摘 要

本次毕业设计的研究目标是设计出基于光纤传感的大型油罐液位传感器。在油罐这种特殊环境下，传统的直接测量方式已经不再适用，目前对主流液面高度测量采用的是各种自动化测量仪表。而实际工程的液面高度不容易直接测量出，常运用不同种类的传感器对液位的相关物理量进行间接的测量。本论文在对现有的液位传感器的基础上，利用光纤光栅的性质，设计了一种基于光纤光栅的液位测量仪器。其工作原理为液压推动金属薄膜发生形变，带动连接的光纤光栅发生轴向应变，引起FBG中心波长的漂移，通过解调光栅波长就可以实现对液位的测量。

设计完成了液位传感器结构设计和显示部分的设计。

论文设计的传感器具有体积小、结构简单、量程大和精度高等优点，适用于大型油罐的液位检测。

关键词：油罐液位测量；光纤光栅；解调与显示

Abstract

The purpose of this graduation project is to design a large tank level sensor based on optical fiber sensing. Under the special environment of oil tank, the traditional direct measuring method is no longer applicable. At present, all kinds of automatic measuring instruments are adopted for the mainstream liquid level height measurement. However, it is not easy to directly measure the height of liquid level in practical engineering. Different kinds of sensors are often used to indirectly measure the relative physical quantity of liquid level. Based on the existing liquid level sensor, a liquid level measuring instrument based on fiber Bragg grating is designed in this paper. Its working principle for the hydraulic driving metal film deformation, extrusion encapsulates the sensitization of organic polymer fiber Bragg grating, axial strain in the grating, cause the drift of the FBG wavelength, wavelength can be achieved through demodulation grating for liquid level measurement.

The structure design and display design of liquid level sensor are completed.

The sensor designed in this paper has the advantages of small volume, simple structure, large measuring range and high precision, and is suitable for liquid level detection of large oil tank.

Key Words：oil tank level measurement; Fiber grating; Demodulation and display

目录

第一章 绪论 7

1.1论文研究意义 7

1.2 国内外对光纤光栅的研究现状 7

1.3 设计的基本内容和方案 8

第二章 传感器基本原理 10

2.1 光纤光栅的传感原理 10

2.2液位测量的原理 11

2.3 光纤光栅液位传感器的基本结构 12

第三章 传感器结构设计 15

3.1 光纤Bragg光栅(FBG)的选用 15

3.2 机械结构的设计 16

3.2.1压力传感机构的设计 16

3.2.2 外壳的设计 18

3.3精度确定 19

3.4 传感器的封装与安装 20

3.5 温度的影响和补偿 22

第四章 信号解调与显示 24

4.1 解调方案选择 24

4.1.1边缘滤波器解调法的原理 24

4.1.2 基于长周期光纤光栅滤波器的解调 26

4.2信号处理电路 28

4.2.1 光源选用 28

4.2.2光电转化部分选用 29

4.2.3 除法器电路的设计 30

4.2.4差分放大电路的设计 30

4.3 显示部分设计 32

4.3.1硬件电路设计 32

4.3.2 软件的设计 34

4.3.3 仿真与实物 34

第五章 结论 36

5.1总结 36

5.2 展望 36

参考文献 38

附录A 39

致谢 45

第一章 绪论

1.1论文研究意义

自从世界迈入工业时代以来，石油能源一直承担着重要的作用，而石油的存储和运输是石油的工业的一个重点，本次课题着眼于对油罐的液面高度检测进行相关传感器的设计。国家石油储备^[1]，（National oil reserve/State Oil Reserve），是21世纪后，中国政府提出的一个的重要战略储备项目之一。而国家石油储备是在政府的支持下，进行对国际原油进行买入储存，具有巨大的战略意义。而这个项目的核心就是原油的存储与运输。油罐作为原油的储存容器，需要对其内部的油量进行测量和控制。常见的储油罐按照结构可以分为立式油罐，球形式和卧式^[2]。本论文的选择方案是基于立式油罐来设计的。

