【摘 要】
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液位传感是指在工作或静态条件下对液位的高度信息进行监测,与传统的液位监测方法相比,塑料光纤（POF）液位传感器具有抗电磁干扰、良好的电子绝缘性和远程操作等优点。然而,POF自身对液位变化灵敏度较低,光纤在传感过程中既受环境折射率的影响也受温度的影响,光纤传感器在使用过程中容易受到破坏,上述问题严重妨碍了光纤传感在液位测量方面的应用。因此,针对上述塑料光纤在液位传感领域应用的缺陷,本文运用光纤宏弯损
【基金项目】
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江西省双千计划-高端领军人才项目（jxsq2019201048）；
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液位传感是指在工作或静态条件下对液位的高度信息进行监测,与传统的液位监测方法相比,塑料光纤（POF）液位传感器具有抗电磁干扰、良好的电子绝缘性和远程操作等优点。然而,POF自身对液位变化灵敏度较低,光纤在传感过程中既受环境折射率的影响也受温度的影响,光纤传感器在使用过程中容易受到破坏,上述问题严重妨碍了光纤传感在液位测量方面的应用。因此,针对上述塑料光纤在液位传感领域应用的缺陷,本文运用光纤宏弯损耗和分段损耗原理设计并制备出两种不同类型的塑料光纤液位传感器,并对其进行了液位传感和温度传感特性检测。主要研究内容如下:（1）设计出一种新型圆角方形柱体（柱体表面预留有螺旋凹槽）,将光纤按预留的凹槽轨迹缠绕固定在柱体上,利用该方法制备出一种新型的光纤宏弯结构。对光纤直径（0.125 mm、0.5 mm和1 mm）、弯曲半径（1 mm、2 mm和3 mm）和缠绕间距（5 mm、7.5 mm和10 mm）进行参数优化选择。经过液位监测试验分析最终选择光纤直径为0.5 mm、弯曲半径为2 mm、间距为7.5 mm作为制备液位传感器的较优尺寸参数,根据该尺寸参数搭建了新型塑料光纤宏弯液位传感器试验平台。（2）设计出一种特定尺寸的PMMA基板（基板表面预留有半圆形凹槽）,用毛细钢管对光纤段进行管式保护封装,按预留的凹槽轨迹将封装好的光纤段同轴等距排列在基板上,利用该方法制备出一种新型的光纤宏弯结构。对光纤直径（0.125 mm、0.5 mm和1 mm）和光纤段排列间距（1 mm、1.5 mm和2 mm）进行参数优化选择。经过液位监测试验分析最终选择光纤直径为0.5 mm、排列间距为1 mm作为制备液位传感器的较优尺寸参数,根据该尺寸参数搭建了新型分段式光纤液位传感器试验平台。（3）针对本文所制备的两种类型的液位传感器,对它们的液位监测性能进行了分析试验,结果显示无论是液位上升还是液位下降,两者均具有较好的重复性,且试验结果的线性拟合度分别达0.992和0.994。其中,宏弯型塑料光纤液位传感器液位监测的灵敏度、分辨率和量程分别达到0.088 d B/mm、1.03 mm和82.5 mm,分段型塑料光纤液位传感器液位监测的灵敏度、分辨率和量程分别达到0.039 d B/mm、4.7 mm和188 mm。另外,分别对宏弯型液位传感和分段型液位传感器进行了温度传感试验,结果显示当温度在10～60℃范围内变化时,对两种类型传感器的液位监测性能影响较小,分别小于0.06 d B/℃和0.033d B/℃。（4）对比本文所制备的两种液位传感器,宏弯型塑料光纤液位传感器具有更高的灵敏度和分辨率,对液位变化更敏感,液位监测的精度更高,更加适用于较小范围内的液位变化监测,而分段型塑料光纤液位传感器具有更大的量程,可以监测更大范围的液位变化。因此两种类型的液位传感器都具有较好的液位监测性能,可以精准监测一定范围内的液位变化。
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