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1、华中科技大学 硕士学位论文 光纤液位传感器的研究及试验 姓名：程毅 申请学位级别：硕士 专业：检测技术与自动化装置 指导教师：叶林 2011-02-20 I 摘摘 要要 飞机燃油系统的测量精度和可靠性对飞机的使用安全有着重要的影响。我国飞 机油量测量技术的研究开发比国外起步晚，燃油测量技术还比较陈旧。研究一种具 有高灵敏度、抗干扰性强的液位检测技术光纤式液位检测技术，具有十分重要 的现实意义，各国人员积极开发了基于不同原理的液位传感器。光纤液位传感器具 有其他液位传感器所不可比拟的诸多优点，如结构简单，重量轻，电磁兼容性好， 耐高温，耐腐蚀等。 本文介绍了光纤式液位检测技术的工作原理，根据光纤
2、各种特性，进行了传感 器方案的设计和可行性分析，并介绍了信号处理电路的设计及液位试验。选择了发 光二极管和光电三极管作为传感器的光源和光探测器，基于调制解调原理，设计了 光纤液位传感器的信号测量系统，包括了光源的驱动与调制、弱信号放大。在信号 接收部分设计了低噪声前置放大器，信号处理部分将同步积分器与相关器联用，对 光电探测器获得的信号与参考信号进行互相关运算。针对实验室环境条件，设计搭 建了一套液位试验平台，在大量的试验研究基础上，获得了光纤式液位传感器液位 -电压特性曲线， 通过理论分析和试验的方法验证了传感器方案的可行性， 同时详细 的分析研究了传感器各种试验特性，为传感器的改进提供了大
3、量的试验和数据支 持。 试验结果表明：光纤式液位检测方法是可行的，其广阔的应用前景非常值得我 们进行深入的研究。在今后的工作中，改进传感器的结构和提高信号处理电路的性 能将是研究的重点方向。 关键词：关键词：光纤 液位检测 同步积分 相关检测 II Abstract The accuracy and reliability of the aircraft fuel system measurement have an important impact on its safe use. The aircraft fuel measurement technology research and d
4、evelopment in our country lags behind the foreign country. The fuel measurement technology is still relatively backward. As a result, its very necessary to research a high sensitive, noise-proof level detective technique the fiber optic level detection. Researchers all around the world have develope
5、d level detectors based on various kinds of theories with enthusiasm. Due to light weight, high temperature resistance, anti-electromagnetic interference, corrosion-resistant and other advantages, fiber-optic level sensor has been a new high-performance icing detector. This thesis introduces the pri
6、nciples of fiber-optic level sensor. Based on parameters of optical fiber, the configuration of the sensor is designed and its feasibility is analyzed . Light-emitting diodes and transistors are chose separately as light sources and photoelectric sensors. On the ground of elementary modem principle,
7、 a signal measurement system for fiber-optic level sensor is proposed, including the light source drive and modulation, weak signal amplification, digital processing, and so on. The signal processing circuit design the level experiments are introduced. In order to collect the weak signal from the ph
8、oto detector, a low-noise preamplifier and a corrective detection circuit consisting of a synchronous integrator and a correlator which is in charge of processing corrective calculation of signals collected by photo detector are designed. According to environmental conditions for the laboratory, the
9、 author and his team design a platform for level experiments, In preliminary experiment , we received a Level - voltage characteristic curves. This thesis proved the feasibility of the sensor, through theoretical analysis and experimental methods. Meanwhile, the standard detailed analysis of various
10、 test characteristics of the sensor, the sensor provides a number of III improvements in testing, the data support. The results show that the method of fiber-optic icing detection is feasible under general condition. Its extremely worthy to study it in-depth for its extensive application prospect .