本次设计的主要方向是对液位的测量。在实际的应用中常常需要对江河，石油田或者容器内的液位进行测量，高效快速测量和记录液位十分重要。传统的直接测量方式已经过时，目前对主流液面高度测量采用的是各种自动化测量仪表，而实际工程的液面高度不容易直接测量出，常运用不同种类的传感器对液位的相关物理量进行间接的测量。国内外对液面测量设计的趋势向着自动化、非接触式测量、微型化的方向发展^[3]。

国内外对液面的测量的主要的测量方法包括：浮子式液位测量、超声波液位测量、激光液位测量、雷达液位测量、核辐射式液位测量、光纤液位测量等。同时一些利用新的检测原理构成的微型液位测量仪器也得到大量的应用^[2]。

在技术快速发展的今天，随着光纤的制造、材料的技术发展，光纤能够用于液面高度测量，传统的光纤液位测量采用的光纤液位测量系统有成本低廉的遮光光纤传感器，压力传感式传感器，还有液面反射光纤传感器。而在众多发展迅速的光纤材料中，人们把眼光放在了快速发展的光纤光栅上。所以通过以光线光栅为基础的油罐液位传感器有很好的发展基础和前景，值得进一步的深入研究。

1.2 国内外对光纤光栅的研究现状

相对于众多的光纤器件，在上个世纪80年代出现的光纤光栅自出现以来便受到了国内外众多学者的研究。相对于众多的光纤器件，光纤光栅测量的仪器使用波长编码来传递信号，而不是用幅值变化传递信号。这样对光纤连接器和耦合器、光纤弯曲、光源不稳定等因素不需要做出补偿。具有很好的研究前景和应用前景。

1. 建筑工程上的运用：光纤光栅作为传感器，目前最广泛的应用于建筑结构的检测，常用检测于隧道，桥梁，住房，山体结构等建筑结构上的内部健康情况。相对于传统的应变仪有着更多的优势。
2. 化工工业的运用：化工工业具有的环境的特殊性，以前的传统电气测量方式具有局限性，在不适合出现电气结构的地方，光纤光栅作为无源器件成了很好的检测手段。
3. 航空航天上的应用：在航天器上，测量传感器有很多，那么因为它结构的复杂和庞大，对检测仪器提出了很高的要求。而光纤光栅传感器结构简单、体积小。很适合作为航天器上的传感测量元件^[5]。
4. 电力工业的应用：多数的大型电器设备都处于强电磁环境中，普通的电气检测仪器会受到这些强电磁场的干扰。因为电力系统的故障造成的损失非常巨大，比如20世纪初的美加电网故障，造成了百亿美元的损失。光纤光栅作为传感元件不会受到这些强磁场的影响，在电力工业也有非常高的应用前景

于是本次设计就是以光纤光栅光栅为基础，依靠对液体高度不同产生的压力不同进而影响光纤光栅的反射波长达成高度测量的目的。光纤布拉格光栅制作出的液压传感器具有精度高、量程大、体积小、现场不带电和易于组网等独特优势，再通过控制系统能够实现对油量的监管和控制。

1.3 设计的基本内容和方案

本次课题的内容是基于光纤传感的大型油罐液位传感器的设计。

设计目标是以光纤传感器为基础设计出一个可以用于大型油罐的液位传感器对油罐内油量的检测系统。出于安全性考虑，该传感器在油罐内的部分不应有过多的电气结构，而由于大型油罐的体积问题，液面高度的精度对油罐油量的影响很大，本次设计的量程要求为20m，精度要求为20mm，于是设计的传感器应具有精度高，量程大，环境适应性好的特点。

