基于光纤光栅的压力传感器研发毕业论文

 2020-04-08 02:04

摘 要

光纤光栅压力传感器是近几年新出现的一种优质光学传感设备,与此前一个阶段大量应用的机械式或电磁式压力传感器相比来看,这种新出现的传感设备具备抗强电磁干扰性强、耐腐蚀性强、安全系数高、防爆能力强、当信号进行远距离传输时损耗较小等许多优点。基于这些基本情况,本文选定光纤布拉格光栅压力传感器作为本次毕业设计的研究对象,首先对光纤光栅的光学性质和工作机理进行了初步了解和掌握,接着分析以及比较了四种具有不同增敏结构的光纤光栅压力传感器各自具有的优点和缺点,在对这些参数进行了比对和重新设计之后,设计了一种基于平面膜片增敏结构的光纤布拉格光栅压力传感器。但是由于FBG传感器通常在外部环境下运行,因此在使用过程中会出现温度和应变交叉敏感性,这可能会影响传感器的精度,而传统的温度硬补偿方式会使得传感器结构变得更加复杂,很难达到工业化的水平。基于以上存在的问题,设计了基于BP神经网络的压力温度解耦软补偿方法,并运用MATLAB软件对相关算法的进行编码,并且进行调试,有效地削弱了测量中会出现的应变温度交叉敏感性。

关键词:光纤布拉格光栅;压力传感器;平面膜片;温度补偿;BP神经网络

Abstract

The FBG pressure sensor is a new high-quality optical sensor that has emerged in recent years. Compared with the mechanical or electromagnetic pressure sensors that have been widely used in the previous stage, this newly emerged sensor device is highly resistant to electromagnetic interference. Strong, strong corrosion resistance, high safety factor, strong anti-explosion capability, and many advantages when the signal is transmitted over long distances. Based on these basic conditions, this paper selected the fiber Bragg grating pressure sensor as the research object of this graduation project. Firstly, the optical properties and working mechanism of the fiber grating were firstly understood and mastered. Then four kinds of different sensitization were analyzed and compared. Based on the advantages and disadvantages of the FBG pressure sensors of the structure, after the comparison and redesign of these parameters, a fiber Bragg grating pressure sensor based on the planar diaphragm sensitization structure was designed. However, since FBG sensors are usually operated in an external environment, temperature and strain cross-sensitivities may occur during use, which may affect the accuracy of the sensors. However, the traditional temperature compensation methods will make the sensor structure more complicated. It is difficult to achieve industrialization. Based on the above existing problems, a pressure-temperature decoupling soft compensation method based on BP neural network is designed. The related algorithm is coded by MATLAB software, and debugging is performed, which effectively weakens the strain-temperature cross-sensitivity that will appear in the measurement.

Keywords: fiber Bragg grating;pressure sensor;planar diaphragm structure;temperature compensation;BP neural network

