光纤光栅液体浓度测量系统研究

摘要

浓度是表征介质溶液特性的主要参量之一，对液体浓度的测量与控制在造纸、化工、制糖、食品、制药、环境监测等行业中有着广泛的应用，它是保证产品质量和提高产品质量的重要技术手段，研究液体浓度测量新方法具有重要意义。目前光纤光栅在浓度传感领域的应用越来越受到关注。光纤布拉格光栅(FBG)具有抗电磁干扰、高绝缘性、耐腐蚀、体积小、重量轻、灵敏度高、波长绝对编码、易于与光纤连接，便于复用成网等特点。以FBG为敏感元件设计液体浓度传感器具有重要研究意义和潜在应用前景。
　　首先，本文从耦合模理论出发，建立了FBG液体浓度传感模型，针对光纤光栅三层结构模型和两层结构模型的浓度传感特性进行了详细地理论分析和实验研究，分别对蔗糖、乙醇和Nacl三种溶液浓度与FBG中心波长变化量之间的对应关系进行了实验，通过实验验证了所建模型的正确性。
　　其次，设计了一种光纤光栅浓度传感器封装新结构，提出双FBG单端光刻法，解决了FBG温度和应变交叉敏感问题，为了减小应力对光纤光栅的影响，设计了带有半圆形挡板的圆柱形封装结构，并对敏感光纤部分施加一定的预应力，该结构既可以保护光栅又可以去除应变因素的影响。通过所搭建的测试实验平台，对该传感器进行性能测试，通过实验验证了FBG液体浓度测量方案的可行性。
　　最后，设计了FBG浓度远程测控系统并编写了上位机软件，该系统可以实现液体浓度历史数据记录及更新变化曲线。因此，该测试系统为实现生物和化工等领域的溶液浓度实时在线监控提供了实验基础。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．2 光纤光栅浓度传感器的国内外研究现状

1．2．1 镀膜光纤光栅浓度测量法

1．2．2 长周期光纤光栅浓度测量法

1．2．3 倾斜光纤光栅浓度测量法

1．2．4 光纤光栅浓度传感器面临的主要问题

1．3 课题研究的主要内容

第2章 光纤光栅浓度传感理论及模型建立

2．1 光纤光栅耦合模理论

2．2 光纤光栅传感特性分析

2．2．1 FBG温度传感特性

2．2．2 FBG应力传感特性

2．2．3 FBG交叉敏感特性

2．3 浓度传感模型的建立与分析

2．3．1 设计思路

2．3．2 光纤光栅三层结构数学模型

2．3．3 光纤光栅两层结构数学模型

2．3．4 浓度与谐振波长关系

2．4 两种结构的浓度传感器比较分析

2．5 本章小结

第3章 传感器结构设计及性能测试

3．1 光纤光栅浓度传感器的结构设计

3．2 传感器的封装技术

3．2．1 光纤光栅浓度传感器封装目的

3．2．2 传感器的封装结构

3．2．3 封装工艺

3．3 浓度传感器性能测试

3．3．1 实验结果分析

3．3．2 误差分析

3．4 本章小结

第4章 测试系统设计

4．1 测试系统搭建

4．1．1 ASE宽谱光源

4．1．2 光纤耦合器

4．1．3 光纤光栅传感器

4．1．4 光谱分析仪

4．1．5 光隔离器

4．2 测试系统软件设计

4．2．1 AQ6370光谱仪通信

4．2．2 控制程序设计

4．3 测试系统的应用

4．3．1 测试系统在温度测量中的应用

4．3．2 测试系统在应变测量中的应用

4．3．3 测试系统在液体浓度测量中的应用

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文及科研项目