裝配圖薄膜諧振式液位高度測量用頻率計(jì)的設(shè)計(jì)與制作(論文+DWG圖紙+外文翻譯+文獻(xiàn)綜述+開題報(bào)告)
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使用了光纖光柵技術(shù)的光學(xué)水位傳感器
基于光纖光柵( FBG )技術(shù)我們開發(fā)了一種光學(xué)高精度水位傳感器。該傳感器可用于測量河流,湖泊和污水處理系統(tǒng)的水位。傳感頭由一個(gè)膜片,一個(gè)特制的彈簧管和兩個(gè)光纖光柵組成, 一個(gè)用于張力測量另外一個(gè)用于溫度補(bǔ)償。光纖光柵貼在彈簧管上，由于水位的上升，來自光纖光柵的發(fā)射光，使中心波長改變。通過波長檢測設(shè)備檢測中心波長，波長檢測設(shè)備由一個(gè)調(diào)諧F-P濾波器組成。我們實(shí)現(xiàn)了傳感器精度為±0.1%即為±1CM，水位測量范圍為10m。幾個(gè)傳感頭可以通過一個(gè)光纖串聯(lián)在一起。用一塊波長訊問設(shè)備可以同時(shí)測量不同的水位。
1簡介：
河川管理員具有非常重要的責(zé)任,是維護(hù)其河設(shè)施和監(jiān)測流域狀況。由于河川設(shè)施是沿著河流域分散的，管理員要定期檢查這些設(shè)施。這一工作是非?；ㄙM(fèi)員工的時(shí)間和體力的。此外, 很難對這些設(shè)施進(jìn)行抽查,以確定其結(jié)構(gòu)完整性,在發(fā)生自然災(zāi)害 ,如洪水沖刷,地震干擾。從這個(gè)角度出發(fā)，日本政府沿著其河川流域建立了光纖網(wǎng)絡(luò)。利用這種光纖網(wǎng)絡(luò)近日有效地研制光纖傳感器和傳感系統(tǒng), 而適用于流域防洪設(shè)施的安全管理。
光纖傳感器及其系統(tǒng),有以下的優(yōu)點(diǎn)：
1. 低傳輸損耗使光纖遙感超過幾十公里。
2. 實(shí)時(shí)監(jiān)控是通過傳感頭連接在一起，測量設(shè)備直接使用光纖。
3. 傳感頭為全光通信無源器件,不需要進(jìn)行電力供應(yīng)，傳感器頭已裝入。
4. 由于是不受電磁干擾的一個(gè)光學(xué)傳感器, 它不遭受觸電有害影響的,如發(fā)生了雷擊。水位傳感是一個(gè)河川最關(guān)鍵的問題,無論是河流管理者和附近居住的立足點(diǎn)都是一個(gè)流域設(shè)施的維修以及預(yù)防自然災(zāi)害。
我們已開發(fā)出光學(xué)水位傳感器利用光纖光柵(FBG),擁有的優(yōu)勢比上述更多。在本文中,我們詳細(xì)闡述了光纖光柵作為應(yīng)變傳感器, 水位傳感應(yīng)用的業(yè)績,獲得了實(shí)用領(lǐng)域。
2光纖光柵技術(shù)及傳感應(yīng)用 ：
2.1 光纖光柵的原理
FBG是一個(gè)沿著給定長度光纖的折射率的調(diào)制解調(diào)器。圖1所示光柵的結(jié)構(gòu)示意圖，由于耦合關(guān)系向前和向后傳播方式, 特定波長的光前其折射率取決于調(diào)制周期，反映在光柵位置上。入射光反射時(shí)它的波長等于布拉格光柵波長 ,定義為下式：
= 2Λ……………………………………………………（1）
—是有芯模有效折射率 ，Λ—是光柵周期。其他波長的光傳送通過FBG及下一個(gè)光纖光柵的照射 。因此，他是一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳感在一個(gè)串聯(lián)的光纖光柵上。各自有不同的反射波長。光譜的反射光來自光柵，可實(shí)現(xiàn)對應(yīng)力和溫度的分別測量，布拉格波長的變化量和應(yīng)變和溫度的關(guān)系。