11、In future work, we will focus on the direction of improving the structure of the sensor and the performance of the signal processing circuit. Keywords: fiber optic level detection synchronous integrator correlative detection 1 1 绪论绪论 1.1 光纤传感器概论光纤传感器概论 1.1.1 光纤传感器的发展光纤传感器的发展 这些年来，科学技术的发展日新月异，各种类型的传感
12、器技术也在飞速的发展 中。材料科学的快速发展促进了很多新型传感器的产生并广泛的应用于军事、工业 和民用等重要领域。 近些年来光纤通信技术的发展与成熟，为光纤传感器的发展打下了坚实的理论 基础，提供了强有力的支持。光纤传感器作为一种崭新的传感器手段，它利用光纤 作为光的传播媒介和调制器，通过对光的某些性质随被测量的影响变化来完成检 测。1977 年光纤传感器诞生于美国海军研究所的光纤传感器系统计划，随后在世界 范围内引起了光纤传感器和光纤技术发展的热潮。随着光纤传感器技术的发展，其 应用领域从军事扩展到民用和工业，获得了很多成就。美国在光纤陀螺仪，光纤传 感器检测方面取得了巨大的成就。 日本紧追
13、这股世界热潮， 于八十年代就制定了 “光 纤系统应用计划” ，经过日本各大知名公司和研究所的长期研究，发展了很多水平 一流的民用光纤传感器。我国光纤传感器的研究虽然与国际起步于同一时代，但是 与发达国家的研究成果相比，我们国家在光纤传感器的商业化和产业化上还有不小 的差距，很多产品处于试验研究的阶段，还不足以完成工程化应用。在这一领域， 我们国家有很多优秀的院校和研究所在温度、流量、压力、位移、液位等众多领域 的光纤传感器检测方面取得了很多令人瞩目的成就，正在逐渐缩小我国的差距与不 足。 1.1.2 光纤传感器的分类光纤传感器的分类 光纤传感器是利用光纤将待测量对光纤被传输的光波测量进行调制，
14、并对被调 2 制过的光波信号进行调解的检测，从而进行测量的一种装置。光纤传感系统一般由 光源、传感器、信号处理这几部分组成。 根据被测对象的参数指标分类光纤传感器可以分为光纤压力传感器，位移传感 器，温度传感器，速度传感器，加速度传感，图像传感器和流量传感器等 1。 光纤传感器按光波在光纤中被调制的原理可以分为： 光强调制型、 相位调制型、 偏振态调制型和波长调制型等几种形式 2 按照光纤在传感器中所起到的作用又可以将光纤传感器分为两大类：功能型和 非功能型 3。功能型光纤传感器又称为传感型光纤传感器。这类传感器光纤一方面 作为光传播载体另一方面直接作为敏感元件感知测量信息，将“传” “感”的
15、特性 合二为一，其核心就是光纤作为敏感元件。即光纤在与被测对象作用时，光纤或是 因为其传输的光波发生某些变化，或是因为其自身结构测量变化导致传光特性的相 应变化，从而携带有被测对象信息。非功能型光纤传感器，光纤仅仅作为传光的载 体，需要加上敏感元件才能和光纤一起构成传感器，其核心是光转换敏感元件。光 转换敏感元件在与被测对象作用时，由于其自身性能的变化，光波在通过他时光波 参量便发生了相应的变化，从而获得待测量信息。或者，传感器不带有任何光转换 敏感元件， 只是由于光纤几何位置分布而实现光转换功能， 完成被测信息获取功能。 1.1.3 光纤传感器的应用光纤传感器的应用 光纤传感器的特性在很多程
16、度上受到光学元件的影响，例如光电元件，光器件 的抗辐射能力、热稳定性和可靠性等等。这种特殊的组成部件给传感器带来了很多 的优点，例如对于高噪声、高温、强腐蚀性的环境适应良好，具有本质防爆特性 4， 5，信号抗电磁干扰，可靠性高，体积小，重量轻等，可以在各种恶劣的环境下使 用 6。 如此多的优点使得光纤传感器在国防军事，航空，生物等各种领域有着广泛的 应用背景 7，世界各国对于光纤传感器的研发竞争非常激烈。光纤传感器具有很多 独有的优点，使得它可以解决很多机械，电子和电磁类传感器无法解决的难题，超 3 越了很多传统的传感器解决方案。目前光纤传感器的研究热点分别在生物、化学、 医疗、环保领域和基于智能结构并用于结构内部参数探测的大型工程监测领域。随 着光纤技术的深入发展，光纤传感器必定会具有更强的生命力和更广泛的应用领 域，进入到军事、民用和工业生产领域的方方面面。 1.2 液位测量技术概述液位测量技术概述 1.2.1 液位测量的主要方法液位测量的主要方法 在以往的生产过程中，对物料的记录和存储通常采用最简单的手工方法便可完 成任务。然而，随着自动