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 光纤传感技术综述 2

1.2.1 光纤光栅传感技术的特点 2

1.2.2 光纤光栅传感技术的发展 2

1.3 国内外光纤光栅压力传感器的研究现状 3

1.4 本文的主要工作 4

第2章 光纤光栅压力传感器概述 6

2.1 光纤光栅压力传感器简介 6

2.1.1 光纤布拉格光栅的光学特性 6

2.1.2 光纤光栅传感器的工作原理 7

2.1.3 光纤布拉格光栅的应变传感原理 8

2.2 常见的光纤光栅压力传感器 8

2.2.1 平面膜片型光纤光栅压力传感器 9

2.2.2 薄壁圆筒型光纤光栅压力传感器 10

2.2.3 弹簧管型光纤光栅压力传感器 11

2.2.4 聚合物填充型光纤光栅压力传感器 13

第3章 光纤布拉格光栅压力传感器方案设计 14

3.1 平面膜片结构设计 14

3.2 整体结构设计 15

第4章 光纤布拉格光栅压力传感器的温度补偿方法 16

4.1 温度与应变交叉敏感问题 16

4.2 光纤光栅压力传感器的温度软补偿方法 16

4.2.1 BP神经网络基本原理 17

4.2.2 BP神经网络的学习过程 18

4.2.3 温度误差修正原理模型及程序设计 19

第5章 光纤布拉格光栅传感器的制作与测试 21

5.1 光纤布拉格光栅传感器的制作 21

5.2 光纤布拉格光栅压力传感器的压力测试 23

第6章 研究结果分析 24

6.1 增敏元件的有限元分析 24

6.2 BP神经网络温度解耦补偿的MATLAB 实现 26

第7章 总结与展望 30

7.1 全文工作总结 30

7.2 未来工作展望 30

参考文献 31

致谢 32

附录 33

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

压力是工业生产过程中的一项非常重要的参数,在对输送管道的运行进行状态监测和安全评估方有着大量的应用,因此,工业生产过程中通常会大量使用压力传感器测量液体或气体的压力,来确保安全生产。这种压力传感器广泛应用于交通运输、水利水电、航空航天、机械制造、军工制造、石油化工等众多重点领域和行业。

光纤光栅传感器出现的时间相对比较晚,虽然它是一类近几年才出现的优质光学传感设备,但光纤光栅传感器不仅拥有体积小、质量轻、传输远、成本低、抗强电磁干扰性强、安全系数高、防爆能力强等普通光纤光栅传感器都拥有的优点,也可以应用于多点多路的复用分布式测量和光线衰减的不相关性测量中,与其他各种类型的传感器相比具有显而易见的优势。比如在监测房屋和道路的健康状态时,由于光纤光栅的体积小,很容易布置在房屋或路基结构体内,因此有着非常广泛的应用。在石油和煤炭开采等领域,对安全的要求非常高,因此需要传感器长期在高压、高温和强腐蚀性的糟糕条件下使用,而以前大量应用的机械类或电磁类传感器非常容易老化,失去效力,从而带来严重的安全隐患。与之作为对比,光纤光栅传感器可以承受住这些糟糕的条件,可以长期稳定地在油田或矿井下工作,并确保工作的安全性和可靠性。

基于以上优点,光纤光栅传感器还可以应用于防灾救险和事故预警,并且同样具备巨大的发展空间。工业生产不断发展,各个地区都铺设有水、石油和天然气等流体的输送管道,而在重工业集中的工业区里,存在有大量大型的机械设备和工业装备,他们都具有大量复杂的输送管道,因此确保这些设备和输送管道进行安全运行是必须的。但是最近一段时间,在石化等重工业领域出现了多起重大安全事故,经济损失非常巨大,有些安全事故还对严重影响了当地的生态环境,造成了很多不可逆转的损失,更无法估量这些安全事故在社会上引起的民众恐慌造成了多少间接损失。所以,我们需要对安全事故进行提早发现和预防,确保工业区的安全生产和运输管道的安全运行,我们需要引入更加先进的监测技术,最大程度避免安全事故的发生,尽可能减小因此造成的损失。

从民用角度讲,普通民众的日常生活中也存在各种输送管道,比如煤气、水管等。随着时间的推移,这些管道可能会发生老化和破损,继而引发各种安全事故,对民众的生活造成严重的影响,所以需要对这些管道进行实时监测。综上所述,本次毕业设计对于高灵敏度系数、低重复性测量误差的光纤光栅压力传感器的研究,以及针对传感和检测过程中出现的应变温度交叉敏感性所提出的解耦软补偿方案,都非常有必要。

1.2 光纤传感技术综述

1.2.1 光纤光栅传感技术的特点

过去在生产过程中,主要以机械类和电磁类传感技术作为主要的监测技术,而现在监测领域主要应用光纤光栅传感技术,其具有如下以下优点:

(1)抗电磁干扰性能良好:通常来说,电磁辐射的频率相对不高,甚至还不如普通的光波,因此当有光信号产生并且在光纤中进行传递时,可以有效地规避电磁干扰;

(2)电绝缘性能良好,安全防爆:光纤是由电介质构成的,不需要电源进行驱动,因此也不会产生电火花,所以非常适合在易燃易爆的生产场合安全使用;

(3)耐腐蚀性强,化学性质相对稳定,使用寿命长:光纤主要以石英作为制作材料,化学稳定性极高,适合在高压、高温等糟糕的条件下使用;

(4)体积小,质量轻,几何形状简单并且易于塑造:裸光栅的直径非常小,一般来说仅有8~10μm,因此可以粘贴在被测结构的内表面,占用的空间也不大,对被测结构的性能基本不会产生影响;

(5)测量范围广:可以进行温度、压力、应变、电压、电流、液位、成分等多种参数的测量,并且都具有高灵敏度和低重复性,性能良好;