........................（2）
其中是有效的光彈性系數(shù)，ε是應(yīng)變，ξ是熱光系數(shù) ，是溫度的變化量。使用普通的單模光纖通信 ，他的有效光彈性系數(shù)是0.22 ,靈敏度在應(yīng)用軸向應(yīng)變和溫度補(bǔ)償1.2分/微應(yīng)變和10分/℃ 分別在1.55微米波長范圍內(nèi)。
2.2 光纖光柵的制作
圖2顯示了光纖光柵的制作工藝， 我們使用了聚酰亞胺涂層光纖的光纖光柵作為應(yīng)變傳感器 ，在邊界上覆蓋涂層不讓其滑動(dòng)，使外部應(yīng)變正確地轉(zhuǎn)移到光柵上。用來制造光纖光柵的光纖用經(jīng)過紫外線的照射處理。提前寫光柵，聚酰亞胺涂層光纖受到一摻氫處理，為了獲得足夠的光致折射率變化量，摻氫過程是在紫外線照射之前完成。聚酰亞胺涂層,部分外用一種化學(xué)溶劑溶蝕。KrF準(zhǔn)分子激光器的輸出波長為248nm，隨著縱向掃描通過相位掩膜法fbg刻在光纖核心區(qū)域。底片感應(yīng)折射率調(diào)制沿著光纖，即趾剖面可以控制的可編程掃描速度的激光束。我們采用高斯切趾法,以抑制分辨損失的反射光譜 。之后寫光柵，加聚酰亞胺涂層是為了保護(hù)剝離部分。最后,光纖與光纖光柵受到高溫( 300℃)熱處理30分鐘，為確保長期穩(wěn)定。
3光學(xué)水位傳感器用光纖光柵
3.1 結(jié)構(gòu)光學(xué)水位傳感器
圖5和圖6分別顯示了光學(xué)水位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖和原理圖，傳感器是一個(gè)壓力轉(zhuǎn)換元件。傳感頭由一個(gè)膜片,一個(gè)特制的彈簧管和兩個(gè)光纖光柵組成, 一個(gè)光柵是用于張力測量，另一個(gè)光柵用于溫度補(bǔ)償。這一水位傳感器用于測量水壓和水位的比例，水壓傳送到內(nèi)部有硅油的彈簧管。這是彈簧管將油壓轉(zhuǎn)換為彈簧管尖的張力，然后利用玻璃管的高彈性將油壓轉(zhuǎn)換為管部頂端的張力并且擴(kuò)張到 FBG，即在頂端和底部串成一串。因此,光纖光柵是拉伸比例隨水位上升。 光纖光柵是有輕微的預(yù)拉伸初期,為使測量水位直線下降,最低水平 布拉格波長隨溫度的變化而變化，也和石英玻璃的遮光系數(shù)有關(guān)。補(bǔ)償?shù)臏囟纫蕾囆? 另一種是光柵串聯(lián)與光柵傳感頭拉伸測量。傳感器在安裝溫度補(bǔ)償?shù)墓饫w光柵是在不受任何壓力（如水壓力）的基礎(chǔ)上的。內(nèi)在波長漂移比例的水位變化的計(jì)算:
這里是貼在彈簧管上的光纖光山的波長，其中包含溫度的動(dòng)蕩，是測量過溫度補(bǔ)償了的光纖光柵的波長，K是光纖光柵的溫度系數(shù)，將這個(gè)值置1來校準(zhǔn)光纖光柵設(shè)備。
氣壓傳感器的平衡情況與外部大氣壓力的空氣感應(yīng)水管, 內(nèi)部含有光纖的電纜有關(guān)。
3.2光學(xué)水位傳感器的測量結(jié)果
圖7顯示來自光纖光柵傳感器測量系統(tǒng)反射光的探測波長。寬帶光來自ASE光源發(fā)射的光經(jīng)過FBG反射后經(jīng)由三個(gè)循環(huán)點(diǎn)返回的光。通過另一個(gè)循環(huán)點(diǎn)走向F-P濾波器作為光譜儀器。其他波長的光通過光纖光柵,并傳遞到下一個(gè)光纖光柵, 不同波長的光反射也不同。因此，通過將光纖光柵串聯(lián)，一個(gè)光纖傳感器就可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量水位，這主要是由光纖光柵反射不同波長。 光纖使用幾個(gè)光學(xué)開關(guān)開關(guān)，該系統(tǒng)可連接多傳感器獲得的測量結(jié)果采用單一波長訪問設(shè)備。
