本文關(guān)鍵詞：微槽塑料光纖準連續(xù)液位傳感器

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【摘要】：液位傳感技術(shù)廣泛應(yīng)用于液體原料或制品的存儲和運輸過程中的液位監(jiān)測,以及用于飛機燃油系統(tǒng)液位監(jiān)測等領(lǐng)域。液位傳感器要求適應(yīng)能力比較強,因為其使用環(huán)境通常情況一般都非常復(fù)雜,經(jīng)常需要在強電磁干擾、高壓、易燃易爆、腐蝕性、低溫等特殊環(huán)境下使用。相比于比較成熟的液位測量技術(shù),如電容式測量法和磁致伸縮式液位測量法等,光纖液位傳感器不僅種類多且各具特點,設(shè)計也最為靈活。因此在環(huán)境情況復(fù)雜的條件下,光纖液位傳感器完全可以滿足液位測量的需求。本文提出一種具有微槽結(jié)構(gòu)高分辨率的準連續(xù)塑料光纖液位傳感器。本實驗中用來制作傳感器的光纖外徑為1.00mm,纖芯直徑為0.96mm的。該光纖纖芯原料為聚甲基丙烯酸甲酯,折射率為1.492,包層材料為氟樹脂,折射率為1.417,由日本三菱公司生產(chǎn)。文本中測量液位的基本原理是利用聚合物光纖中探測的光功率變化與光纖所處的外部環(huán)境折射率相關(guān)特性來實現(xiàn)的。通過飛秒加工使刻槽處纖芯裸露出來,從而與外界環(huán)境接觸,纖芯中的光功率就會被外部介質(zhì)折射率調(diào)制,當(dāng)槽內(nèi)介質(zhì)是空氣或其他溶液時,光線通過微槽后光功率將會改變。如果在光纖表面垂直于軸線方向刻制多個微槽就可以通過接收多個槽的光信號來實現(xiàn)傳感液位的目的。微槽尺寸參數(shù)和外界折射率對光功率損耗的影響可以用光纖連接損耗原理解釋。眾所周知,光纖連接損耗在通訊中的光纜及設(shè)備的連接方面是十分重要的技術(shù)指標。微槽部分可以看作是兩個光纖的連接。我們運用連接損耗原理分別討論了微槽尺寸、槽內(nèi)介質(zhì)、光纖直徑、光纖數(shù)值孔徑這些因素對光波傳輸損耗的影響,并進行了數(shù)值模擬。可以得到以下結(jié)論:1、光纖中光波傳輸功率隨著槽內(nèi)介質(zhì)折射率的增大,損耗減小。2、在槽內(nèi)介質(zhì)不變的情況下,微槽尺寸越大,光纖傳輸損耗越大。3、微槽尺寸,槽內(nèi)介質(zhì)不變的條件下,直徑小的光纖,傳輸損耗越大。4、在相同直徑的光纖上刻制相同尺寸的微槽,槽內(nèi)介質(zhì)不變,數(shù)值孔徑大的光纖,光纖傳輸損耗越大。隨后用實驗驗證液位傳感器的可行性。首先驗證了微槽寬度分別在25μm,50μm,75μm時和微槽深度在0-350μm時,微槽尺寸改變對于光纖傳輸特性的影響,實驗結(jié)果表明連接損耗會隨著微槽尺寸的增加而增加,通過增大微槽尺寸可以提高傳感器測量液位的敏感度。通過綜合考慮傳感器性能,分辨率,飛秒激光加工微槽技術(shù)等多方面因素,最終決定制作光纖液位傳感器傳感頭的微槽尺寸是:槽寬和槽深都為50μm。并以此微槽尺寸制作了具有不同間隔的多微槽結(jié)構(gòu)傳感頭,傳感頭長度1cm,相鄰微槽間的間隔長度就是本傳感器的分辨率。本實驗最高分辨率達到200微米,通過實驗可以觀察到,當(dāng)液位上升淹沒微槽,傳輸光信號隨之變化,實驗結(jié)果線性度很好,實現(xiàn)了高分辨率的準連續(xù)液位測量。最后還探究了溶液折射率和溶液溫度對傳感器的影響,通過實驗驗證了本傳感器適應(yīng)性比較強,可以檢測不同折射率(n=1.33~1.42)溶液的液位;當(dāng)溫度在15℃-70℃之內(nèi)變化時,溫度不影響微槽光纖液位傳感器的傳感性能。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP212

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本文編號：1253310