基于光纤光栅的温度测量传感器的设计与性能分析开题报告

 2021-08-14 02:44:27

1. 研究目的与意义(文献综述)

在光纤传感领域,光纤光栅传感技术是近十年来发展最为迅速的技术之一。迅速发展的功能型光纤传感元件具有其它种类的光纤传感器无可比拟的优点,它在航天器及船舶航运、民用工程结构、电力工业、医学和化学传感、甚至文物保护等诸多领域得到了广泛的应用。光纤光栅传感器能够进行多参数测量,其中能直接测量应变信号、温度信号,其他压力、加速度等信号经过转换,也能利用光纤光栅进行测量。通过适当的封装技术提高光纤光栅对温度的响应灵敏度同时起到保护的作用。 1996年,Inoue A等人用铝基片封装光纤光栅,封装后的光栅温敏系数比没有封装时高出了2.97倍。 2001年,日本Toru Mizunami等人在Teflon材料基底上粘贴光纤光栅,制作了夹层的封装结构。图1(a)是单层结构,图1(b)是双层结构。通过测量并对比封装后的温度灵敏度,发现在进行温度测量的过程中,当温度从77K到293K变化时,单层封装结构的传感器的波长灵敏度是99.74pm/K。而双层结构中,传感器的波长灵敏度为99.06pm/K。灵敏度比裸光纤光栅高很多,分别高出14.52倍和15.85倍,增敏效果相当明显。 图1 单双层Teflon基底封装后的示意图

1997年,Yun-jiang Rao、David J. Webb等人用光纤光栅测量人体的温度。对光纤光栅进行封装时使用的材料是尼龙。其封装结构如图2所示。实验表明,封装后的温度传感器测量精度有了极大的改善。温度在30℃-60℃之间时,测量精度分别达到了0.1℃、±0.2℃。

图2 FBG温度传感器示意图 光纤布拉格光栅是目前在光纤传感中用的最多的光栅,而交叉敏感问题是制约光纤光栅传感器进一步发展的一个突出问题。在光纤光栅传感实际应用中,由于光栅布拉格波长对应变和温度都是敏感的,即光纤光栅用于传感测量时,单个光纤布拉格光栅本身无法分辨出应变和温度分别引起的布拉格波长的改变,进而无法实现精确的测量。所以,我们研究解决光纤光栅对温度和应变参量交叉敏感的难题是非常有意义的。 推力轴承是用来专门承受轴向力的专用轴承,就是轴平行的方向的力的轴承。轴承的材料一般选用白合金,主要是锡、铅、锑或其它金属的合金,由于其耐磨型好、塑性高、跑合性能好、导热性好和抗胶和性好及与油的吸附性好,故适用于重载、高速情况下。推力轴承安装在转动的机轴和静止件之间,可以避免机轴与静止件之间的直接接触,起到保护机轴和静止件的作用。在轴体转动带动推力轴承转动的过程中,由于轴承半径越大的地方线速度也越大,发热量也越大。研究轴承工作条件下的温度分布有利于优化轴承的设计。使用传统的电类传感器来测量推力轴承的温度分布存在着诸多缺点,如布线复杂、易受电磁干扰、稳定性较差,难以实现分布式监测等。另一方面,光纤光栅作为一种新型温度传感器,除了具有普通传感器的优点外,还具有体积小、不受电磁干扰、耐腐蚀、稳定性好,能够在一根光纤中串接多个不同波长的光栅进行分布式测量等特点,因此光纤光栅温度传感器非常适用于推力轴承温度分布的测量。

2. 研究的基本内容与方案

一、目标及基本内容 本设计的目标就是设计一个用于测量推力轴承工作的时候端面温度分布、能在高温高压条件下的光纤光栅温度传感器,并完成传感器测量性能、量程和解析度等理论性能分析以及系统的软件设计,以帮助优化轴承的设计,提高轴承的稳定性和使用寿命。

二、技术方案 光纤光栅是波长调制型传感器,由耦合理论可知,当满足相位匹配条件时,光纤光栅的反射波长为 式(1)中,λ_b为光纤光栅中心反射波长,n_eff为光纤的有效折射率,Λ为光栅周期。

从式(1)可以看出,λ_b随n_eff和Λ的变化而改变。

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3. 研究计划与安排

2月22日-3月25日:查阅相关文献资料,明确研究内容,了解研究所需的相关知识。

确定方案,完成开题报告。

3月26日-5月1日:完成英语论文翻译和系统硬件设计、仿真、实物制作任务。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]乔学光,贾振安,傅海威,李明,周红. 光纤光栅温度传感理论与实验[j].物理学报,2005.

[2]禹大宽,乔学光,贾振安,孙安,王敏删. 一种新颖封装的耐高温光纤bragg 光栅温度传感器[j].光子学报,2006.

[3]王宏亮,乔学光,周红,等.压力与温度双参量传感优化系统的研制[j].光学学报,2005,25(7):875-880.

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