終端用戶的F-P可調(diào)諧濾波器是700個(gè),是傳輸帶寬的一半,最高接近0.1 nm, 而用波長范圍是1530至1570 nm左右。調(diào)諧濾波器正在驅(qū)動(dòng)壓電換能器, 50赫茲三角波電壓掃描距離已廣泛應(yīng)用于F-P濾波器標(biāo)準(zhǔn)。
為改善波長準(zhǔn)確性,我們采用了溫控光柵作為參考, 這表明有固定波長低于±1時(shí)波動(dòng) ，而這些數(shù)據(jù)是平均值的10倍以上,以減少隨機(jī)噪聲。結(jié)果如圖8所示。當(dāng)平均超過10倍,波長波動(dòng)可以抑制小于5pm。我們設(shè)計(jì)的最大應(yīng)變適用于在10米的水壓，F(xiàn)BG拉伸測量0.3%左右。它相當(dāng)于一個(gè)3.6 nm的中心波長的光纖光柵。為了核實(shí)準(zhǔn)確的水位測量,我們測量了波長漂移的10倍。運(yùn)用偽水壓力傳感器膜片空氣穩(wěn)壓器，圖9顯示應(yīng)用壓力表測量壓力和應(yīng)用光纖光柵傳感器測量波長的對應(yīng)關(guān)系。結(jié)果表明, 水壓力有良好的線性關(guān)系，且每個(gè)測量點(diǎn)的誤差小于3 pm/cmH2O，我們衡量在0 , 20和40℃,這些特定的溫度范圍內(nèi)這種傳感器的特性。結(jié)果如圖10所示，縱坐標(biāo)表示水位測量的誤差計(jì)算所得的線性擬合線，測量結(jié)果依賴于壓力和波長兩者的變化。在每個(gè)溫度條件下,其誤差為每點(diǎn)不到±1cm。
我們證實(shí)了這種傳感器的重復(fù)性和耐久性，適用于測量水位在0到3米反復(fù)變化。圖11的結(jié)果顯示，即使在100倍的壓力下，測量結(jié)果也接近真實(shí)值，測量誤差在±1cm以內(nèi)。我們觀察了傳感器因溫度波動(dòng)或金屬疲勞要素導(dǎo)致結(jié)果的漂移和蠕變。
3.3光學(xué)水位傳感器在河川中的實(shí)用性能
從1999年8月至2001年3月我們在Kakehashi河流和Kanazawa工作辦公室內(nèi)進(jìn)行了傳感器系統(tǒng)的實(shí)地測試。通過這次實(shí)地測試我們證實(shí)了傳感器和測量設(shè)備的穩(wěn)定性。他們操作超過一年半河流水位測量精度達(dá)到±1cm,無致命的系統(tǒng)誤差。接下來,我們安裝了這一系統(tǒng)配有三個(gè)傳感器,在Uono和aburuma河, shinanogawa工作辦公室, hokuriku區(qū)域發(fā)展于2001年11月。系統(tǒng)圖及水位測量的結(jié)果顯示,分別如圖12和圖13所示： 測量的同時(shí)，利用傳統(tǒng)的電熱水位儀表進(jìn)行測量，二者安裝在同一個(gè)測量點(diǎn)。兩種類型的傳感器水位測量數(shù)據(jù)大致是相符的，二者的不同的是光學(xué)水位傳感器的測量誤差小于±1cm。
通過實(shí)地測量我們證實(shí)了光學(xué)水位傳感器在液位測量上的優(yōu)勢，而且它可以遠(yuǎn)程和實(shí)時(shí)監(jiān)控，在傳感點(diǎn)上不需要電源供電。
結(jié)論
們開發(fā)的這種全光學(xué)的水位傳感器，其測量精度具有±0.1%，水位測量范圍為10m。
目前已經(jīng)在很多位置建立這種傳感器系統(tǒng)，如河川流域、湖泊和污水處理系統(tǒng),在那里持續(xù)工作,用來測量其實(shí)際水位。
傳感器技術(shù)
