超低温环境下FBG传感性能的测试系统设计开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

FBG国内外研究现状

光纤Bragg光栅传感器和分布式光纤测温技术经过几十年的发展,技术已经足够成熟,在常温领域已初步实现了商业化。但目前对于光纤测温在低温下的性能研究大多还只是在实验室中进行的,尚有一些技术和生产难题阻碍着它在低温领域的实际应用。因此探索光纤测温在低温下的性能,针对它不适用于低温环境的原因提出解决方案使它可以在低温下应用并有较高的准确度和较好的稳定性具有重要的现实意义。

2006年,北京交通大学蔡国利等人发现低温下光纤Bragg光栅反射光波长偏移量与温度变化呈二次函数关系;2008年中国科学院电工研究所张红洁等人发现4.2K- 50K时光纤Bragg光栅反射光波长对温度变化几乎无响应,50K-77K时波长-温度关系变化不规律,77K-150K时波长-温度曲线呈非线性,150K-298K时波长随温度线性变化;2012年上海大学郭占声等人通过123K-273K范围内的测温实验,发现光纤Bragg 光栅传感器的波长-温度曲线基本呈三次函数关系 [21-28]。

最初对光纤Bragg光栅低温性能的研究实验都是用裸光栅,后来研究人员发现将 某些材料涂覆在裸光栅表面能够提高它的温度灵敏度。2007年,中国科学院电工研 究所邓凡平等人发现丙烯酸酯可以提高光栅传感器在低温下的温敏系数。2008年, Carla. Lupi等人发现金属涂覆可以提高光栅在低温下的温度灵敏度,但提高幅度不大。

2012年,印的D. Sengupta等人发现聚丙烯酸甲酯(PMMA)可以明显提高光纤Bragg

光栅传感器低温测温灵敏度,而且涂覆层厚度越大,效果越明显。2012年,Tobias.Habisreuther等人发现有机改性陶瓷(ORMOCER)也能提高光纤Bragg光栅的低温温度灵敏度。

目前分布式光纤测温系统在常温领域已经有了实际应用的例子,但对其在低温下的研究还鲜有报道。

FBG传感技术在低温领域的研究意义

FBG 传感器作为一种新型的传感器有着许多其他传统传感器不能比拟的巨大优势:

(1)绝缘性好,能够对高压电缆的温度、石油管道、天然气、煤矿等安全情况进行检测,防止事故的发生。

(2)抗电磁干扰, FBG 传感器的传输的信号不会受到电磁干扰的影响,信号的完整性好,不失真。

(3)复用性强,FBG 能够实现光的波分复用、时分复用等,并且易于组网,能够实现多点的测量。

(4)检测的信号类型多,FBG 传感器不仅能够对温度、应力等进行测量,还能够对包括震动在内的 70 多种信号的测量。

(5)性能稳定、耐腐蚀性好,FBG 传感器能够对一些高危的化学物品进行检测, 可以使适应强酸强碱的环境。

(6)传输损耗很小,FBG 传感器能够进行远距离的传输,实现大范围的测量。

(7)测量范围大,由于 FBG 传感器传输的是光信号,而光信号具有很高的频率和高带宽。

正是由于 FBG 传感器有着如此之多的优点,才引起了各个领域的广泛关注。但是我国的 FBG 传感技术相对落后,仍然处于实验室阶段,没有能够大规模的走向实用化,想要走向大批量的实用依然要进行广泛而深入的研究,尤其是低温环境下FBG传感技术的研究更是少之又少。因此本文主要是结合科研项目,主要开展在-100℃以下的超低温环境下的FBG传感性能测试与分析。

2.研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

基本内容:

  1. 调研收集分析有关资料,了解FBG传感器的工作原理;

  2. 确定超低温实验装置基本结构、控制系统和测试实验方案;

  3. 计算和仿真分析测试实验系统的基本特性(含FBG传感特性);

  4. 开展在超低温环境下的FBG传感性能实验测试与分析,给出FBG在超低温下的基本性能指标。

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