光纖光柵啁啾化傳感和儲(chǔ)罐泄漏光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

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1、摘要本論文選題于國(guó)家863高新技術(shù)、國(guó)家自然科學(xué)基金、教育部博士點(diǎn)以及天津市科技發(fā)展計(jì)劃等項(xiàng)目。結(jié)合課題研究目標(biāo)，以光纖布拉格光柵為研究重點(diǎn)，提出并系統(tǒng)闡述了光纖光柵啁啾化傳感原理與調(diào)制／解調(diào)方法，設(shè)計(jì)研制了多種新型多功能光纖光柵啁啾化傳感器件，解決了利用單一光纖光柵感澳4并還原非均勻溫度／應(yīng)變場(chǎng)、單柵多參量區(qū)分測(cè)量等技術(shù)難點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于光柵啁啾譜光強(qiáng)探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫變無(wú)補(bǔ)償應(yīng)交傳感的新方法，并將此技術(shù)成功應(yīng)用于動(dòng)態(tài)壓力傳感和連續(xù)液位感測(cè)系統(tǒng)中。與此同時(shí)，結(jié)合常壓儲(chǔ)罐泄漏監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，提出了長(zhǎng)周期／布拉格光柵混合級(jí)聯(lián)折射率傳感方法和光強(qiáng)探測(cè)型受抑全內(nèi)反射鍍膜光纖探頭折射率傳感方法，并基于后一方

2、法研制開(kāi)發(fā)了“分布式常壓儲(chǔ)罐泄漏光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TLMS-I”。主要研究?jī)?nèi)容和成果概括如下：1、首次提出了光纖光柵啁啾化傳感概念和傳感機(jī)理，科學(xué)地將光纖光柵微觀分解為柵區(qū)長(zhǎng)度范圍內(nèi)許多具有獨(dú)立感知能力的連接緊密、彼此關(guān)聯(lián)的有效作用子?xùn)偶?，從而較好解釋了光纖光柵啁啾譜產(chǎn)生的內(nèi)在機(jī)理，為啁啾譜的有效調(diào)制與準(zhǔn)確解調(diào)提供了理論依據(jù)，形成了光纖光柵啁啾化傳感的基礎(chǔ)理論。2、提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光纖光柵啁啾譜中所包含的帶寬、相位、反射光強(qiáng)、群速度等信息與周?chē)h(huán)境場(chǎng)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，系統(tǒng)闡述了光纖光柵反射譜帶寬、相位、反射光強(qiáng)等多種參量的有效調(diào)制方法和解調(diào)技術(shù)，突破了傳統(tǒng)波長(zhǎng)編碼光纖光柵傳感技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)均勻待測(cè)場(chǎng)和

3、單一待測(cè)參量傳感的局限，拓寬了光纖光柵傳感技術(shù)的應(yīng)用范圍，為利用單一光纖光柵實(shí)現(xiàn)多參量的同時(shí)區(qū)分測(cè)量、任意非均勻空間分布場(chǎng)還原、溫變不敏感和溫變自補(bǔ)償傳感提供了科學(xué)有效的新思路、新方法。3、提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了利用光纖Bragg光柵反射譜帶寬線性展寬技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度與壓力同時(shí)區(qū)分測(cè)量的新方法。通過(guò)聚合物材料將光柵粘接于雙孔懸臂梁非均勻應(yīng)變區(qū)，在壓力作用下懸臂梁帶動(dòng)光柵發(fā)生非均勻應(yīng)變，使Bragg反射譜波長(zhǎng)漂移的同時(shí)帶寬展寬，而溫度變化僅引起反射譜波長(zhǎng)漂移。在20～100℃和O～7．8N的溫度和壓力測(cè)量范圍內(nèi)，溫度測(cè)量精度±1．1℃，壓力測(cè)量精度±0．18N，Bragg反射譜中心波長(zhǎng)漂移量和帶寬展寬量

