用于溶液盐度测量的光纤传感技术

摘要

本文概述了历史上盐度定义的演变，介绍了几种盐度的经典定义和相应的测量方法及计算公式。从盐度测量在生产实践中的应用的角度，阐述了其重要意义，包括在养殖业和种植业、矿产的勘探、设备防腐蚀、环保生态、气象监测、军事应用、新能源开发利用等方面的广泛应用。 根据盐溶液的光学性质，电化学性质和宏观力学性质，人们发展了三种主要的现代盐度物理测量方法—折射率法，电导率法和密度法。简要介绍了它们的测量原理和方法。 介绍了近年来出现的几种以光纤传感方式测量盐度较有代表性的方案—剥层光纤法和光纤光栅盐度传感法，阐述了两者的测量原理、探头制作、测量方法、测量效果，分析了各自的优缺点等。 提出了一种新的用于盐度测量的光纤传感方案，以水凝胶作为盐度敏感材料，使光纤传输损耗与溶液盐度有了对应关系，间接可测知盐度。利用对温度相对不敏感的智能水凝胶PDA-C12，多模光纤和单模光纤分别制作了简易探头，测量了光强损耗与溶液浓度的对应关系，将二者的实验结果作了对比；用不同形状的凝胶制作探头，比较其响应时间，证实了形状体积因素对离子渗透和应力平衡的影响。实验中还计算了各数据点上的灵敏度；分析了实验误差的来源，讨论了相应的解决方案。 对实验结果以多种方法进行数据拟合，应用MATLAB软件编写并运行了相应运算程序，通过比较计算结果，找到了适合的数据处理方法。 用EDA软件工具，初步设计了信号处理系统的主要功能模块及相应的电路；利用前面得到的结论，设计了数据处理程序的算法。 与其它方案进行对比，分析了本文的光纤传感盐度测量方法的优点和不足，讨论了其适用性和实用化的发展方向。

目录

文摘

英文文摘

致谢

第一章绪论

1.1盐度的概念及其发展演变

1.1.1克纽森盐度公式

1.1.2 1969年电导盐度定义

1.1.3 1978年实用盐标

1.2溶液盐度测量的意义和应用

1.2.1农业和轻工业管理

1.2.2矿产勘探

1.2.3工业设备维护

1.2.4环境保护与生态治理

1.2.5气象学与海洋水文研究

1.2.6军事测量

1.2.7新能源利用

1.3本论文完成的主要工作

本章参考文献

第二章盐度测量的物理方法

2.1折射率法

2.1.1测量的基本原理

2.1.2测量方法和应用范围，测量精度

2.1.3优缺点和评价

2.2盐度电导率法测量

2.2.1测量原理

2.2.2测量方法和应用范围，测量精度

2.2.3优缺点和评价

2.3比重法测量

2.4光纤测量的新方法

2.4.1剥层光纤法测量盐度

2.4.2光纤光栅法测量盐度

2.4.3两种方法的比较评述

本章参考文献

第三章盐度测量的光纤应力法

3.1凝胶溶胀原理

3.2凝胶的敏感性及其应用

3.2.1光敏性的应用

3.2.2温度敏感性的应用

3.2.3电敏感性的应用

3.2.4化学环境敏感性的应用

3.3凝胶的选择和制备

3.4光纤应变传感原理

3.5实验装置简介

3.6实验过程

3.6.1在去离子水中溶胀验证光强的变化试验

3.6.2用普通多模光纤探头测量

3.6.3用单模光纤光纤探头测量

3.6.4不同形状的凝胶块在同一浓度溶液中的光强-时间响应

3.7测量结果和误差分析

本章参考文献

第四章数据处理

4.1 MATLAB及其数值处理功能简介

4.1.1 MATLAB的发展历程

4.1.2 MTALAB系统的组成

4.1.3 MATLAB的应用

4.2数据的插值和曲线拟合方法介绍

4.3数据处理结果

4.3.1实验数据的插值处理

4.3.2拟合方法

4.3.3实验数据的多项式拟合

4.3.4实验数据的指数拟合

4.4结论

本章参考文献

第五章测量系统的初步设计

5.1单片机系统的总体设计及系统功能模块简介

5.2器件的选用和简介

5.3电路模块设计

5.3.1主体功能模块

5.3.2数据输入和A/D转换模块

5.3.3输出模块

5.4插值查表法算法设计

本章参考文献

第六章结束语

附录

1.在读期间发表的论文