基于光纖的溶液濃度測(cè)量系統(tǒng)開題報(bào)告完整

1、中 北 大 學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：學(xué) 號(hào)：10051041學(xué) 院：信息與通信學(xué)院專 業(yè)：光電信息工程設(shè) 計(jì) 題 目：基于光纖的溶液濃度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師: 2014 年 3 月 16 日 (紀(jì)念已逝去的大學(xué)生活)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，撰寫2000字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述1.1 課題研究背景及意義濃度是表征介質(zhì)溶液特征的重要參量之一，對(duì)溶液濃度的測(cè)量與控制在造紙、化工、制糖、食品、制藥等行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，它是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)手段。有關(guān)測(cè)量濃度的方法有很多種，目前技術(shù)已經(jīng)比較成熟、并且得到應(yīng)用的方法有電

2、容法、光電法、超生光柵法、掠入射法等。 目前，在溶液的檢測(cè)方面，尤其是在線溶液濃度的檢測(cè)與控制方面還處于較落后的狀態(tài)，基于溶液濃度與折射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提出用折射率調(diào)制型光纖傳感器測(cè)量溶液的濃度的一種方法。光纖傳感技術(shù)是伴隨著光纖通信的發(fā)展而出現(xiàn)的一門嶄新的技術(shù)1。 在我們的現(xiàn)代生活中，對(duì)于濃度的測(cè)量的必要性日益凸顯。在造紙、化工、制糖、食品、制藥等行業(yè)有著重要的應(yīng)用，與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器有著耐腐蝕，抗電磁干擾，靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于濃度的測(cè)量更加實(shí)用和精準(zhǔn)，有著很好的市場(chǎng)前景和良好的發(fā)展趨勢(shì)。隨著時(shí)代的需要，在高電壓、大噪聲、高溫、強(qiáng)腐蝕性等很多特殊環(huán)境下進(jìn)行濃度測(cè)量，基于光纖測(cè)濃度更是

3、突顯它的優(yōu)勢(shì)2。 溶液濃度的測(cè)量雖然在生產(chǎn)生活中十分重要，在生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，成為保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術(shù)手段，但是現(xiàn)在的溶液濃度檢測(cè)手段還處于比較落后的狀態(tài)，是一個(gè)待開發(fā)的領(lǐng)域，尤其是在線溶液濃度的檢測(cè)與控制。本設(shè)計(jì)采用光纖傳感技術(shù)對(duì)濃度進(jìn)行檢測(cè)，主要研究的是溶液濃度與其對(duì)應(yīng)折射率關(guān)系。以光纖傳感器作為光電檢測(cè)元件的技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代,是隨著光纖及光通信技術(shù)進(jìn)步而發(fā)展起來(lái)的一種綜合光電子、計(jì)算機(jī)、軟件等多學(xué)科知識(shí)的先進(jìn)傳感測(cè)控技術(shù)。與其他一些傳感器相比，光不改變?nèi)芤盒再|(zhì)，為物理測(cè)量法。光纖作為光傳輸媒介光功率損耗小，傳感器整體除了耐腐蝕的棱鏡面外其他部分不與待測(cè)溶液

4、接觸，系統(tǒng)的組成穩(wěn)定、不易受到外界因素的影響。后續(xù)光電轉(zhuǎn)換方便，電信號(hào)易于測(cè)量。所以基于光纖液體折射率傳感器對(duì)溶液濃度的測(cè)量的方法有其研究的價(jià)值2。1.2 國(guó)內(nèi)外傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)以及材料科學(xué)等現(xiàn)代技術(shù)的飛速發(fā)展，使得綜合各種先進(jìn)技術(shù)的傳感技術(shù)進(jìn)入一個(gè)前所未有的發(fā)展階段。 向集成化發(fā)展。所謂集成化，就是在同一芯片上，將眾多同一類型的單個(gè)傳感器件集成為一維、二維或者三維陣列型傳感器，是傳感器的檢測(cè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)-線-面-體多維圖像化，甚至能加上時(shí)序控制等軟件，變單參數(shù)檢測(cè)為多參數(shù)檢測(cè)?；蛘咴谕恍酒?，將傳感器與測(cè)量電路等處理電路集成一體化，使傳

5、感器由單一信號(hào)轉(zhuǎn)換功能為兼有放大、運(yùn)算、補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。而高度集成化的傳感器，則是將兩者有機(jī)融合，以實(shí)現(xiàn)多信息與功能集成一體化的傳感器系統(tǒng)。 向微型化發(fā)展。微米、納米技術(shù)的問(wèn)世，微機(jī)械加工技術(shù)，特別是深層同步輻射X射線光刻、電鑄成型及注塑技術(shù)的出現(xiàn)，使三維工藝日趨完善，這為微型傳感器的研制創(chuàng)造了條件。大量體積小、重量輕（體積、重量?jī)H為傳統(tǒng)傳感器的幾十分之一甚至幾百分之一）、精度高、成本低的集成化傳感元件（一般為微米級(jí)）與微機(jī)結(jié)合，廣泛用于自動(dòng)生產(chǎn)線、數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人等自動(dòng)控制與檢測(cè)系統(tǒng)。 向數(shù)字化和智能化發(fā)展。所謂智能化傳感器是以專用微處理器控制的、具有雙向通信功能的傳感器系統(tǒng)。它不僅具有信號(hào)