到目前為止，我們考慮到電磁輻射的自然特性，其來源和作用是物體和材料之間的接觸。據(jù)指出，感覺到的大部分的輻射或放射目標(biāo)，通過空氣直到它由傳感器監(jiān)測。傳感器的組成和它的運(yùn)行是重要的學(xué)科范圍。它涉及的太多了以至于不能用一種方法講解。雖然如此，一些基本的概要在這能得到闡述。傳感器技術(shù)全面整體回顧。由日本的遙感協(xié)會(huì)開發(fā)，而且在互聯(lián)網(wǎng)上找到這個(gè)鏡象站點(diǎn)。一些傳感器的有用的連接和它的應(yīng)用在這個(gè)叫做的NASA的地方包括了。我們指出許多讀者現(xiàn)在使用復(fù)雜的傳感器，這些傳感器使用的是下述的技術(shù)：數(shù)碼相機(jī)；更多是在這頁底部的常用的傳感器。
很多遙感器都被設(shè)計(jì)來測量光子。傳感器運(yùn)行的潛在的基本原則主要集中在一個(gè)重要的元件上即探測器。這就是光電效應(yīng)的概念(是愛因斯坦首先詳細(xì)地解釋了，并且贏得了他的諾貝爾獎(jiǎng)。他的發(fā)現(xiàn)是，在光子物理學(xué)發(fā)展上的關(guān)鍵性的一步。這點(diǎn)簡單得說, 當(dāng)一些適當(dāng)?shù)墓饷舨牧弦粔K服從光子射線時(shí)將有負(fù)電子的放射。電子可能在板材中流動(dòng), 被收集,然后算作是信號。一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)是：產(chǎn)生的電流的幅度(單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生光電的數(shù)量)與光強(qiáng)度成一定比例。因此，電流的變化可以用來測量光子的變化(數(shù)量；強(qiáng)度)，光子在指定的間隔時(shí)間觸擊扳子。被發(fā)布的光電子的動(dòng)能隨沖擊輻射的頻率(或波長)而變化 。但是, 不同的材料接受光電效應(yīng)釋放的電子有不同的波長間隔時(shí)間；每個(gè)都有一個(gè)現(xiàn)象開始的門限波長并且有它停止的一個(gè)更長的波長?，F(xiàn)在，有了建立在多數(shù)遙感器的操作的基礎(chǔ)上的原則，讓我們總結(jié)傳感器類型(典型)幾種主要想法在這兩張圖上：一是幾組傳感器的一種功能處理, 被作為三角圖, 壁角成員由主要參量的測量來確定；光譜；空間；強(qiáng)度。從這張宏偉的名單,我們 將集中討論光學(xué)機(jī)械電子。
輻射計(jì)和掃描器，在別處把照相機(jī)影片系統(tǒng)和主動(dòng)雷達(dá)留為考慮,主題是在講解和熱量系統(tǒng)的描述對一個(gè)最小值(見第9部分的進(jìn)一步處理)。上面的小組包括我們主要考慮及早在這個(gè)部分的地球物理的傳感器。傳感器 (能量導(dǎo)致輻射被接受來自一個(gè)外部來源，即太陽) 和積極得(能量引起了從傳感器系統(tǒng)內(nèi)部, 放光向外, 并且分?jǐn)?shù)返回被測量)。傳感器可能是非想象的(測量輻射被接受從所有點(diǎn)在感覺的目標(biāo),報(bào)告結(jié)果作為電子信號強(qiáng)度或某一其它定量屬性, 譬如發(fā)光)或想象；因?yàn)樵谀繕?biāo)輻射與具體點(diǎn)有關(guān),，最終結(jié)果是影象[圖片]或光柵顯示[如同平行線{地平線} 在電視屏幕。
輻射計(jì)是一個(gè)一般用為定量地測量EM 輻射在EM 光譜的在某一間隔時(shí)間的一種儀器。當(dāng)輻射是從狹窄的光譜帶且包括可看見光，光度計(jì)可能被替代。如果傳感器包括一個(gè)組分，譬如棱鏡或衍射濾柵,可能打破輻射延伸在光譜分離波長和驅(qū)散(或分離)它們的部份在不同的角度對探測器,這稱分光儀。一種類型的分光儀 (被用在實(shí)驗(yàn)室為化工分析)通過多種波長輻射到一個(gè)裂縫再生產(chǎn)裂縫依照被排行在各種各樣的間距在影片板材的一個(gè)分散的媒介。很多空氣/空間傳感器都是光譜聲音儀。
