基于塑料光纤侧面耦合效应的液漏传感关键技术研究

摘要

水下航行器在水下航行或出水过程中都需要具有良好的水密性来防止海水浸入，因此在航行或出水实验中必须针对水下航行器进行漏水测试。然而,传统的水密性测试并不能真正地模拟出水环境，在实际航行过程中需要增加原位漏水测试手段，实时获取泄漏的具体时间与精确位置，为航行器结构设计的优化提供最真实可靠的测试数据。水下航行器内部环境复杂，需要监测的漏水点数也极多，适用的液漏传感器必须免疫电磁干扰且结构简单易布置，在这样的条件下传统的电测量方法几乎失效，而专门针对水下设备的液漏传感器也尚未见诸报道。因此，自主研发一种专门针对水下设备的高实时性、高空间分辨率的液漏传感器具有重要的现实意义与应用价值。 在水下设备原位漏水测试这一特定需求背景下，光纤传感技术因其自身免疫电磁干扰，适于复杂空间结构中的分布式测量，且非电测量不会造成液体接触短路、漏电等更具优势，据此本文提出了一种基于塑料光纤侧面耦合效应的液漏传感解决方案。 首先，液漏传感可以通过测量被监测点周围环境介质折射率的变化来实现，本文设计了一种对折射率直接敏感的塑料光纤侧面耦合器结构，从波动理论的角度定性的分析了耦合介质折射率对侧面耦合率的影响，为高实时性液漏探头的设计提供了基础。塑料光纤侧面耦合器根据不同的注入波导可分为光纤-光纤侧面耦合器和棱镜-光纤侧面耦合器两类。 其次，设计实现了以光纤-光纤侧面耦合器为基础的液漏探头。从射线理论的角度推出光纤-光纤侧面耦合器的耦合率会随着耦合介质折射率的增大而增大。为了实现液漏量的连续测量与定点监测，将光纤分别缠绕在圆柱体与跑道型柱体结构上。通过实验验证了将高折射率的紫外固化胶填充在侧面耦合器的间隙中可以提高探头的灵敏度和测量范围，分析了不同结构参数对探头性能的影响以及各探头的温度依赖特性。实验结果表明在相同的结构参数下填充了紫外固化胶的双绞型连续式液漏量探头的灵敏度提升到11.978nW/mm，测量范围增加到600mm，分辨率与精确度分别为0.008与1.7mm；填充了紫外固化胶的平行型连续式液漏量探头的灵敏度为10.1nW/mm，测量范围为800mm，分辨率与精确度分别为0.010与1.6mm；填充了紫外固化胶的多点式液漏量探头在液位上升时输出功率形成了一个明显的阶梯式下降输出曲线，每个弯道区域被水浸没时，其输出功率的变化值为112.36nW。为了实现液漏事件的非接触测量，本文将吸湿性材料琼脂糖填充在侧面耦合器的间隙中，当被测点附近发生液漏事件时，其周围的空气湿度发生变化，该侧面耦合器的耦合率发生变化，为非接触液漏探头的设计提供了基础。通过实验对比了有无琼脂糖填充的探头的湿度响应特性，分析了宏弯半径对探头灵敏度的影响，研究了探头的可逆性、实时性及温度依赖特性。实验结果表明当相对湿度从40%线性增长到80%时，填充了琼脂糖的探头其灵敏度与线性度分别为4.23nW/%与99.30%，探测精度为0.70%。当相对湿度从80%变为90%时，填充了琼脂糖的探头的灵敏度突增到12.49nW/%，线性度也增加到99.8%，探测精度则减小到0.55%。 接着，设计实现了以棱镜-光纤侧面耦合器为基础的液漏探头。从射线理论的角度证明了侧面耦合器的耦合率也是随着耦合介质折射率的增大而增大。通过实验对比了单结构缺陷与多结构缺陷对侧面耦合率与漏水灵敏度的影响，研究了多结构缺陷下不同钻孔孔径、深度、孔数对侧面耦合率、灵敏度及衰减率的影响，最终选择了孔径0.5mm、深度1.0mm的三孔型结构缺陷作进一步研究。 最后，设计实现了以塑料光纤侧面耦合器为基础的液漏传感系统。在基于光纤-光纤侧面耦合器的液漏传感系统中，采用了基于地址码探询的定位方法，最多可控制256个液漏探头，空间分辨率由传感器的布置方式决定。在基于棱镜-光纤侧面耦合器的液漏传感系统中，创新性的提出了一种更简单的基于柔性LED灯带扫描时序的定位方法，其测量范围与空间分辨率由光纤上侧面耦合结构的数量与间隔长度决定。这两种传感系统都可应用于液漏传感领域，但当测试点数过多时，后者的结构更简单，成本更低。因此，本文选择基于棱镜-光纤侧面耦合器的液漏传感方案搭建了实验平台，实现测量范围为1m、空间分辨率为0.1m的液漏传感器，完成了验证性测试。通过将塑料光纤串联与并联，即可实现专门针对水下设备的一种测量范围大于8m、空间分辨率小于等于0.05m的柔性带式液漏传感器。

目录

第一个书签之前