光纖光柵啁啾化傳感和儲罐泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)研究.pdf

1、本論文選題于國家863高新技術(shù)、國家自然科學(xué)基金、教育部博士點以及天津市科技發(fā)展計劃等項目。結(jié)合課題研究目標(biāo)，以光纖布拉格光柵為研究重點，提出并系統(tǒng)闡述了光纖光柵啁啾化傳感原理與調(diào)制/解調(diào)方法，設(shè)計研制了多種新型多功能光纖光柵啁啾化傳感器件，解決了利用單一光纖光柵感測并還原非均勻溫度/應(yīng)變場、單柵多參量區(qū)分測量等技術(shù)難點，實驗驗證了基于光柵啁啾譜光強探測技術(shù)實現(xiàn)溫變無補償應(yīng)變傳感的新方法，并將此技術(shù)成功應(yīng)用于動態(tài)壓力傳感和連續(xù)液位感測系

2、統(tǒng)中。與此同時，結(jié)合常壓儲罐泄漏監(jiān)測項目，提出了長周期/布拉格光柵混合級聯(lián)折射率傳感方法和光強探測型受抑全內(nèi)反射鍍膜光纖探頭折射率傳感方法，并基于后一方法研制開發(fā)了"分布式常壓儲罐泄漏光纖監(jiān)測系統(tǒng)TLMS-I"。主要研究內(nèi)容和成果概括如下： 1、首次提出了光纖光柵啁啾化傳感概念和傳感機理，科學(xué)地將光纖光柵微觀分解為柵區(qū)長度范圍內(nèi)許多具有獨立感知能力的連接緊密、彼此關(guān)聯(lián)的有效作用子?xùn)偶瑥亩^好解釋了光纖光柵啁啾譜產(chǎn)生的內(nèi)在機理，

3、為啁啾譜的有效調(diào)制與準(zhǔn)確解調(diào)提供了理論依據(jù)，形成了光纖光柵啁啾化傳感的基礎(chǔ)理論。 2、提出并實驗驗證了光纖光柵啁啾譜中所包含的帶寬、相位、反射光強、群速度等信息與周圍環(huán)境場之間的對應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)闡述了光纖光柵反射譜帶寬、相位、反射光強等多種參量的有效調(diào)制方法和解調(diào)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)波長編碼光纖光柵傳感技術(shù)僅能實現(xiàn)均勻待測場和單一待測參量傳感的局限，拓寬了光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍，為利用單一光纖光柵實現(xiàn)多參量的同時區(qū)分測量、任意非均

4、勻空間分布場還原、溫變不敏感和溫變自補償傳感提供了科學(xué)有效的新思路、新方法。 3、提出并實驗驗證了利用光纖Bragg光柵反射譜帶寬線性展寬技術(shù)實現(xiàn)溫度與壓力同時區(qū)分測量的新方法。通過聚合物材料將光柵粘接于雙孔懸臂梁非均勻應(yīng)變區(qū)，在壓力作用下懸臂梁帶動光柵發(fā)生非均勻應(yīng)變，使Bragg反射譜波長漂移的同時帶寬展寬，而溫度變化僅引起反射譜波長漂移。在20～100℃和0～7.8N的溫度和壓力測量范圍內(nèi)，溫度測量精度±1.1℃，壓力測量精

5、度±0.18N，Bragg反射譜中心波長漂移量和帶寬展寬量隨溫度和壓力的變化呈良好的線性關(guān)系，線性度均高于99.6％。多次測量表明：展寬波型穩(wěn)定，重復(fù)性好。 4、提出了基于線性梯度應(yīng)變場光纖光柵反射譜對稱展寬啁啾調(diào)制和光強差分檢測技術(shù)實現(xiàn)單一光纖光柵溫變不敏感動態(tài)壓力傳感的新方法。設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)新穎的雙孔梁壓力傳感裝置，依據(jù)雙孔梁有限元受力分析將光纖光柵準(zhǔn)確定位于線性梯度應(yīng)變區(qū)，壓力作用下光纖光柵反射譜對稱展寬，反射光強線性正比

6、于壓力變化。基于光波導(dǎo)理論和材料力學(xué)原理推導(dǎo)了線性梯度應(yīng)變場作用下光柵反射譜帶寬/反射光強與壓力之間的響應(yīng)關(guān)系。利用光強差分檢測技術(shù)取代傳統(tǒng)波長解調(diào)方法，簡化解調(diào)過程的同時傳感系統(tǒng)免受溫變影響。實驗表明，在-10℃～80℃的溫度變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)測量誤差小于總量程(120kPa)的1.8％，動態(tài)響應(yīng)速度～80Hz，重復(fù)測量系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，滿足常規(guī)動態(tài)壓力傳感的使用要求。 5、提出了基于高斯梯度應(yīng)變場光纖光柵反射譜側(cè)向梯度展寬啁啾調(diào)制

7、和光強歸一化探測技術(shù)實現(xiàn)單一光纖光柵溫變無補償液位精確測量的新方法。設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)新穎的曲臂梁液位傳感裝置，通過作用于曲臂梁橫梁的浮筒浮力變化帶動粘貼于曲臂梁側(cè)臂的傳感光柵發(fā)生高斯梯度應(yīng)變，進而調(diào)制其反射譜帶寬和對應(yīng)反射光強。理論分析了光纖光柵在高斯梯度應(yīng)變場作用下光柵反射譜側(cè)向梯度展寬的成因，推導(dǎo)了光纖光柵反射譜帶寬/反射光強與液位變化之間的響應(yīng)關(guān)系。光柵反射譜側(cè)向梯度展寬的同時反射光強線性增加，利用光強差分檢測方法消除光源出光抖動的

8、影響，提高了液位測量精度。基于帶寬調(diào)制的光纖光柵液位傳感方法免受溫度變化的影響，在-10℃～80℃的溫度變化和200mm的液位測量范圍內(nèi)，液位測量精度±2.3mm，測量誤差小于總量程的1.2％，實現(xiàn)了單光纖光柵溫變無補償連續(xù)液位測量。 6、結(jié)合中石化常壓儲罐原油泄漏監(jiān)測項目，提出并實驗驗證了基于歸一化光強差分探測的兩種原油檢漏方法：混合級聯(lián)光纖光柵折射率感測法和受抑全內(nèi)反射端面鍍膜光纖折射率感測法?；诘诙N方法研制開發(fā)了"分布