(6)生成的测量信号可以传输比较长的距离,并且传输中的损耗非常小:可以实现远距离遥控监测;

(7)传输容量大,复用能力强:可以实现多点分布式测量;

(8)可以进行多参数测量,组成的光纤光栅传播网络拥有广泛的应用范围:封装完成的光纤光栅拥有非常高的灵敏度,大多数情况下应用于检测解调过程。

1.2.2 光纤光栅传感技术的发展

1978年,世界上第一支光纤光栅在加拿大渥太华通信研究中心诞,它的制作者是该研究中心的K.O.Hill等研究人员,他们也是首次从掺锗光纤中观察到了光子诱导光栅,并通过驻波写入的方式制得了这第一支光纤光栅。

1987年,和美国东哈特福德联合技术研究中心的其他研究人员进行了一系列测试实验,他们在实验中使用了高强度的紫外光源,用来创建清晰和易辨识的干涉条纹。在将光纤进行侧面横向曝光之后,他们在该光纤的纤芯中得到了相位光栅,这意味着光纤传感技术迈出了非常重要的一步。

1993年,依旧是K.O.Hill等研究人员,这一次他们提出了一项关键技术——相位掩膜技术。这一技术也利用了高强度的紫外光源,让光源透过相位掩膜板后的士1级衍射光,形成一段干涉光,并且使用这段干涉光曝光实验用的光纤,以便在光栅中写入纤芯折射率产生的周期性变化,这一技术可以帮助研究人员更容易制作光纤光栅。在同一年,Alkins等研究人员运用了一种新的工艺——低温高压氢扩散工艺,大幅改善了光纤的光敏特性,这一技术标志着光纤光栅的制作正式进入高产量、高质量时代。

1995年,3M和Innovative Fibers等公司采纳了市面上所有光纤光栅的关键技术,然后相继推出了多种光纤光栅传感产品。

1997年,Ciena等公司在光纤光栅大规模应用的基础上,开发了一款具有更高效率的系统——光纤光栅的波分复用系统。

2007年,世界上第一款应用了预封装结构的光纤光栅应变产品成功推出,并迅速应用于工业生产过程中,其制造者Micron Optics公司引领了又一个光纤光栅新时代。

经过最近几年的发展,光纤光栅传感技术已经成为工业监测的热门技术,其发展速度之快令人始料未及,并且其仍然具有远大的发展前途。令人欣喜的是,国内的多所高校在这一领域的研究都起步较早,进行了大量的研究工作,取得了非常多的研究成果。

1.3 国内外光纤光栅压力传感器的研究现状

1993年,裸光纤光栅压力特性由M.G.Xu等研究人员首次总结出来,并且发表了相关成果,他们的论文表明,光纤光栅具有非常好的应用前景,并且有可能会在超高压压力检测领域得到大量应用。他们的这项研究成果成为了光纤传感技术领域的一个新航标,这标志着光纤光栅在压力检测领域开始得到大规模的应用。

2000年,刘云奇等研究人员首次发现了光纤的压力敏感特,他们发现,如果将光纤分别封装在有机聚合物和敏化剂中,光纤的压力灵敏度分别达到了裸光纤的31.7倍和1723倍,光纤的灵敏度提高到了一个新的高度。由此他们得出了以下结论:通过使用某种封装技术,能够从不同程度上增强光纤光栅的压力灵敏度,对应的聚合物或者敏化剂也可以很好地防止光纤破损。

2004年,Hao-Jan Sheng等研究人员采用了半封装光栅的方法,使得光纤的灵敏度系数达到了裸光栅的10900倍。在同一年,胡曙阳等研究人员用圆筒式容器密封了光纤压力传感器。但是该传感器存在一个很大的缺陷——非常容易受到温度的影响,其敏感程度达到了裸光纤的40倍。

2006年,王俊杰等研究人员在正弦机构力放大理论的基础上,提出了一种基于平面圆形薄板的新型高灵敏度光纤光栅压力传感器。这一设计方案采用平面圆形薄板结构作为增敏元件,它的压力灵敏度系数达到了裸光栅的14990倍。

2012年,熊燕玲带领其他研究人员也设计了一种新型光纤光栅压力传感器。这一设计方案的增敏元件使用了直径为26086mm、厚度为0.6mm的平面膜片,其压力灵敏度系数达到了0.0023/MPa,并且光纤光栅反射光的中心波长具有相当高的线性度,达到了0.9720。