能瞬間地測量輻射立即來自整個(gè)場面的傳感器叫做構(gòu)筑的系統(tǒng)，眼睛，照相機(jī)和電視光導(dǎo)攝象管屬于這個(gè)小組。被構(gòu)筑場面的大小由定義視野的開口和光學(xué)系統(tǒng),或FOV確定。如果場面是點(diǎn)由點(diǎn)感覺的 (等效與小范圍在內(nèi))在有限計(jì)時(shí)連續(xù)線之內(nèi)，這個(gè)測量方式組成掃描系統(tǒng)。多數(shù)非照相機(jī)傳感器掃描操作從移動(dòng)的平臺圖象場面開始。行動(dòng)的進(jìn)一步下來分支, 想象傳感器的光學(xué)設(shè)定為可能是圖象飛機(jī)或光學(xué)飛機(jī)聚焦(取決于光子光芒) 依照被顯示聚合的地方, 在這個(gè)例證中能看出來。
在這個(gè)分類的其它屬性是傳感器經(jīng)營在非掃描或掃描方式的地方。這是可能有幾個(gè)意思相當(dāng)棘手的對期限掃描暗示行動(dòng)橫跨場面的，在間隔時(shí)間并且非掃描提到傳感器被修理在現(xiàn)場或目標(biāo)利益照原樣感覺在非常片刻內(nèi)。影片照相機(jī)被剛性地拿著是非掃描的設(shè)備, 當(dāng)快門被打開奪取光幾乎是瞬間的描設(shè), 然后關(guān)閉。但當(dāng)照相機(jī)并且/或者目標(biāo)可能是靜態(tài)的(不移動(dòng))但是傳感器清掃橫跨感覺的場面, 可能掃描因?yàn)閭鞲衅鞅辉O(shè)計(jì)使它的探測器系統(tǒng)地行動(dòng)既使他們推進(jìn)橫跨目標(biāo)。這是您也許栓了入您的計(jì)算機(jī)的掃描器的情況。這里它的平板車平臺(圖片被安置) 的框和玻璃表面被留在原地；掃描可能被執(zhí)行通過投入了圖片或紙文件在一轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓上(兩個(gè)方向:圓圈和在鼓軸方向的轉(zhuǎn)移) ,在掃描照明上是一條固定的射線?；蛘?另外兩個(gè)相關(guān)的例子：攝像機(jī)包含光擊中那光子的敏感表面而產(chǎn)生電子被去除在連續(xù)的光導(dǎo)攝象管(線每英尺是電視性能)能有措施被固定或可能旋轉(zhuǎn)對打掃在場面(自身空間掃描操作)的英寸并且可能及時(shí)掃描當(dāng)它繼續(xù)監(jiān)測場面的時(shí)候。一個(gè)數(shù)字相機(jī)包括有包含被釋放他們的光子導(dǎo)致的電子在連續(xù)的轉(zhuǎn)變成變化的電壓信號的X-Y 一些探測器。放電的發(fā)生是由系統(tǒng)地掃描探測器引起的。相機(jī)本身能被固定或移動(dòng)。所有這要義(在某種程度上明顯) 是, 期限掃描可能向整個(gè)傳感器的運(yùn)動(dòng)被申請和, 在它的更加共同的意思,對一個(gè)或更多組分在檢測系統(tǒng)或移動(dòng)輕的匯聚, 場面觀察用具或光或輻射探測器逐個(gè)讀導(dǎo)致信號的過程。多數(shù)掃描器兩個(gè)寬廣的類別由期限"光學(xué)機(jī)械"和"光學(xué)電子"定義, 由區(qū)別參加掃描場面和后者由有感覺的輻射移動(dòng)直接地通過光學(xué)線性或列陣探測器。
另一個(gè)屬性遙感傳感器,而不是表現(xiàn)在分類 涉及到模式中的那些遵循一些向前發(fā)展的軌道(簡稱為軌道或航道) 搜集他們的資料。這樣做,據(jù)說能監(jiān)測道路通過在區(qū)域道路的對面；這就是帶寬。遙感探測器陣列通常小于整個(gè)場面的帶寬,這比整個(gè)場面帶寬通常狹窄的光被通過外徑，包含天文望遠(yuǎn)鏡全視場角 (普通望遠(yuǎn)鏡)。
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