基于光纖的溶液濃度測量系統(tǒng)開題報告完整

1、中 北 大 學畢業(yè)設計開題報告學 生 姓 名：學 號：10051041學 院：信息與通信學院專 業(yè)：光電信息工程設 計 題 目：基于光纖的溶液濃度測量系統(tǒng)設計指導教師: 2014 年 3 月 16 日 (紀念已逝去的大學生活)畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告1結(jié)合畢業(yè)設計情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 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，對溶液濃度的測量與控制在造紙、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)量的重要技術手段。有關測量濃度的方法有很多種，目前技術已經(jīng)比較成熟、并且得到應用的方法有電

2、容法、光電法、超生光柵法、掠入射法等。 目前，在溶液的檢測方面，尤其是在線溶液濃度的檢測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應關系，提出用折射率調(diào)制型光纖傳感器測量溶液的濃度的一種方法。光纖傳感技術是伴隨著光纖通信的發(fā)展而出現(xiàn)的一門嶄新的技術1。 在我們的現(xiàn)代生活中，對于濃度的測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，對于濃度的測量更加實用和精準，有著很好的市場前景和良好的發(fā)展趨勢。隨著時代的需要，在高電壓、大噪聲、高溫、強腐蝕性等很多特殊環(huán)境下進行濃度測量，基于光纖測濃度更是

3、突顯它的優(yōu)勢2。 溶液濃度的測量雖然在生產(chǎn)生活中十分重要，在生產(chǎn)生活的各個領域有著廣泛應用，成為保證和提高產(chǎn)品質(zhì)量的重要技術手段，但是現(xiàn)在的溶液濃度檢測手段還處于比較落后的狀態(tài)，是一個待開發(fā)的領域，尤其是在線溶液濃度的檢測與控制。本設計采用光纖傳感技術對濃度進行檢測，主要研究的是溶液濃度與其對應折射率關系。以光纖傳感器作為光電檢測元件的技術起源于20世紀70年代,是隨著光纖及光通信技術進步而發(fā)展起來的一種綜合光電子、計算機、軟件等多學科知識的先進傳感測控技術。與其他一些傳感器相比，光不改變?nèi)芤盒再|(zhì)，為物理測量法。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，電信號易于測量。所以基于光纖液體折射率傳感器對溶液濃度的測量的方法有其研究的價值2。1.2 國內(nèi)外傳感技術的發(fā)展趨勢 隨著大規(guī)模集成電路技術、微型計算機技術、信息處理技術以及材料科學等現(xiàn)代技術的飛速發(fā)展，使得綜合各種先進技術的傳感技術進入一個前所未有的發(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，是傳感器的檢測參數(shù)實現(xiàn)點-線-面-體多維圖像化，甚至能加上時序控制等軟件，變單參數(shù)檢測為多參數(shù)檢測。或者在同一芯片上，將傳感器與測量電路等處理電路集成一體化，使傳

5、感器由單一信號轉(zhuǎn)換功能為兼有放大、運算、補償?shù)榷喾N功能。而高度集成化的傳感器，則是將兩者有機融合，以實現(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、納米技術的問世，微機械加工技術，特別是深層同步輻射X射線光刻、電鑄成型及注塑技術的出現(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、重量僅為傳統(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）與微機結(jié)合，廣泛用于自動生產(chǎn)線、數(shù)控機床和機器人等自動控制與檢測系統(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