6、檢測(cè)、轉(zhuǎn)換和處理功能，同時(shí)還具有存儲(chǔ)、記憶、自補(bǔ)償、自診斷等多種功能。智能式傳感器按構(gòu)成模式分類有分立模式和集成一體式兩種。組合一體化結(jié)構(gòu)傳感器把傳統(tǒng)的傳感器與其配套的調(diào)節(jié)電路、微處理器、輸出接口與顯示電路等模塊組裝在同一殼體內(nèi)，因而體積縮小、線路簡(jiǎn)化、結(jié)構(gòu)更緊密，可靠性和抗干擾能力大大提高。 向廣闊領(lǐng)域發(fā)展。以半導(dǎo)體敏感材料、功能陶瓷材料和有機(jī)敏感材料為代表的新型敏感材料應(yīng)用于傳感器，改變了以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)型傳感器為主的局面，大量物性型傳感器被采用成了主流。 向生物傳感器和仿生傳感器方向發(fā)展。利用化學(xué)效應(yīng)和生物學(xué)效應(yīng)開發(fā)的，可控應(yīng)用的化學(xué)傳感器和生物傳感器，在國(guó)內(nèi)外已初具規(guī)模。 向光纖傳感器發(fā)展。

7、高速、可靠、低損耗和載信息量大的光纖傳輸，沖擊了傳統(tǒng)的電信號(hào)和導(dǎo)線傳輸方式3。1.3 國(guó)內(nèi)外光纖傳感的研究現(xiàn)狀 目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)許多測(cè)量溶液濃度的技術(shù)，他們中的大部分都是以光為測(cè)量媒介而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。國(guó)外報(bào)道有：Hale 的用于檢測(cè)含糖液體的濃度的糖度計(jì)；Minato 提出用光纖來(lái)傳送光信號(hào)的透射式鹽度傳感器；Bergam et al.制作了可以檢測(cè)含鹽液體鹽度的敏感光纖探頭；Narayanan 設(shè)計(jì)出一套由激光和棱鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)測(cè)量含糖液體的糖度。還有其他許多的液體濃度檢測(cè)技術(shù)被研發(fā)進(jìn)和應(yīng)用，如觀察光通過(guò)液體的干涉條紋的變化來(lái)判斷液體濃度的變化、 判定溶液性質(zhì)的平面熒光技術(shù)、 超聲波測(cè)量

8、液體濃度技術(shù)等。國(guó)內(nèi)針對(duì)液體濃度的檢測(cè)方法早期的主要有：浮力法，重力法，靜壓法，折光法，同位素法，根據(jù)溶液導(dǎo)電性能檢測(cè)濃度的方法等。但這些技術(shù)局限性大，一般只能用于粗略的比對(duì)濃度差很大的待測(cè)溶液或者是所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)元器件昂貴、系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不能廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)生活。近幾年基于光纖傳感系統(tǒng)的液體濃度檢測(cè)被廣泛重視，并取得了一定成果2。 光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維和光纖通信技術(shù)發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感技術(shù)。光纖傳感器的傳感靈敏度要比傳統(tǒng)傳感器高許多倍，而且它可以在高電壓、大噪聲、高溫、強(qiáng)腐蝕性等很多特殊環(huán)境下正常工作，還可以與光纖遙感、遙測(cè)技術(shù)配合，形成光纖傳感系統(tǒng)和光纖遙測(cè)系統(tǒng)。光纖傳感技

9、術(shù)是許多經(jīng)濟(jì)、軍事強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相研究的高新技術(shù)，它可廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域和國(guó)防軍事領(lǐng)域。在航天（飛機(jī)及航天器各部位壓力測(cè)量、溫度測(cè)量、陀螺等）、航海（聲吶等）、石油開采（液面高度、流量測(cè)量、二相流中空隙度的測(cè)量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測(cè)量、電壓測(cè)量）、核工業(yè)（放射劑量測(cè)量、原子能發(fā)電站泄漏劑量監(jiān)測(cè)）、醫(yī)療（血液流速測(cè)量、血壓及心音測(cè)量）、科學(xué)研究（地球自轉(zhuǎn)、敏感蒙皮）等眾多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 光纖溫度傳感器可探測(cè)到2000的高溫，敏感度達(dá)1。普通型光纖溫度傳感器測(cè)溫范圍一般在-10-300，精度為1-3，響應(yīng)時(shí)間為2s。利用GaAs、CdTe、GaP等半導(dǎo)體材料的吸收端溫度變化制

