高精度光纤液位传感机理及应用研究

摘要

液位测量广泛地应用于工业测量、燃料贮藏等领域。近年来，随着实际应用需求的增加，液位测量尤其是高精度液位测量逐渐在地质监测、大气环境监测等新兴领域开始发挥着越来越重要的作用，与此同时，如液体折射率、温度等参数越来越多的被集成到液位传感器中，以实现以液位为核心的多参量传感。另一方面，光纤传感技术以其灵敏度高、抗干扰能力强、尺寸小易于集成、无源、易于实现多点监测网络等优点，逐渐成为科研与应用领域的研究热点，其中光纤光栅传感器、光纤激光传感器以及光纤干涉型传感器以其独特的传感特性与应用潜力在众多光学传感器中得到了较多的关注。
　　本论文针对高精度液位传感技术在环境与地质监测、工程与工业生产等领域的重大应用需求，系统开展了光纤传感技术与高精度液位传感技术相结合的理论、实验和应用研究，主要工作内容包括以下几个方面：
　　(1)基于弱反射率窄带宽光纤光栅液位计的理论与实验研究：原创性的提出了基于浮子—光栅一体式机械结构的液位传感方案，根据耦合模理论与传输矩阵方程进行了对应的数学建模和机理分析，并完成了包括灵敏度、测量范围、线性度、温度交叉敏感等关键参数和误差的测量，理论与实验结果表明，所设计的液位计的灵敏度为162 pm/mm，分辨率可达0.37mm，测量范围24mm，线性度优于0.998，波长稳定性小于2pm，具有高灵敏度、高可靠性与稳定性等突出特点。
　　(2)基于光纤激光谐振拍频传感技术的液位计的理论与实验研究：详细推导了光纤激光器及拍频解调技术的相关基础理论，构建了双环腔单纵模光纤激光器的结构模型，分别完成了光纤激光器系统特性及液位传感特性的理论与实验研究，在液位测量的基础之上，利用所设计的激光器结构还拓展进行了温度传感的机理与实验探究。实验结果表明，所设计的液位计具有2.12×107 MHz/m的超高检测灵敏度，线性度为0.986，对应于910kHz的频率解调分辨率，液位测量的分辨率可以高达0.05μm，其中实验灵敏度与分辨率是所报道的光学液位计方案中的最高值。
　　(3)基于全光干涉结构的液位计及液位-折射率双参量传感器的理论与实验研究：设计出单模光纤-多模光纤-单模光纤-多模光纤-单模光纤的全光模式干涉仪结构，基于此传感头构建了液位传感模型，进行了理论和实验研究，进一步的，在液位测量的基础上，利用模间干涉结构的折射率敏感特性，进行了液位和折射率双参量传感的机理与实验研究，结果表明，对于两个选定的干涉级次，液位传感和折射率传感的灵敏度分别为245.7 pm/mm、-38 nm/RIU和223.7 pm/mm、-62 nm/RIU，首次实现了基于模间干涉结构的液位与折射率双参量传感测量。
　　(4)高精度液位传感的应用研究：以水管倾斜仪和雨量计为研究对象，实现了光纤传感技术与地质监测及环境监测领域的结合，自主开发了基于均匀光纤光栅、光纤激光谐振拍频两种传感技术的水管倾斜仪结构，从创新性，可靠性，稳定性和测量精度等多方面进行了理论与实验的验证，同时，自主开发了基于光纤光栅传感头的虹吸式雨量传感系统，对雨量计关键参数、虹吸补偿效应及系统误差分别进行了相关的理论与实验研究。
　　论文遵循理论——实验——应用的研究思路，在传感机理，实验结果，应用拓展等方面均取得了原创性成果。本论文的研究成果不仅可以应用于工程结构监测与地质环境监测，也可进一步拓展到生物医疗监测，航空航天探测等军用与民用领域，对于物联网、光纤通信等产业具有重要的科学研究意义和广阔的应用前景。

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1 绪论

1.1 引言

1.2 光纤传感技术的发展与现状

1.3 液位传感技术的发展与现状

1.4 本论文的主要工作

2 基于光纤光栅的液位计理论与实验研究

2.1 光纤光栅波导理论与传感机理

2.2 光纤光栅液位计理论研究

2.3 光纤光栅液位计实验研究

2.4 核心创新点

2.5 本章小结

3 基于光纤激光器双波长谐振拍频检测的超高灵敏度液位计理论与实验研究

3.1 掺铒光纤激光器及其滤波与解调技术的基础理论

3.2 基于光纤激光器双波长谐振拍频解调的液位计理论研究

3.3 基于光纤激光器双波长谐振拍频解调的液位计实验研究

3.4 基于光纤激光器双波长谐振拍频检测的温度传感机理及实验研究

3.5 核心创新点

3.6 本章小结

4 基于光纤模间干涉的液位计理论与实验研究

4.1 光纤模间干涉基础理论

4.2 基于光纤模间干涉的液位传感机理

4.3 基于光纤模间干涉的液位传感实验研究

4.4 核心创新点

4.5 本章小结

5 高精度光纤液位传感技术的应用研究

5.1 光纤水管倾斜仪

5.2 光纤雨量计

5.3 核心创新点

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文目录

附录 2 攻读硕士学位期间申请的发明专利