6、檢測、轉(zhuǎn)換和處理功能，同時還具有存儲、記憶、自補償、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。 向廣闊領域發(fā)展。以半導體敏感材料、功能陶瓷材料和有機敏感材料為代表的新型敏感材料應用于傳感器，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。利用化學效應和生物學效應開發(fā)的，可控應用的化學傳感器和生物傳感器，在國內(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)的電信號和導線傳輸方式3。1.3 國內(nèi)外光纖傳感的研究現(xiàn)狀 目前為止，已經(jīng)出現(xiàn)許多測量溶液濃度的技術，他們中的大部分都是以光為測量媒介而進行設計的。國外報道有：Hale 的用于檢測含糖液體的濃度的糖度計；Minato 提出用光纖來傳送光信號的透射式鹽度傳感器；Bergam et al.制作了可以檢測含鹽液體鹽度的敏感光纖探頭；Narayanan 設計出一套由激光和棱鏡組成的光學系統(tǒng)來測量含糖液體的糖度。還有其他許多的液體濃度檢測技術被研發(fā)進和應用，如觀察光通過液體的干涉條紋的變化來判斷液體濃度的變化、 判定溶液性質(zhì)的平面熒光技術、 超聲波測量

8、液體濃度技術等。國內(nèi)針對液體濃度的檢測方法早期的主要有：浮力法，重力法，靜壓法，折光法，同位素法，根據(jù)溶液導電性能檢測濃度的方法等。但這些技術局限性大，一般只能用于粗略的比對濃度差很大的待測溶液或者是所設計的檢測系統(tǒng)元器件昂貴、系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不能廣泛的應用于生產(chǎn)生活。近幾年基于光纖傳感系統(tǒng)的液體濃度檢測被廣泛重視，并取得了一定成果2。 光纖傳感技術是伴隨著光導纖維和光纖通信技術發(fā)展而形成的一門嶄新的傳感技術。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、遙測技術配合，形成光纖傳感系統(tǒng)和光纖遙測系統(tǒng)。光纖傳感技

9、術是許多經(jīng)濟、軍事強國爭相研究的高新技術，它可廣泛應用于國民經(jīng)濟的各個領域和國防軍事領域。在航天（飛機及航天器各部位壓力測量、溫度測量、陀螺等）、航海（聲吶等）、石油開采（液面高度、流量測量、二相流中空隙度的測量）、電力傳輸（高壓輸電網(wǎng)的電流測量、電壓測量）、核工業(yè)（放射劑量測量、原子能發(fā)電站泄漏劑量監(jiān)測）、醫(yī)療（血液流速測量、血壓及心音測量）、科學研究（地球自轉(zhuǎn)、敏感蒙皮）等眾多領域都得到了廣泛的應用。 光纖溫度傳感器可探測到2000的高溫，敏感度達1。普通型光纖溫度傳感器測溫范圍一般在-10-300，精度為1-3，響應時間為2s。利用GaAs、CdTe、GaP等半導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的測量精度。用于低溫范圍的光纖溫度傳感器，可測0.1甚至更小的溫度變化。 光纖振動傳感器在20-200Hz時，可感知1um甚至0.1um的振幅。 一般的光纖位移傳感器測量范圍在0.05-0.12mm時，其分辨率為0.01mm。光纖微位移傳感器可測到8nm的微小位移，動態(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），測量精度小于1ug。 光纖測距儀精度達0.1,最遠測量距離達30m3。 參考文獻：1 張娜.光纖傳感器液體濃度檢測系統(tǒng)的研究D.山東大學.20052 王穎.棱鏡型光纖液體折射率傳感器關鍵技術研究D.中

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

12、 Lightwave Technology, 2004,22(1):39-508 Jan Rayss,Grzegorz Sudolski.Ion adsorption in the Porous sol-gel silica layer In the fibre optic pH sensorJ.Sensor and Actuator,2002,87(B)：397-405 9 George M.Hale,Marvin R.Querry.Optical Constants of Water in the 200-nm to 200-um Wavelength RegionJ.Applied Op

13、tics,1973,12(3):555-56310 TL Bergman,FP Incropera,WH Stevenson.Miniature fiber-optic refractometer for measurement of salinity in double-diffusive thermohaline systemsJ.Rev.Sci.Instrum.,1985,56(2):291-29611 T.Konishi,S.Naka,A.Ito,et al.transient two-dimensional fuel concentration measurement techniq

