基于FBG与PT100的液位测量技术及实验研究

摘要

液位测量在工业生产中的各个领域得到了广泛应用，随着计算机技术的发展以及在生产控制中的广泛应用，人们利用计算机对整个生产过程进行监控与实时控制，与此同时，液位测量技术也随之提出了更高的要求，实现高精度、高可靠性、安全性、低成本的液位测量一直是重点研究方向，同时趋向小型化与智能化的液位测量方式也是我国工业发展的迫切需求。
　　 现代工业生产中液位测量所采用的方式各不相同，测量机理也不尽相同，有接触式与非接触式之分，不同应用场合选择不同的方式。本文总结各种液位测量方式的优缺点，提出了一种新的液位测量方式，通过测量温度来测量液位高度。论文主要内容如下:
　　 首先，介绍了光纤布拉格光栅FBG的结构与成栅机理，通过耦合模理论对其进行理论分析，推导出FBG反射中心波长与光栅周期和有效折射率有关，为后面分析光纤布拉格光栅的传感特性奠定了基础。本文详细说明了FBG的应变和温度传感特性，并推导出温度灵敏度和应变灵敏度。从理论上说明其是一种优异的传感元件，可以将其温度传感特性应用于液位测量，并通过设计相关实验论证该理论的可行性，使用FBGA光栅波长解调系统对光栅反射光谱进行解调，最后使用有限元分析工具对光栅栅区进行温度场分析，进一步细化FBG的温度传感特性。
　　 其次，从实际工业生产角度出发，利用PT100作为测温元件应用于液位测量，采用相同的测量原理，使用不同的方式去实现。基于PT100的液位测量采用两种处理方式，一种是使用单片机，另外一种是使用PLC，每种方式都设计相关硬件电路，并通过实验验证其可行性。
　　 最后，对于采集到的数据，通过无线通信方式进行传输，使用基于nRF24L01芯片的PTR6100无线通信模块进行数据传输，将液位测量电路与无线通信电路整合到一起，完成整个测量系统的设计，并通过实验验证其可行性。
　　 论文最后总结了课题研究的工作与结论，并提出了不足之处，对后续工作进行展望。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 课题研究的目的、意义和主要内容

1．3．1 课题研究的目的

1．3．2 课题研究的意义

1．3．3 课题研究的主要内容

1．4 论文章节安排

第二章 光纤布拉格光栅传感理论和特性

2．1 光纤的基本结构和模式

2．2 光纤bragg光栅结构及耦合模理论

2．3 光纤bragg光栅传感特性

2．3．1 光纤bragg光栅轴向应变传感特性

2．3．2 光纤bragg光栅温度传感特性

2．3．3 光纤bragg光栅应变和温度的交叉敏感特性

2．4 本章小结

第三章 基于FBG的液位测量技术及实验研究

3．1 光纤光栅液位间接测量原理

3．2 FBGA光栅解调系统

3．2．1 FBGA概述

3．2．2 FBGA便携式解调系统

3．3 FBG间接液位测量实验及数据分析

3．3．1 实验准备工作

3．3．2 实验过程与结果

3．3．2 实验结果分析

3．4 有限元分析

3．4．1 实体建模及分析

3．5 本章小结

第四章 PT100在液位测量中的应用技术研究

4．1 微处理器多点间接液位测量

4．1．1 硬件构成

4．1．2 系统硬件电路设计

4．1．3 系统软件部分设计

4．2 可编程控制器件在多点液位测量中的应用

4．2．1 系统器件构成

4．2．2 系统实验测试

4．2．2 实验结果分析

4．3 本章小结

第五章 液位测量的无线传输技术实现

5．1 常用的无线传输技术

5．1．1 Wi-Fi(802．11)网络

5．1．2 GPRS、CDMA3G网络

5．1．3 Zigbee网络

5．1．4 基于芯片的无线传输

5．2 无线通信模块

5．2．1 nRF24L01功能结构及参数

5．2．2 nRF24L01芯片工作模式

5．2．3 基于nRF24L01的无线通信数据模块PTR6100

5．3 无线传输电路设计

5．4 系统电路

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 研究展望

附录

A 无线传输部分参考程序

参考文献

致谢

攻读硕士期间的工作与成果