4、隨溫度和壓力的變化呈良好的線性關(guān)系，線性度均高于99。6％。多次測(cè)量表明：展寬波型穩(wěn)定，重復(fù)性好。摘要4、提出了基于線性梯度應(yīng)變場(chǎng)光纖光柵反射譜對(duì)稱展寬啁啾調(diào)制和光強(qiáng)差分檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)單一光纖光柵溫交不敏感動(dòng)態(tài)壓力傳感的新方法。設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎的雙孔梁壓力傳感裝置，依據(jù)雙孔梁有限元受力分析將光纖光柵準(zhǔn)確定位于線性梯度應(yīng)變區(qū)，壓力作用下光纖光柵反射譜對(duì)稱展寬，反射光強(qiáng)線性正比于壓力變化?；诠獠▽?dǎo)理論和材料力學(xué)原理推導(dǎo)了線性梯度應(yīng)變場(chǎng)作用下光柵反射譜帶寬／反射光強(qiáng)與壓力之問(wèn)的響應(yīng)關(guān)系。利用光強(qiáng)差分檢測(cè)技術(shù)取代傳統(tǒng)波長(zhǎng)解調(diào)方法，簡(jiǎn)化解調(diào)過(guò)程的同時(shí)傳感系統(tǒng)免受溫變影響。實(shí)驗(yàn)表明，在-10℃～80℃

5、的溫度變化范圍內(nèi)，系統(tǒng)測(cè)量誤差小于總量程(120kPa)的l-8％，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度～801-1z，重復(fù)測(cè)量系統(tǒng)輸出穩(wěn)定，滿足常規(guī)動(dòng)態(tài)壓力傳感的使用要求。5、提出了基于高斯梯度應(yīng)變場(chǎng)光纖光柵反射譜側(cè)向梯度展寬啁啾調(diào)制和光強(qiáng)歸一化探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)單一光纖光柵溫變無(wú)補(bǔ)償液位精確測(cè)量的新方法。設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)新穎的曲臂梁液位傳感裝置，通過(guò)作用于曲臂梁橫梁的浮簡(jiǎn)浮力變化帶動(dòng)粘貼于曲臂梁側(cè)臂的傳感光柵發(fā)生高斯梯度應(yīng)變，進(jìn)而調(diào)制其反射譜帶寬和對(duì)應(yīng)反射光強(qiáng)。理論分析了光纖光柵在高斯梯度應(yīng)變場(chǎng)作用下光柵反射譜側(cè)向梯度展寬的成因，推導(dǎo)了光纖光柵反射譜帶寬／反射光強(qiáng)與液位變化之間的響應(yīng)關(guān)系。光柵反射譜側(cè)向梯度展寬的同時(shí)反

6、射光強(qiáng)線性增加，利用光強(qiáng)差分檢測(cè)方法消除光源出光抖動(dòng)的影響，提高了液位測(cè)量精度?；趲捳{(diào)制的光纖光柵液位傳感方法免受溫度變化的影響，在一10℃～80"C的溫度變化和200mm的液位測(cè)量范圍內(nèi)，液位測(cè)量精度±2．3唧，測(cè)量誤差小于總量程的1．2％，實(shí)現(xiàn)了單光纖光柵溫變無(wú)補(bǔ)償連續(xù)液位測(cè)量。6、結(jié)合中石化常壓儲(chǔ)罐原油泄漏監(jiān)測(cè)項(xiàng)目．提出并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于歸一化光強(qiáng)差分探測(cè)的兩種原油檢漏方法：混合級(jí)聯(lián)光纖光柵折射率感測(cè)法和受抑全內(nèi)反射端面鍍膜光纖折射率感測(cè)法?；诘诙N方法研制開(kāi)發(fā)了“分布式常壓儲(chǔ)罐泄漏光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TLMS—I”樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了基于工控機(jī)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的32路光纖傳感探頭的24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、

7、多種介質(zhì)的區(qū)分鑒別與報(bào)警、泄漏部位的準(zhǔn)確定位、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與實(shí)時(shí)顯示等功能，申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利。關(guān)鍵詞：光纖傳感、光纖光柵、啁啾化傳感、非均勻場(chǎng)傳感、多參量區(qū)分測(cè)量、溫變自免疫、動(dòng)態(tài)壓力傳感、連續(xù)液位測(cè)量、儲(chǔ)罐泄漏監(jiān)測(cè)IIAbsCractTheworkissupportedbythe863NationalHighTechnolo盱Programme，theNationalNaturalScienceFou