酸甲酯；纤芯是折射率为1.49的聚甲基丙烯酸甲酯,包层为折射率1.40四氟乙烯和偏氟乙烯的共聚物；光纤折射率1.492聚甲基丙烯酸甲酯,包层折射率为1.417的聚乙烯。可以看到常用集中光纤功率随芯径的分配变化差异很小,趋势非常相近。2.纤芯功率分配随包层折射率变化的模拟为了得到光纤放入不同液体介质中功率的变化,再模拟纤芯功率与总功率比值随包层折射率n2变化的情况。从实验结果中得到如果一根芯径1mm的光纤芯径减小到0.9mm,在相同包层折射率下纤芯功率分配会减小。在纤芯功率不变的情况下,一根芯径1mm的光纤芯径减小到0.9mm,它对应的包层折射率更小。二、实验验证这种传感器进行实际应用的可行性1.传感器缠绕光纤的圈数对实验的影响用三个已经制作而成的缠绕不同光纤圈数的传感器来进行实验。1号传感器缠绕一圈光纤,2号传感器缠绕4圈光纤,3号传感器缠绕9圈光纤,在相同条件下进行液位测量。通过实验结果可以看到缠绕光纤圈数越多,电压随液位高度的变化越明显。这是因为缠绕光纤外侧需要打磨制成探头,圈数越多意味着探头探测部位越多,对于外界液体探测越灵敏。测量结果几乎呈线性,误差可能和手工打磨有关。2.传感器直径大小对实验的影响在两个不同直径1.8cm和3.2cm的圆柱体上缠绕相同长度的光纤制作传感器,都将外圈全部打磨并在相同条件下进行液位测量。可以得到传感器直径的大小对于电压变化有影响,直径越小,电压随液位高度变化越明显。原因是直径越小的传感器,缠绕光纤的半径即越小,传感部位的光功率损耗越大,传感越灵敏。3.侧剖深度对实验的影响取三组不同侧剖深度的传感器作对比实验。1号侧剖深度约为100微米,2号侧剖深度约为200微米,3号侧剖约为300微米。可以看到1号传感器的电压随液面上升变化较小,3号传感器在试验中电压随液面变化较大。这是因为随着侧剖的加深传干部为光功率损耗越大,包层厚度125微米,2号传感器和3号传感器甚至都侧剖了部分纤芯,更加增大了功率损耗,所以导致了传感器更加灵敏。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-10
第一章 绪论  10-18
  1.1 光纤传感器的发展  10-11
  1.2 光纤传感器的分类  11-14
  1.3 光纤传感器的特点  14-15
  1.4 光纤传感器的应用领域  15
  1.5 光纤传感器近几年的发展情况  15-18
第二章 POF有关传感器实验的材料特性及主要参数  18-28
  2.1 POF光纤的种类  18-19
  2.2 POF全反射工作原理  19-20
  2.3 POF的制造工艺  20
  2.4 阶跃型聚合物光纤和梯度型聚合物光纤的结构特点及传输原理  20-25
  2.5 阶跃型聚合物光纤和渐变型聚合物光纤的数值孔径  25-26
  2.6 聚合物光纤的损耗  26
  2.7 聚合物光纤的色散  26-27
  2.8 聚合物光纤的热稳定性  27-28
第三章 均匀分布聚合物光纤液位传感系统的理论研究  28-44
  3.1 光纤的波动方程与归一化变量  28-31
    3.1.1 光的波动方程  28-30
    3.1.2 归一化变量  30-31
  3.2 贝塞尔方程的场解和光纤场模LPMN的光功率分布  31-36
    3.2.1 贝塞尔方程的场解  31-35
    3.2.2 光纤场模LP_(mn)的光功率分布  35-36
  3.3 传播常数β与归一化频率V的关系  36-37
  3.4 光纤中包层功率和总功率的关系  37-39
  3.5 运用MATLAB对两种特殊情况进行模拟  39-44
    3.5.1 对包层功率分配随芯径变化进行模拟  39-41
    3.5.2 纤芯功率分配随包层折射率变化的模拟  41-44
第四章 均匀分布聚合物光纤液位传感系统的实验研究  44-58
  4.1 均匀分布聚合物光纤液位传感系统的设计  44-45
  4.2 探头的设计  45-49
    4.2.1 准分布光纤传感器  46-47
    4.2.2 塑料光纤连续测量液位传感器  47-49
  4.3 光纤端面处理方法  49-50
  4.4 引入参考光路的作用和方法  50-52
  4.5 乙醇对聚合物光纤的腐蚀(老化特性的研究)  52-53
  4.6 实验现象与数据分析  53-58
    4.6.1 传感器缠绕光纤的圈数对实验的影响  53-54
    4.6.2 传感器直径大小对实验的影响  54-55
    4.6.3 侧剖深度对实验的影响  55-58
第五章 结论  58-60
参考文献  60-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化元件、部件 > 发送器（变换器）、传感器 > 物理传感器 > 光传感器
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