摘 要

本文借助光纤检测技术设计出适用于舰船环境油水分界面测量的设计方案。油水混合物中由于又和谁的比重不同，油会浮在容器上部，水会沉淀在容器下部。需要进行油水分离的时候就必须清楚油水分界面的位置，为了对油水分界面的位置进行实时监控和控制，就需要测量系统能满足在线测量的要求。由于传统的测量系统在精度或者在线测量方面都存在一定的缺点。本课题就根据已经研究出的测量方案或者技术进行研究、改进。

论文主要研究了从油水界面需要测量开始时出现的测量系统，对他们的应用、原理方面都进行了细致的分析和研究。对光纤传感技术的光纤结构和传感原理进行了详尽的剖析。从舰船测量环境起步，概述了基于光纤传感技术的油水分界面的测量系统组成和运行步骤。分析测量方案可能存在的误差并提出排除误差的方法。

研究结果表明：文中的油水分界面测量方案具有一定的可行性。

本文的特色：综合其他几个油水分界面检测技术设计方案，从中提出由光纤传感探头和步进电机相结合的油水分界面测量方案。

关键词：油水界面；光纤传感；光纤；步进电机

Abstract

In this paper, the design scheme of oil and water interface measurement for ship environment is designed by means of optical fiber detection technology. Oil and water mixture because of who and the proportion of different, the oil will float in the upper part of the container, the water will precipitate in the lower part of the container. The need for oil and water separation time must be clear the location of oil and water interface, in order to oil and water interface position for real-time monitoring and control, you need to measure the system to meet the requirements of online measurement. As the traditional measurement system in the accuracy or on-line measurement there are some shortcomings. This topic is based on the research program or technology has been developed to study and improve.

The paper mainly studies the measurement system which appears from the beginning of the measurement of the oil - water interface, and makes a detailed analysis and research on their application and principle. The fiber optic sensing technology of fiber structure and sensing principle of a detailed analysis. Starting from the ship measurement environment, the paper summarizes the composition and operation steps of the measurement system of oil and water interface based on optical fiber sensing technology. Analyze the possible errors of the measurement scheme and propose ways to eliminate the error.

The results show that the measurement scheme of steady oil - water interface has a certain feasibility.

The characteristics of this paper: the synthesis of several other oil and water interface detection technology design program, from which the proposed fiber optic sensor probe and stepper motor combination of oil and water interface measurement program.

Key Words: oil-water interface; optical fiber sensing; optical fiber; stepper motor

第1章 绪论 - 5 -

1.1研究目的及意义 - 5 -

1.2国内外研究现状 - 6 -

1.3主要研究内容 - 7 -

第2章已有的液位测量技术 - 9 -

2.1浮子式 - 9 -

2.1.1浮子式液位测量技术 - 9 -

2.1.2浮子式液位测量原理及应用 - 9 -

2.2超声波/雷达式 - 9 -

2.2.1超声波/雷达液位测量技术 - 9 -

2.2.2超声波/雷达液位测量原理及应用 - 9 -

2.3差压式 - 10 -

2.3.1差压式液位测量技术 - 10 -

2.3.2差压式液位测量原理及应用 - 10 -

2.4电容式 - 11 -

2.4.1电容式液位测量技术 - 11 -

2.4.2电容式液位测量原理及应用 - 11 -

2.5磁致伸缩 - 12 -

2.5.1磁致伸缩液位测量技术 - 12 -

2.5.2磁致伸缩液位测量原理及应用 - 12 -

第3章光纤传感技术 - 14 -

3.1光纤结构及参数 - 14 -

3.2光纤传光原理 - 15 -

3.3光纤的损耗 - 15 -

3.4光纤的色散 - 16 -

3.5现存的光纤传感测量技术 - 16 -

3.5.1光纤垂直端面反射检测技术 - 16 -

3.5.2光纤垂直端面反射检测技术分析 - 17 -

第4章基于光纤传感原理的油水分界面测量技术 - 18 -

4.1舰船环境 - 18 -

4.2设计的测量方案 - 18 -

4.2.1步进电机 - 18 -

4.2.2光纤探头 - 19 -

4.2.3测量系统 - 19 -

4.3误差分析 - 21 -

4.3.1系统误差 - 21 -

4.3.2随机误差 - 21 -

第5章结论与展望 - 21 -

5.1总结 - 22 -

5.2展望 - 22 -

参考文献 - 22 -

致 谢 - 24 -

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

在油品中，都或多或少存在一定量的水分。由于油和水的比重不同，油会在上层，水会沉降在下层就形成了油-水分界面。在各行各业中，油水分界面液位位置是生产、管理和春运的重要参数指标。特别是油罐或者油舱底部含有水会影响油的品质、油品数量的准确计量，甚至会因为油品含水量的不准确会造成重大的安全问题。目前国内虽有检测油水分界面的一起出现，但是相关技术不是太成熟，因此仪器的精确度和市场造价都不尽如人意，有待进一步加强研究。

液位测量主要对油品的液位、体积和重量等参数进行直接或者间接测量。早起的测量大多使用机械原理测量，近年来随着电子技术的发展，逐步向机电一体化方向靠拢，并且发展了很多新的测量技术，在传统原理中也渗透了电子技术或微机应用技术，结构上和功能上都有了很大的提高。但是目前我国的测量技术还是比较落后，测量的方法存在比较多的问题和弊端，有的虽然使用了自动化的测量技术，但是精度方面有待考量；若从国外进口相关测量仪器，则花费方面比较高。因此研究出适合我国国情的测量技术则显得十分有必要。光纤液位测量是今年来出现的一种新技术，目前国内外有不少的相关产品问世。从已经公开的测量传感器来看，其所采用的具体方法各不相同。这类测量仪表具有体积小、重量轻、安装方便等优点。适用于大多数测量环境，并且误差小于1mm^[1]，这种新型测量技术更加精确、经济，仪器趋于小型、智能、一体化。就此而言，需要研究出一种能快速、准确反映油水分界面位置的检测技术，同时还要具有性价比高的优点，满足市场对油品的油水分界面检测技术的诉求。就需要从光纤传感这方面着手设计满足要求的测量方案。

1.2国内外研究现状

油水分界面的测量目前应用较多的是利用油层和水层的密度差进行测定，常用的有超声波测量、差压式、浮体式及油份检测等技术手段^[2]。这些方法在实际应用时都具有一定的缺陷：比如有些方法的一起提及较大，安装比较困难就不适合在复杂的环境条件下进行测量；有些不能在油水处于低谷的时候进行测量，比如浮球式，它就不能实时的反映当前的油水分界面的位置。