14、ueJ.Appl.Opt.,1997,36(33):8815-881912 T.A.Wilson,W.F.Reed,Low-Cost.Inerferometric differential RefractometerJ.Am.J.Phys.,1993,61(11):1046-114813 Jun C X,Zhang K,et al.Fiber optic brag grating sensor based on hydrogels for measuring salinityJ.Sensors and Actuators B:Chemical ,2002,87 (3):487-49014 趙凱

15、華，鐘錫華.光學M.北京：北京大學出版社，2002.1015 高淑琴，里佐威，孫昕等.低折射率液芯光纖喇曼光譜的實驗研究J.激光技術2000（1）：26-3316 楊炳成，譚峰，陳令新等.一種以發(fā)光二極管為激發(fā)光源的熒光檢測器J.分析測試學報.2003.22（3）：22-2417 陳代書，沈先云.光纖液體濃度儀及其應用J.光纖光纜傳輸技術學報.1991. 3: 21-2318 金曉丹，廖艷彪.強度調(diào)制型光纖傳感器的光電補償技術J.光學學報.1996.16 (7):1002-1005 19 江宇.強度調(diào)制光纖傳感器數(shù)值模擬與仿真D.哈爾濱工程大學.200320 歐國榮，陳翔，馬新華等.光纖傳感檢

16、測水中氰化物的研制J.中國公共衛(wèi)生, 2003,19(1):83-84 21 李炳炎.光纖通信技術M.山東:人民郵電出版社,1979.9822 王玉田，鄭龍江，侯培國等.光電子學與光纖傳感技術M.北京：國防工業(yè)出版， 2003.218-22423 何立民.單片機中級教程原理與應用M.北京：北京航空航天大學出版社，199924 胡衛(wèi)生,曾慶濟.自聚焦棒透鏡準直系統(tǒng)的裝配誤差引起的附加耦合損耗分析J. 中國激光，1999,26(3)：221-224 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）：2.1 需要解決的問題： 在對設計內(nèi)容深刻理解的基礎上，本研究要解決

17、的主要問題是： 1）對各種光源的優(yōu)缺點分析，選擇最為合適的光源； 2）根據(jù)光電探測器的特性參數(shù)，設計合適的光電轉(zhuǎn)換電路； 3）根據(jù)被測傳感物理量（液體濃度）、調(diào)制形式以及使用場合，選擇符合要求的光纖； 4）選擇對于光纖、光源及光電探測器的合適耦合連接方式。2.2 基于上述問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。信號調(diào)節(jié)電路轉(zhuǎn)換元件敏感元件 被測信號 輸出信號輔助電路 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，半導體發(fā)光二極管（LED）和激光二極管（LD,也稱為半導體激光器）等

18、。決定光纖系統(tǒng)中的光源選擇有如下幾個條件：信號源的波長必須位于所用光纖的傳輸窗口內(nèi)；功率應足夠大，以跨越到達接收機所需要傳輸?shù)木嚯x，但是功率也不能過高，以免引起光纖中的非線性效應或者使接收機過載；光源發(fā)射的波長范圍不能太寬，因為光纖色散限制了傳輸速率；光源還必須能將光有效地耦合進傳輸光纖中。 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)換元件和信號調(diào)節(jié)電路，實際上為光纖模擬接收機的前置放大器。它是一個低噪聲線性放大器，又是一個電流電壓變換器，要求有足夠的帶寬和一定的增益。光電探測器把微弱的光信號轉(zhuǎn)變成微弱的電流信號后要由前置放大器將其放大并轉(zhuǎn)換成電壓信號。 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量效果的關鍵之一。由于光纖傳感器種類繁多，性能各異，對光纖提出了各種各樣的要求。通過對各種調(diào)制光纖傳感器的測量物理量的不同，選擇適合的測量方式，例如非功能強度調(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，來進行參數(shù)和物理量的選擇，選擇適合的光纖。 4）對于光纖、光源及光電探測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光纖