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基于FBG的冰层厚度检测与冰水的温敏特性的研究

作　者: 薛珍丽
导　师: 李川
学　校: 昆明理工大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 光纤Bragg光栅螺旋体连接式波长移位冰水温度管式温敏特性
分类号: P332.8
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

对江河、湖泊、海洋、冰川、水库等冰层厚度及冰层的生消变化过程实现连续自动化检测就是对冰水温度分布的实时在线监测,而冰情检测问题一直是国内外多个领域迫切希望解决的问题,而这些冰情的检测环境往往是在荒郊野外、荒山野岭、交通不便利、供电较困难以及恶劣气候环境等不利的条件下进行。目前我国对冰下水位、冰层厚度的检测大多采用人工凿洞测量的方法或是钻冰后仪器测量的方法进行,数据记录报送方式依然采用的是传统的方式,这样的测量方式不仅工作效率差、数据准确度低、数据传输速度慢并且工作环境也比较不好,工作安全相对存在隐患。国内外目前对冰情情况的检测方法基本可以归纳为三种：人工测量检测法、仪器测量检测法、雷达测量检测法。人工测量检测法是完全依靠观测人员的眼睛和经验或是依靠一些简陋的设备进行检测,可适用于任何水域,但是准确度低,检测基准也因检测人员的不同而不一致。仪器测量检测法是依靠仪器和工具,人工手动操作和读数据,可适用于高纬度的水域,却不能确保在一个监测点自动连续监测,不能得到冰生消过程中的监测数据。雷达测量检测法是依靠飞机、舰船、卫星来构建检测平台,携带雷达检测设备来对冰情进行遥感测量,可适用于大范围水域概况检测但不能检测小区域的状况,并且成本投入大。本文利用冰水温度的差异,实用温度检测来实现冰层厚度的检测,检测装置中采用光纤Bragg光栅作为传感元件,设计连接式螺旋体结构式光纤Bragg光栅温度传感器,带外螺纹的采用U型管和带内螺纹直通管连接而成。可根据U型管和直通管之间的角度来调整螺旋距离(各个直通管之间的距离)。也可采用可塑性好的材料一体成型,由于材料的可塑性强可一根据测量的精度需要调整螺旋体结构,改变测点之间的距离。置于被测水域可以实时在线监测被测水域纵向温度分布及冰水温度,可以检测到完整的冰生消过程中温度变化数据的自动连续获取,且根据冰层与水体层温度的变点可得到冰层厚度范围,此光纤Bragg光栅温度传感器可适用于任何水域。主要研究内容如下：(1)设计了一个用光纤Bragg光栅作为传感单元,采用管式封装的,可以用于冰情温度检测的光纤Bragg光栅温度传感线阵。(2)根据传感器检测的对象和光纤Bragg光栅的特性,设计了连接式的螺旋体结构,采用连接式螺旋体结构可以根据需要方便调整各个测点之间的距离,选择了导热性能较好的紫铜管作为制作螺旋体的结构的材料。(3)传感线阵的实际尺寸,直通管长120mm,两端内纹长度为12mm,U型管半径为30mm,两端的外纹长度为120mm。其中选择的管子的外径为3mm,内径为1.8mm,壁厚为0.6mm。根据实际试验实际情况和实验条件,本设计实验由于实验条件的限制实际加工使用的是封装7支光纤Bragg光栅来构成传感线阵。(4)通过测试对比试验计算出传感线阵的各个监测点的温度传感器的灵敏度均达到了10pm/℃;线性度误差和重复性误差也较小,并且迟滞也不大。(5)试验结果分析：在此项检测中得到了较为准确的冰层厚度,检测到的冰层厚度和钢尺检测到的厚度基本一致,测量误差大小主要有测点之间的距离大小来决定,误差的范围处于[0,d/2],其中d为各个测点之间的间距,水层温度分布基本成线性随着深度增加而降低,但在冰下水层随着深度的增加温度增加,单最大不大于4℃。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-20
  1.1 引言  10
  1.2 冰情状况检测技术发展的国内外现状  10-12
  1.3 目前的冰情情况测量方法  12-18
    1.3.1 人工测量法  12-14
    1.3.2 仪器测量法  14-17
    1.3.3 雷法测量法  17-18
  1.4 小结  18-20
第二章检测装置温度传感线阵的设计  20-26
  2.1 引言  20
  2.2 光纤Bragg光栅温度传感原理  20-22
    2.2.1 光纤Bragg光栅传感模型  20-21
    2.2.2 光纤Bragg光栅测温数学模型  21-22
  2.3 光纤Bragg光栅传感器结构设计  22-23
  2.4 线阵测量工作原理  23-24
  2.5 小结  24-26
第三章在线温度传感线阵的实现  26-38
  3.1 引言  26
  3.2 测量模型的材料选择及封装要求  26-30
    3.2.1 封装材料的选择  26-27
    3.2.2 粘贴剂的选择  27-30
  3.3 传感器的零件加工  30-32
    3.3.1 直通管的加工  30-31
    3.3.2 U型管的加工  31-32
  3.4 传感器线阵的组装图  32-35
    3.4.1 螺旋体的组装图  32-33
    3.4.2 光纤Bragg光栅的封装  33-34
    3.4.3 光纤的熔接和保护  34-35
  3.5 实时监测的实现  35-36
    3.5.1 监测软件功能  35-36
  3.6 小结  36-38
第四章测试及实验结果分析  38-58
  4.1 引言  38
  4.2 测试平台的设计  38-41
  4.3 测试结果分析  41-56
  4.4 小结  56-58
第五章实验测试与数据分析  58-66
  5.1 引言  58
  5.2 水中的单点实验及数据分析  58
  5.3 水中的多点实验及数据分析  58-61
  5.4 冰生消过程中的单点实验及数据分析  61-62
  5.5 冰消的过程中的多点实验及数据分析  62-64
  5.6 小结  64-66
第六章总结与展望  66-68
  6.1 总结  66
  6.2 展望  66-68
致谢  68-70
参考文献  70-74
附录A 攻读硕士学位期间取得的成果  74

基于FBG的冰层厚度检测与冰水的温敏特性的研究

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