根据要求本次设计的重点为以下几点：

1.如何利用光纤布拉格光栅实现对液位的测量。

2.如何设计传感器的结构使得传感器的量程和精度达到设计的要求。

3.怎样进行光纤光栅传感器的制作和安装。

4.对该传感器的实际情况进行方案的合理性改进。

针对本次设计的任务和目标，本人以光纤光栅为基础，设计出测量液体压力的应变传感器并通过解调与显示电路使传感器能反映出液面的高度达到对储油罐油量检测的功能。其具体的设计结构是采用金属薄膜作为弹性元件用以传递压力，带动与其连接的光纤光栅发生轴向应变。通过受力分析的方法对传感器压力传递机构和光纤光栅轴向受力进行了模型参数的设计，计算了光纤光栅轴向应变与压力间关系，根据设计参数为传感器材料选取提供依据，也决定了传感器的安装方式。本文共分为五章，每一章的安排如下列所示：

第一章讲述了本次设计研究的目的和意义，光纤传感器国际国内发展现状，还有设计基本内容和要求。

第二章讨论的是本次设计的光纤光栅传感器的基本原理和传感器结构。

第三章是传感器结构的具体设计以及相关的制作还有安装方法。

第四章完成了传感器解调部分和显示部分的选用和设计。

第五章是总结与展望。

第二章 传感器基本原理

2.1 光纤光栅的传感原理

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种基于光纤的元器件。随着研究的不断深入，光纤光栅测量系统在土木工程如山体滑坡，桥梁，楼房这种复杂难以直接测量的位置与结构中的表现高于其他测量系统。

其中的光纤布拉格光栅是光纤光栅中最有代表性的一种。如果所求的物理量能够引起光纤的有效折射率或光栅周期变化，这样对反射或投射的光纤光栅输出波长的调制，就可以通过对波长的测定实现对被测物理量的测量。这是光纤布拉格光栅的传感原理。下面是相关的公式：

（2.1）

式中，是光纤芯区的有效折射率，为反射峰值中心波长，光纤光栅周期。

光纤布拉格光栅的结构如下图 2.1所示。

图2.1光纤布拉格光栅结构

光纤光栅在受到温度，应变影响的时候，它产生反射或者折射的光的中心波长会产生相应的移动与变化。这样就可以对影响这两大因素的物理量如压力、位移、扭矩、形变等物理量进行检测。其中应变影响光栅的伸缩与弹光效应，温度引起光栅的热膨胀效应和热光效应。这就是光纤光栅传感测量的基本原理。

对于下列公式2.2为中心反射波长受应变与温度影响的关系式

（2.2）

其中 为光纤光栅的自由波长， 是光纤的弹光系数，为光纤的热膨胀系数，为光纤沿轴向的应变量。

光纤布拉格光栅作为温度和应变测量的敏感元件一个重要的特点就是可以实现无电气测量。监测现场可以没有电气设备，十分适合油罐内这种不允许有直接暴露的电路的环境。另一个优势是传递的是光学量，不会受到电磁干扰这种物理影响因素的影响^[5]。

本次的毕业设计需要测定的是光纤光栅的应变量，那么对温度影响因素的消除也是我们需要考虑的方向。

2.2液位测量的原理

液位的测量在不同的条件下有不同的方案。对于本次的油罐内液位的高度不好直接检测，于是选用间接测量的方法对液位高度进行测定。

利用光纤光栅的性质进行间接的测量是我们本次设计采用的方案。从目前国内外的研究这类液位测量的情况来看，测量物理量的不同造成了方案选择的不同。光纤液位传感器的优秀之处在于其安全性和不受电学信号影响的特性，特别适合于对温度、电气要求较高的危险场合如储油罐内部。

对于具有密闭性质的油罐，对其内部液面高度不好直接的反映出，而利用液体内部高度的不同，液体的压力不同这一性质对液压这一参数进行测量可以间接的反映出液面的高度。下面是液体内压强与液位的关系

