基于布拉格光栅的高灵敏度光纤流量传感器研究

论文摘要

流量测量在当今工业生产中有着重要的作用。在流量测量过程中恶劣的测量环境会影响传统的流量传感器和测量仪表的性能,甚至使其损坏。同时在流量测量时往往会对其他参数同时测量,这样会造成测量布点密集、测试系统庞杂。光纤传感器因为体积小、质量轻,抗电磁干扰,耐腐蚀,灵敏度高,测量速度快,信息容量大,适应性强,易于串联复用等优点,基于光纤传感的流量测量方法已成为当今研究的重要方向。但是目前用于流量测量的光纤光栅流量传感器往往存在测量灵敏度不高,整体结构相对较复杂等问题,很大程度上限制了光纤传感技术在流量检测领域的应用。因此,设计一种结构简单、灵敏度高的光纤光栅流量传感器具有十分重要的意义。本文将光纤传感理论与传统流量测量方法结合,研制了两种圆管封装的光纤光栅流量传感器,可以对流体流速和温度进行同时测量,且具有较高的测量灵敏度。本论文主要的研究工作以及取得的成果如下:首先,通过比较现有光纤光栅流量传感器的优缺点,提出了一种新型光纤光栅靶盘式流量传感器的设计方案,该传感器具有极高的灵敏度。其次,对新型光纤光栅靶盘式流量传感器进行了数值建模分析,从理论上分析了传感器具有高灵敏度的原因。采用ANSYS分析对传感器进行有限元仿真,ANSYS分析结果与数值模拟计算结论相近,证实了传感器的设计合理性。同时对光纤光栅靶盘式流量传感器的初始设计进行了优化和改进。改进后的传感器能够大幅度减少光传输的损耗,有利于传感器的大规模串联复用。使用数值建模分析了改进后的流量传感器灵敏度,并用ANSYS软件进行了分析比对。最后,探讨了弯曲型和直线型两种流量传感器各自的制作工艺,尤其对光纤光栅基座的制作以及光栅在基座上的粘贴工艺进行了详细说明。搭建了模拟流量检测实验装置,对两种流量传感器分别进行了测试实验。对测试数据进行拟合,得到了两种传感器中光栅中心波长漂移与水流流量之间的关系式。弯曲型流量传感器实验可测量最低流量为0.1681mL/s,拟合后中心波长漂移与流量关系曲线为:Δ=0.9264-0.9233+4.8466。直线型流量传感器实验可测量最低流量为0.7951mL/s,拟合后关系曲线为:Δ=0.3222-0.2845+2.2583。这与仿真计算结果基本一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 选题背景与研究意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 流量传感器研究现状
•     1.2.2 光纤流量传感器研究现状
•     1.2.3 光纤光栅靶盘式流量传感器研究现状
•   1.3 论文的主要研究内容和创新点
•     1.3.1 论文的主要研究内容
•     1.3.2 创新点
• 第2章 光纤光栅流量传感器的理论基础
•   2.1 光纤光栅基本结构
•   2.2 光纤光栅基本传感理论分析
•     2.2.1 光纤光栅温度传感模型
•     2.2.2 均匀轴向应力作用下光栅传感模型
•     2.2.3 均匀横向应力作用下光栅传感模型
•     2.2.4 光栅应变传感的温度补偿模型
•   2.3 流量测量方法
•   2.4 传统光纤光栅靶盘式流量传感器的原理
•   2.5 本章小结
• 第3章 弯曲型光纤光栅流量传感器的设计与分析
•   3.1 引言
•   3.2 弯曲型光纤光栅流量传感器设计
•     3.2.1 弯曲型光栅基座的设计及分析
•     3.2.2 弯曲型光栅基座实验特性研究
•     3.2.3 弯曲型光纤光栅流量计光栅基座改进
•   3.3 弯曲型光纤光栅流量传感器理论分析
•   3.4 仿真分析
•     3.4.1 弯曲型光纤光栅流量传感器仿真分析
•     3.4.2 弯曲型流量传感器有限元仿真
•   3.5 本章小结
• 第4章 直线型光纤光栅流量传感器的设计与分析
•   4.1 引言
•   4.2 直线型光纤光栅流量传感器设计
•     4.2.1 光栅基座的设计及分析
•     4.2.2 直线型光栅基座实验特性研究
•     4.2.3 直线型光纤光栅流量传感器光栅基座改进
•   4.3 直线型光纤光栅流量传感器理论分析
•   4.4 仿真分析
•     4.4.1 直线型光纤光栅流量传感器仿真分析
•     4.4.2 直线型流量传感器有限元仿真
•   4.5 本章小结
• 第5章 两种光纤光栅流量传感器的制备与测试实验
•   5.1 引言
•   5.2 光纤流量传感器的制作
•     5.2.1 光栅基座的制作工艺
•     5.2.2 弯曲型光纤光栅流量传感器的安装工艺
•     5.2.3 直线型光纤光栅流量传感器的安装工艺
•   5.3 流量传感器监测实验与分析
•     5.3.1 两种传感器温度标定实验
•     5.3.2 流量监测实验台的搭建
•     5.3.3 弯曲型光栅流量传感器测试
•     5.3.4 直线型光纤光栅流量传感器测试
•     5.3.5 两种流量传感器比较
•   5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
•   6.1 全文工作总结
•   6.2 进一步的工作及展望
• 致谢
• 参考文献
• 参与科研项目及论文发表情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 代圣力

导师: 戴玉堂

关键词: 光纤光栅传感,流量测量,简支梁结构,温度交叉敏感补偿

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,自动化技术

单位: 武汉理工大学

分类号: TP212;TN253

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.000869

总页数: 70

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