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《燕山大学》 2000年
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光纤传输光推动油罐多参数测量系统理论与实验研究

王莉田  
【摘要】: 光推动光电混合式光纤传感器是当今光纤传感技术领域研究的热点课题之一, 用这种结构新颖的传感器实现的测量系统,在测量现场可视为“全光学”式,在易 燃易爆工况下尤为适用。油罐液位和油水分界面等参数的测量,要求较高精度和良 好的本质安全性能。目前常用的液位测量方法大多以电信号进行测量和传输,因而 带来了防燃防爆等问题。本文针对特殊工况下的测量现场要求,提出光推动油罐多 参数测量系统,理论分析和实验研究相结合实现了该测量系统的样机模型。该系统 具有把传统的差动电容传感器测量液位原理与光纤功率、信号传输相结合的特点。 首次把光推动理论用于油罐多参数测量系统,实现了单光源推动多个传感器的 独特方案。该系统采用三只差动电容传感器实现液位、油水界面等参数的测量,三 只热敏电阻用于补偿温度变化对电容传感器测量精度的影响。 论述光纤、光源和光探测器的特性,对LD—光纤、LED—光纤和PD—光纤的耦 合效率进行详尽分析,为信号光纤、功率光纤的合理选择及LD的正确应用奠定理论 基础。 设计光推动系统的总体方案。建立液位、油水界面等参数测量的数学模型,推 导压力—电容的转换关系,阐述差动电容、热敏电阻的工作特性,为系统标定提供 了理论依据。 在光推动系统中,探头的微功耗设计是关键技术。过大的探头功耗要求LD提供 更大的光功率输出,因此在易燃易爆场合会产生不安全因素。探头采用全CMOS数字 电路实现电容—脉冲宽度调制(PWM)—脉冲位置调制(PPM)、热敏电阻—PWM—PPM、 电复合及光脉冲发射等功能,探头总功耗小于870μW。 光推动通道是整个系统的重要组成部分。通过下述方法可提供稳定、可靠的探 头工作电压:LD—光纤的直接耦合方式,可实现20%左右的光耦合效率;采用多模 光纤传输功率;选择升压变压器最佳变比提高光电转换效率;采取LD驱动电路光反 馈以及致冷措施使其发光幅值稳定。实验中,采用20mW的GaAlAs LD,500m信号、 功率光纤,系统工作稳定可靠。光推动通道具有较大的功率裕度,经计算其最大推 动距离可达1.6km。 提出多路脉冲位置信号的单光纤传输方案,在二次仪表端采用精密脉宽甄别电 路解调多路信号。采用高速数字电路构成的定时器实现脉冲宽度测量,分辨率可达 ns级。单片机系统完成被测信号的识别和比值处理、各参数的计算及显示等功能, 保证系统的测量分辨率、测量精度、高稳定性等技术指标。 进行光纤传输光推动油罐多参数测量系统的实验,包括压力—电容关系、温度 标定、液位和油水界面标定、探头功耗测量、光功率通道及抗干扰特性等实验。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2000
【分类号】:TP274

【引证文献】
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1 郭增军;基于光谱吸收光纤甲烷气体传感系统的研究[D];燕山大学;2003年
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【参考文献】
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【共引文献】
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【同被引文献】
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5 米笑;美光推动手机影像革命[N];中国计算机报;2004年
6 栾印奎李文树 徐志;苏丹油罐项目获业主临时接收证书[N];石油管道报;2008年
7 王珑 孙秀丽;高庭禹到铁岭站检查指导工作[N];石油管道报;2009年
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9 本报记者 张旭;“军”是他的姓 “家”是他的根[N];闽南日报;2009年
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