（2.3）

假设压力与反射波峰值中心波长移动的灵敏度为,，设定液面高度与反射峰值中心波长移动的灵敏度为,那么可以得到压力灵敏度和液位灵敏度的关系为

, (2.4)

其中为液体密度，g为当地重力常数（取9.8N/m）,h为该液体的深度，在我设计的要求中量程为20m，油的密度取10#柴油密度则经计算20m处的液体压强为166600Pa即0.1666MPa。即加载到传感器结构上的最大压强为0.1666Mpa。当液体压力加载到传感器结构之后引起光纤光栅的轴向应变。通过对光纤光栅的轴向应变的测量可以推知液位高度的信息。

2.3 光纤光栅液位传感器的基本结构

在适用于油罐的液位传感器设计过程中，需要考虑到传感器要能够满足被测量量程与精度的要求即量程达到20m，精度达到20mm的要求；于是我们提出了一种利用圆形薄片进行增敏传感的圆柱体结构。

整个结构原理图如图2.2所示，结构的最外侧是用金属制成的金属外壳。右侧为进油口，进油口处附带的有过滤网，过滤网可以有效滤出油中杂质，防止对后续结构的机械性能产生影响。液压直接加载到金属薄膜上，这时的压力沿着轴线方向。此时的压力造成了圆形薄片底部出现了扰度变形，扰度的产生带动下方的光纤光栅发生轴向的应变，这种应变的产生导致了FBG反射峰值中心波长发生移动，然后通过解调与显示就能得到我们需要的液位数据。这样的设计使光纤光栅不用直接与液体接触造成腐蚀。 图2.2 传感器的结构原理

图2.3 传感器切面结构

其工作原理用流程图可以表示为

图2.4 传感器机械结构测量原理

而整个传感器的工作总流程如下图所示

图2.5 传感器工作的总流程

第三章 传感器结构设计

3.1 光纤Bragg光栅(FBG)的选用

光纤光栅的制备一直是光纤光栅相关技术发展过程中不可缺失的一个重要的组成部分。经过三十多年来的发展，现在的光纤光栅的制备技术已经较为完善。制作出的光纤光栅能够满足实际应用的需要^[6]。

光纤光栅的制备原理：采用合适的光源，利用光纤光折变效应在光纤上写入光栅。光折变效应是指激光通过光纤时。光纤的折射率将随光强的空间分布发生相应的变化，这种折射率变化呈现周期性分布。折射率的这种变化被写在了光纤上形成了光纤光栅。

光纤光栅的制备可以分为两个大类，即内部写入法和外部写入法。内部写入法主要为驻波法，其原理是利用菲涅尔反射。这种驻波法制成光栅的方法复杂且低效，现在已经不常见了^[7]。

图3.1 驻波法制备光纤光栅

由于内部写入法成栅效率的低下，现在多采用更为成熟的相位掩模法。

相位掩膜法原理是：当激光束打在相位模板上时，激光束经过相位掩模调制发生衍射形成一个具有周期性、半个相位栅栅距的干涉场。从而在掩模板之后的光敏光纤上形成节距为半个相位栅栅距的光纤布拉格光栅。

最终我们选用的的光纤光栅的中心波长为1550.081nm，峰值反射率为90%以上，带宽为0.2nm。选用的光纤为掺Ge光纤，它的有效弹光系数=0.22。

图3.2 相位掩膜法制备光栅

3.2 机械结构的设计

3.2.1压力传感机构的设计

金属膜片与金属圆筒形成的压力传感结构。

图3.3 压力传感结构

该结构是由弹性金属膜片和金属圆筒组成的圆柱体结构，上方的金属膜片受到压力之后其底面中心发生位移，引起粘贴在圆柱筒中心轴线上的光纤光栅发生形变。这时对金属膜片的底面中心进行分析。该金属膜片受到均匀液体施加的压力和光纤光栅对其的作用力

图3.4 圆形膜片受力情况

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