2014年,Vengal Rao Pachava等研究人员又提出了一种新型光纤光栅压力传感器,该传感器采用金属薄膜作为增敏结构,与裸光栅相比,其压力灵敏度系数提高了4个数量级。

可以看到在近些年,研究人员不断地制作出具有更高压力灵敏度系数的新产品,其封装工艺也越发成熟。然而不可避免的是,光栅光纤压力传感器依旧面临诸如应变温度交叉敏感性和温度补偿技术不足等困难,如何更好地攻克这些难题是今后光纤传感技术持续进步的重中之重,同时也是本次毕业设计研究的重要内容。

1.4 本文的主要工作

本文参考了四种不同的光纤压力传感器,他们都具有不同的增敏结构,然后综合比较了它们各自的优点和缺点,最终制定了一种将平面膜片作为增敏结构的光纤布拉格光栅压力传感器的方案,其压力灵敏度特性非常好,线性度和重复性也都已经达到工程化要求。本人的主要工作有:

1.对光纤传感技术的发展历程进行了一个总体的掌握,然后熟悉了国内外光纤光栅压力传感器的一些研究状态和成果,分析了光纤布拉格光栅传感器相比其他各种类型传感器拥有的领先之处,以及目前依旧存在并需要解决的问题;

2.对光纤布拉格光栅的光学性质作了一个总体的掌握,对光纤布拉格光栅的应变和温度传感原理进行了初步探究;

3.比较了四种光纤光栅压力传感器,它们各自具有不同的增敏结构,分析了它们各自的原理和优缺点,提出了一种将平面膜片作为增敏结构的光纤布拉格光栅压力传感器的方案,并介绍了其工作原理;

4.掌握了光纤在压力测量过程中由于外界环境的温度改变而出现的温度应变交叉敏感性,掌握了温度软补偿方法的运作机理,并设计了基于BP神经网络的温度解耦补偿算法;

5.根据计算结果和实际需求制作了将平面膜片作为增敏结构的光纤布拉格光栅压力传感器,并运用ANSYS对其进行了有限元分析,以模拟不同温度和压力下的承载能力,并完成了压力测试和温度测试,并且借助MATLAB里面的神经网络工具箱,编写了基于BP神经网络的温度解耦补偿算法,得出了温度补偿后的误差。

第2章 光纤光栅压力传感器概述

光纤布拉格光栅可同时完成信息传感和信号传输,具有很好的应用前景。本章主要对光纤布拉格光栅的基本光学性质进行了研究,同时也对比了各种压力传感器的结构及特点。

2.1 光纤光栅压力传感器简介

2.1.1 光纤布拉格光栅的光学特性

光纤布拉格光栅(FBG)是一类具有高灵敏度系数的光学传感器件。由于短波的紫外光子具备极强的能,所以当高强度的紫外激光在空间里发生变化时,高稳定度的氧化硅材料会被打破,光纤的结构被破坏,其产生的干涉光会将这种空间变化刻录在标准单模光纤的中心,并周期性地改变折射率并使其稍微增加,这样就能够形成一个具有波长选择镜面效应的光栅,其结构参考图2-1:

图2-1 光纤布拉格光栅结构图

从图2-1中可以看出,纤芯外部有保护层和包层,而光栅刻录在纤芯的内部,被保护得十分良好。正常情况下,光纤布拉格光栅具有长达500nm的栅距,已经完成写入的光栅可以在1~1500mm的区间内浮动。如今,光栅的写入技术已经非常先进,其中应用最多的写入方法为相位掩膜法(K.O.Hill等研究人员于1993年提出)。相位掩膜法的原理为:当入射光为高强度紫外激光时,让光源穿透过相位掩膜板后的士1级衍射光,形成一段干涉光,并用这段干涉光曝光这段光纤,以便在光栅中写入纤芯折射率产生的周期性变化。

光线在单模光纤中以特定方向向前行进,反射会发生在每个折射率出现细微改变的区域,大部分光线的波长会因为这种反射光的存在而出现相消干涉,但在特定的窄带波长范围内,光线不会出现破坏性相消干涉,反而能够出现有用干涉,这些干涉光会变成一段窄带光,其中心波长为,其带宽一般约为0.1~0.5nm。

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