10、成的光纖溫度傳感器可獲得0.5的測(cè)量精度。用于低溫范圍的光纖溫度傳感器，可測(cè)0.1甚至更小的溫度變化。 光纖振動(dòng)傳感器在20-200Hz時(shí)，可感知1um甚至0.1um的振幅。 一般的光纖位移傳感器測(cè)量范圍在0.05-0.12mm時(shí)，其分辨率為0.01mm。光纖微位移傳感器可測(cè)到8nm的微小位移，動(dòng)態(tài)范圍為110dB。 高靈敏度的光纖加速度傳感器已研制成功，靈敏度為510-10g（g為重力加速度），測(cè)量精度小于1ug。 光纖測(cè)距儀精度達(dá)0.1,最遠(yuǎn)測(cè)量距離達(dá)30m3。 參考文獻(xiàn)：1 張娜.光纖傳感器液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的研究D.山東大學(xué).20052 王穎.棱鏡型光纖液體折射率傳感器關(guān)鍵技術(shù)研究D.中

11、北大學(xué).20123 焦佳.強(qiáng)度調(diào)制性光纖傳感器液體濃度檢測(cè)系統(tǒng)的研究D.天津大學(xué).20084 劉德明，向清，黃德修.光纖光學(xué)M.北京：國(guó)防工業(yè)出版，1995.1025 呂文旭，陳堅(jiān).光纖化學(xué)傳感器在線監(jiān)測(cè)家兔體內(nèi)阿霉素血藥濃度J.藥學(xué)學(xué)報(bào), 2002,37(7):43-476 程湘，王宇華，龐振章等.光纖出射光強(qiáng)分布研究J.中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2006,17 (1)：21-247 Brian Culshaw .Optical Fiber Sensor Technlogies :Opportunities：Opportunities And Perhaps PitfallsJ.Jouranl of

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17、的主要問(wèn)題是： 1）對(duì)各種光源的優(yōu)缺點(diǎn)分析，選擇最為合適的光源； 2）根據(jù)光電探測(cè)器的特性參數(shù)，設(shè)計(jì)合適的光電轉(zhuǎn)換電路； 3）根據(jù)被測(cè)傳感物理量（液體濃度）、調(diào)制形式以及使用場(chǎng)合，選擇符合要求的光纖； 4）選擇對(duì)于光纖、光源及光電探測(cè)器的合適耦合連接方式。2.2 基于上述問(wèn)題擬采取的研究途徑： 傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、信號(hào)調(diào)節(jié)電路和輔助電源四部分組成,傳感器組成如圖1所示。信號(hào)調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換元件敏感元件 被測(cè)信號(hào) 輸出信號(hào)輔助電路 圖1 傳感器組成 1）光源的選擇：光源器件包括鎢絲白熾燈和鹵鎢燈，固體激光器，氣體激光器，半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD,也稱為半導(dǎo)體激光器）等

18、。決定光纖系統(tǒng)中的光源選擇有如下幾個(gè)條件：信號(hào)源的波長(zhǎng)必須位于所用光纖的傳輸窗口內(nèi)；功率應(yīng)足夠大，以跨越到達(dá)接收機(jī)所需要傳輸?shù)木嚯x，但是功率也不能過(guò)高，以免引起光纖中的非線性效應(yīng)或者使接收機(jī)過(guò)載；光源發(fā)射的波長(zhǎng)范圍不能太寬，因?yàn)楣饫w色散限制了傳輸速率；光源還必須能將光有效地耦合進(jìn)傳輸光纖中。 2）光電轉(zhuǎn)換電路：光電轉(zhuǎn)換電路屬于傳感器器組成部分的轉(zhuǎn)換元件和信號(hào)調(diào)節(jié)電路，實(shí)際上為光纖模擬接收機(jī)的前置放大器。它是一個(gè)低噪聲線性放大器，又是一個(gè)電流電壓變換器，要求有足夠的帶寬和一定的增益。光電探測(cè)器把微弱的光信號(hào)轉(zhuǎn)變成微弱的電流信號(hào)后要由前置放大器將其放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。 3)光纖：光纖屬于傳感器組成部分的敏感元件，光纖的選取是直接影響測(cè)量效果的關(guān)鍵之一。由于光纖傳感器種類繁多，性能各異，對(duì)光纖提出了各種各樣的要求。通過(guò)對(duì)各種調(diào)制光纖傳感器的測(cè)量物理量的不同，選擇適合的測(cè)量方式，例如非功能強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器，相位調(diào)制光纖傳感器，偏振調(diào)制光纖傳感器，分布式光纖等，來(lái)進(jìn)行參數(shù)和物理量的選擇，選擇適合的光纖。 4）對(duì)于光纖、光源及光電探測(cè)器的合適耦合連接方式：第一，光纖的光耦合是指如何將光源發(fā)出的光功率最大限度地輸送進(jìn)光纖