开腔结构光纤法珀液压传感器研究
发布时间：2020-12-23 14:54
液位及液压是石油化工、生物医药、蓄水供水、环境气象等诸多行业的重要监测参量,液位及液压测量的准确程度关乎这些行业的产量、品质以及生产、运输及存储过程的安全稳定。光纤传感器与传统电学传感器相比,绝缘性好,耐腐蚀,质量轻,体积小,便于组网及远距离检测,对易燃易爆等恶劣环境有良好的适应能力,在特殊环境下的液位及液压测量应用中占有重要的地位。由于液位测量可以通过测量液压并进行换算来实现,本文开展了光纤法珀液压传感器的开腔结构、温度稳定性及压力稳定性研究。本文的具体研究内容包括:1、构建光纤法珀液压传感器的基本模型,分析了传感器的力学及光学测量原理,研究了传感器测量精度的影响因素,包括不同压强及膜片尺寸范围下的膜片受力形变理论以及环境气压、法珀腔内气压和环境温度对法珀腔腔长的影响。2、针对传感器测量准确度的影响因素,分析改进光纤法珀液压传感器的结构和配套的封装体的结构的方法,提出设计并制作了具有开腔结构的光纤法珀液压传感器及其封装,随后根据制作的传感器的具体参数,仿真分析了开腔结构与封闭结构两种传感器的测量准确度。模拟分析证明开腔结构能有效降低传感器的温度灵敏度和气压灵敏度。3、搭建适用于开腔结...
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤法珀液压传感器基本结构
第2章光纤法珀液压传感器基本原理11然而实际应用中，液面上方基本不可能为真空环境，不论是密闭空间还是和外界联通的空间，液面上方均有气体存在，这部分气体的压强同样会通过液体传递到传感器的膜片上，导致传感器测量出现误差。这种由环境气体压力导致的误差将在2.3节及3.3节中进行分析。2.2.2膜片受力形变的力学模型2.1节已经提到，光纤法珀液压传感器主要由弹性膜片、支撑体以及光纤三部分组成，弹性膜片与支撑体通过无机焊料、激光或环氧胶进行固定。由于支撑体以及法珀微腔均为圆柱形结构，弹性膜片在微腔的一侧，未与支撑体接触的悬空部分可被看做圆形薄板，周围与支撑体外侧进行环形固定。弹性膜片外表面受到轴向的均匀压力载荷作用时将向法珀腔一侧弯曲，导致法珀腔腔长变化，进而使干涉光信号的光程差发生改变。因此弹性膜片受力形变的模型可以被简化为承受均匀分布的载荷的圆形薄板的轴对称弯曲问题，简化模型如图2-2所示，t，a，q，rM，rQ分别表示圆形薄板的厚度、半径、载荷、弯矩及剪力。图2-2承受均匀分布的载荷的圆形薄板的轴对称弯曲模型首先，从直径为2a的圆形薄板中心区域截取一块直径为2r的圆形区域作为隔离体来进行受力分析，以薄板弯曲的一般公式为基础推导承受均匀分布载荷的轴对称弯曲圆形薄板的挠度公式，进而获得受到均匀压力载荷作用时膜片中心处的形变量大校由薄板的小挠度弯曲理论[46]可知，在小挠度形变范围内，薄板弯曲的通用微
第2章光纤法珀液压传感器基本原理13板受到的均匀分布载荷q(r)有关，设()0qr=q时特解的表达式为：4kr=(2-7)代入式(2-3)可得：064qkD=(2-8)因此可得：4064qrD=(2-9)进而得到受到均匀分布载荷0q时圆形薄板的轴对称弯曲挠度方程为：4203464qrCrCD=++(2-10)同时可得圆形薄板的弯矩及剪力[46]为：223232211rrddMDdrrdrdddQDdrrdrrdr=+=+(2-11)接下来通过实际问题中的边界条件确定系数3C和4C的值。理论上，根据弹性力学知识求解圆形薄板的轴对称弯曲问题时，边界支撑条件有三种可能[47]，即自由、周边固支及周边简支三种，应用于光纤法珀液压传感器的具体结构时，自由边界条件明显不符，与实际结构较接近的是周边固支和周边简支两种边界条件，这两种边界条件的结构示意图如图2-3所示，下面将分别在这两种边界条件下分析系数3C和4C的具体值图2-3(a)固支边界条件(b)简支边界条件将弹性膜片与支撑体之间的固定结构近似为周边固支条件时，因为弹性膜片受到环形固定，所以均匀分布的载荷为0q时，在r=a的圆形位置上弹性膜片的挠度和曲率均为零，即有下式：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超声回波声压特性的外感式液位测量系统的设计[J]. 张亮,张彦军,张斌,彭晴晴,王利斌. 电子器件. 2018(05)
[2]关于液化石油气储罐伺服液位计计量误差分析[J]. 姜璐,王瑞,贺笑笑. 中国战略新兴产业. 2018(40)
[3]复合材料基片式光纤光栅传感器的制造与性能[J]. 高琳琳,王庆林,郭云力,叶慧,姜明顺,贾玉玺. 材料工程. 2018(09)
[4]浅谈石油和液体石油产品密度测定结果的不确定度评定[J]. 刘雪海. 中国石油和化工标准与质量. 2018(13)
[5]温度对浮力大小的影响[J]. 里城祺. 物理实验. 2018(06)
[6]低温浆体电容式液位计的优化及实验[J]. 李亦健,吴舒琴,金滔. 浙江大学学报(工学版). 2018(05)
[7]基于FPGA的高精度液体密度测量仪设计[J]. 崔永俊,李康康,杨卫鹏. 中国测试. 2018(01)
