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基于光纤传感技术的液体溶液浓度测量关键问题研究

荣民  
【摘要】: 论文提出了利用光纤布喇格光栅(fiber Bragg grating-FBG)传感技术对液体溶液浓度进行测量的方法,并对其中的一些关键问题进行了相关研究。FBG传感器体积小、灵敏度高、动态范围大等特点非常适用于液体溶液光声信号的检测。 针对弱吸收溶液在单光束圆柱形液体光声池中光吸收率低的问题,设计了两种液体溶液长程光吸收结构的光声池:平行多光束长程光吸收光声池和多角星形长程光吸收光声池,并建立了相应的波动方程模型。计算仿真证明,平行多光束长程光吸收光声池的设计有效提高了光吸收率,在光声池内产生的平面声波不随传播距离衰减,此光声池所产生的光声信号强度是同尺寸单光束光声池的数百倍。论文还讨论了光声池的池壁厚度、光源调制频率等参数对光声池性能的影响,为液体光声池的设计提供了理论依据。 针对裸光纤布喇格光栅水声传感器灵敏度低的弱点,论文提出了一种带静水压补偿的推挽式弹性膜片FBG水声传感探头。通过计算仿真和初步实验证明,这种结构的传感器探头灵敏度是裸光纤布喇格光栅传感器探头灵敏度的1600倍,且具有较大的动态范围。此外,这种传感探头还具有静水压补偿能力,且对环境温度变化不敏感。 针对FBG水声传感信号解调的需求,论文提出了差分匹配FBG自解调方法。该方法不仅具有很高的解调分辨率,还可以对环境温度的变化进行补偿,解决了FBG传感器对温度和应力的交叉敏感性问题。论文给出了该方法的光路连接拓扑结构——两次反射式差分匹配FBG自解调结构。差分匹配的FBG自解调方法具有无需机械移动装置、响应速度快、结构简单、成本低等优点,还可以利用波分复用、空分复用、时分复用等多种方法实现多传感器复用。 本文最后给出了液体溶液浓度的初步测试结果,证明了该方法的可行性。


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