光纤光栅啁啾化传感和储罐泄漏光纤监测系统研究

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1、摘要本论文选题于国家863高新技术、国家自然科学基金、教育部博士点以及天津市科技发展计划等项目。结合课题研究目标，以光纤布拉格光栅为研究重点，提出并系统阐述了光纤光栅啁啾化传感原理与调制／解调方法，设计研制了多种新型多功能光纤光栅啁啾化传感器件，解决了利用单一光纤光栅感澳4并还原非均匀温度／应变场、单栅多参量区分测量等技术难点，实验验证了基于光栅啁啾谱光强探测技术实现温变无补偿应交传感的新方法，并将此技术成功应用于动态压力传感和连续液位感测系统中。与此同时，结合常压储罐泄漏监测项目，提出了长周期／布拉格光栅混合级联折射率传感方法和光强探测型受抑全内反射镀膜光纤探头折射率传感方法，并基于后一方

2、法研制开发了“分布式常压储罐泄漏光纤监测系统TLMS-I”。主要研究内容和成果概括如下：1、首次提出了光纤光栅啁啾化传感概念和传感机理，科学地将光纤光栅微观分解为栅区长度范围内许多具有独立感知能力的连接紧密、彼此关联的有效作用子栅集，从而较好解释了光纤光栅啁啾谱产生的内在机理，为啁啾谱的有效调制与准确解调提供了理论依据，形成了光纤光栅啁啾化传感的基础理论。2、提出并实验验证了光纤光栅啁啾谱中所包含的带宽、相位、反射光强、群速度等信息与周围环境场之间的对应关系，系统阐述了光纤光栅反射谱带宽、相位、反射光强等多种参量的有效调制方法和解调技术，突破了传统波长编码光纤光栅传感技术仅能实现均匀待测场和

3、单一待测参量传感的局限，拓宽了光纤光栅传感技术的应用范围，为利用单一光纤光栅实现多参量的同时区分测量、任意非均匀空间分布场还原、温变不敏感和温变自补偿传感提供了科学有效的新思路、新方法。3、提出并实验验证了利用光纤Bragg光栅反射谱带宽线性展宽技术实现温度与压力同时区分测量的新方法。通过聚合物材料将光栅粘接于双孔悬臂梁非均匀应变区，在压力作用下悬臂梁带动光栅发生非均匀应变，使Bragg反射谱波长漂移的同时带宽展宽，而温度变化仅引起反射谱波长漂移。在20～100℃和O～7．8N的温度和压力测量范围内，温度测量精度±1．1℃，压力测量精度±0．18N，Bragg反射谱中心波长漂移量和带宽展宽量

4、随温度和压力的变化呈良好的线性关系，线性度均高于99。6％。多次测量表明：展宽波型稳定，重复性好。摘要4、提出了基于线性梯度应变场光纤光栅反射谱对称展宽啁啾调制和光强差分检测技术实现单一光纤光栅温交不敏感动态压力传感的新方法。设计了一种结构新颖的双孔梁压力传感装置，依据双孔梁有限元受力分析将光纤光栅准确定位于线性梯度应变区，压力作用下光纤光栅反射谱对称展宽，反射光强线性正比于压力变化。基于光波导理论和材料力学原理推导了线性梯度应变场作用下光栅反射谱带宽／反射光强与压力之问的响应关系。利用光强差分检测技术取代传统波长解调方法，简化解调过程的同时传感系统免受温变影响。实验表明，在-10℃～80℃

5、的温度变化范围内，系统测量误差小于总量程(120kPa)的l-8％，动态响应速度～801-1z，重复测量系统输出稳定，满足常规动态压力传感的使用要求。5、提出了基于高斯梯度应变场光纤光栅反射谱侧向梯度展宽啁啾调制和光强归一化探测技术实现单一光纤光栅温变无补偿液位精确测量的新方法。设计了一种结构新颖的曲臂梁液位传感装置，通过作用于曲臂梁横梁的浮简浮力变化带动粘贴于曲臂梁侧臂的传感光栅发生高斯梯度应变，进而调制其反射谱带宽和对应反射光强。理论分析了光纤光栅在高斯梯度应变场作用下光栅反射谱侧向梯度展宽的成因，推导了光纤光栅反射谱带宽／反射光强与液位变化之间的响应关系。光栅反射谱侧向梯度展宽的同时反

6、射光强线性增加，利用光强差分检测方法消除光源出光抖动的影响，提高了液位测量精度。基于带宽调制的光纤光栅液位传感方法免受温度变化的影响，在一10℃～80"C的温度变化和200mm的液位测量范围内，液位测量精度±2．3唧，测量误差小于总量程的1．2％，实现了单光纤光栅温变无补偿连续液位测量。6、结合中石化常压储罐原油泄漏监测项目．提出并实验验证了基于归一化光强差分探测的两种原油检漏方法：混合级联光纤光栅折射率感测法和受抑全内反射端面镀膜光纤折射率感测法。基于第二种方法研制开发了“分布式常压储罐泄漏光纤监测系统TLMS—I”样机，实现了基于工控机智能监测系统的32路光纤传感探头的24小时实时监测、

7、多种介质的区分鉴别与报警、泄漏部位的准确定位、监测数据的远程传输与实时显示等功能，申请国家发明专利。关键词：光纤传感、光纤光栅、啁啾化传感、非均匀场传感、多参量区分测量、温变自免疫、动态压力传感、连续液位测量、储罐泄漏监测IIAbsCractTheworkissupportedbythe863NationalHighTechnolo盱Programme，theNationalNaturalScienceFou