[8]干涉型光子晶体光纤陀螺技术研究[J]. 杨远洪,杨福铃,陆林,李慧,李帅. 光学学报. 2018(03)
[9]制药企业液位检测技术的选择[J]. 刘金萍,王谷洪,朱明辉,陈茂文. 机电信息. 2018(02)
[10]磁致伸缩液位计在焦化工程中的应用[J]. 卢红艳,杨真均,陈兵. 自动化与仪器仪表. 2017(S1)
硕士论文
[1]双布拉格光纤光栅液位及液体密度传感器的研究[D]. 杨美超.吉林大学 2017
本文编号：2933899
【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
光纤法珀液压传感器基本结构
第2章光纤法珀液压传感器基本原理11然而实际应用中，液面上方基本不可能为真空环境，不论是密闭空间还是和外界联通的空间，液面上方均有气体存在，这部分气体的压强同样会通过液体传递到传感器的膜片上，导致传感器测量出现误差。这种由环境气体压力导致的误差将在2.3节及3.3节中进行分析。2.2.2膜片受力形变的力学模型2.1节已经提到，光纤法珀液压传感器主要由弹性膜片、支撑体以及光纤三部分组成，弹性膜片与支撑体通过无机焊料、激光或环氧胶进行固定。由于支撑体以及法珀微腔均为圆柱形结构，弹性膜片在微腔的一侧，未与支撑体接触的悬空部分可被看做圆形薄板，周围与支撑体外侧进行环形固定。弹性膜片外表面受到轴向的均匀压力载荷作用时将向法珀腔一侧弯曲，导致法珀腔腔长变化，进而使干涉光信号的光程差发生改变。因此弹性膜片受力形变的模型可以被简化为承受均匀分布的载荷的圆形薄板的轴对称弯曲问题，简化模型如图2-2所示，t，a，q，rM，rQ分别表示圆形薄板的厚度、半径、载荷、弯矩及剪力。图2-2承受均匀分布的载荷的圆形薄板的轴对称弯曲模型首先，从直径为2a的圆形薄板中心区域截取一块直径为2r的圆形区域作为隔离体来进行受力分析，以薄板弯曲的一般公式为基础推导承受均匀分布载荷的轴对称弯曲圆形薄板的挠度公式，进而获得受到均匀压力载荷作用时膜片中心处的形变量大校由薄板的小挠度弯曲理论[46]可知，在小挠度形变范围内，薄板弯曲的通用微
第2章光纤法珀液压传感器基本原理13板受到的均匀分布载荷q(r)有关，设()0qr=q时特解的表达式为：4kr=(2-7)代入式(2-3)可得：064qkD=(2-8)因此可得：4064qrD=(2-9)进而得到受到均匀分布载荷0q时圆形薄板的轴对称弯曲挠度方程为：4203464qrCrCD=++(2-10)同时可得圆形薄板的弯矩及剪力[46]为：223232211rrddMDdrrdrdddQDdrrdrrdr=+=+(2-11)接下来通过实际问题中的边界条件确定系数3C和4C的值。理论上，根据弹性力学知识求解圆形薄板的轴对称弯曲问题时，边界支撑条件有三种可能[47]，即自由、周边固支及周边简支三种，应用于光纤法珀液压传感器的具体结构时，自由边界条件明显不符，与实际结构较接近的是周边固支和周边简支两种边界条件，这两种边界条件的结构示意图如图2-3所示，下面将分别在这两种边界条件下分析系数3C和4C的具体值图2-3(a)固支边界条件(b)简支边界条件将弹性膜片与支撑体之间的固定结构近似为周边固支条件时，因为弹性膜片受到环形固定，所以均匀分布的载荷为0q时，在r=a的圆形位置上弹性膜片的挠度和曲率均为零，即有下式：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于超声回波声压特性的外感式液位测量系统的设计[J]. 张亮,张彦军,张斌,彭晴晴,王利斌. 电子器件. 2018(05)
[2]关于液化石油气储罐伺服液位计计量误差分析[J]. 姜璐,王瑞,贺笑笑. 中国战略新兴产业. 2018(40)
[3]复合材料基片式光纤光栅传感器的制造与性能[J]. 高琳琳,王庆林,郭云力,叶慧,姜明顺,贾玉玺. 材料工程. 2018(09)
[4]浅谈石油和液体石油产品密度测定结果的不确定度评定[J]. 刘雪海. 中国石油和化工标准与质量. 2018(13)
[5]温度对浮力大小的影响[J]. 里城祺. 物理实验. 2018(06)
[6]低温浆体电容式液位计的优化及实验[J]. 李亦健,吴舒琴,金滔. 浙江大学学报(工学版). 2018(05)
[7]基于FPGA的高精度液体密度测量仪设计[J]. 崔永俊,李康康,杨卫鹏. 中国测试. 2018(01)
[8]干涉型光子晶体光纤陀螺技术研究[J]. 杨远洪,杨福铃,陆林,李慧,李帅. 光学学报. 2018(03)
[9]制药企业液位检测技术的选择[J]. 刘金萍,王谷洪,朱明辉,陈茂文. 机电信息. 2018(02)
[10]磁致伸缩液位计在焦化工程中的应用[J]. 卢红艳,杨真均,陈兵. 自动化与仪器仪表. 2017(S1)
硕士论文
[1]双布拉格光纤光栅液位及液体密度传感器的研究[D]. 杨美超.吉林大学 2017
本文编号：2933899
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