基于光纤的溶液浓度测量系统开题报告完整

基于光纤的溶液浓度测量系统开题报告完整中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：学 号：10051041学 院：信息与通信学院专 业：光电信息工程设 计 题 目:基于光纤的溶液浓度测量系统设计指导教师： 2014 年 3 月 16 日 (纪念已逝去的大学生活）毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况,根据所查阅的文献资料,撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述1。1 课题研究背景及意义浓度是表征介质溶液特征的重要参量之一，对溶液浓度的测量与控制在造纸、化工、制糖、食品、制药等行业中有着广泛的应用，它是保证产品质量和提高产品质量的重要技术手段.有关测量浓度的方法有很多种，目前技术已经比较成熟、并且得到应用的方法有电容法、光电法、超生光栅法、掠入射法等。 目前,在溶液的检测方面，尤其是在线溶液浓度的检测与控制方面还处于较落后的状态,基于溶液浓度与折射率的对应关系，提出用折射率调制型光纤传感器测量溶液的浓度的一种方法。光纤传感技术是伴随着光纤通信的发展而出现的一门崭新的技术1。 在我们的现代生活中,对于浓度的测量的必要性日益凸显.在造纸、化工、制糖、食品、制药等行业有着重要的应用，与传统传感器相比，光纤传感器有着耐腐蚀，抗电磁干扰，灵敏度高等优点,对于浓度的测量更加实用和精准,有着很好的市场前景和良好的发展趋势。随着时代的需要，在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下进行浓度测量，基于光纤测浓度更是突显它的优势2。 溶液浓度的测量虽然在生产生活中十分重要，在生产生活的各个领域有着广泛应用，成为保证和提高产品质量的重要技术手段，但是现在的溶液浓度检测手段还处于比较落后的状态，是一个待开发的领域，尤其是在线溶液浓度的检测与控制。本设计采用光纤传感技术对浓度进行检测，主要研究的是溶液浓度与其对应折射率关系。以光纤传感器作为光电检测元件的技术起源于20世纪70年代,是随着光纤及光通信技术进步而发展起来的一种综合光电子、计算机、软件等多学科知识的先进传感测控技术。与其他一些传感器相比，光不改变溶液性质，为物理测量法。光纤作为光传输媒介光功率损耗小，传感器整体除了耐腐蚀的棱镜面外其他部分不与待测溶液接触，系统的组成稳定、不易受到外界因素的影响.后续光电转换方便，电信号易于测量。所以基于光纤液体折射率传感器对溶液浓度的测量的方法有其研究的价值2。1.2 国内外传感技术的发展趋势 随着大规模集成电路技术、微型计算机技术、信息处理技术以及材料科学等现代技术的飞速发展,使得综合各种先进技术的传感技术进入一个前所未有的发展阶段。 向集成化发展。所谓集成化，就是在同一芯片上,将众多同一类型的单个传感器件集成为一维、二维或者三维阵列型传感器，是传感器的检测参数实现点-线-面体多维图像化，甚至能加上时序控制等软件，变单参数检测为多参数检测。或者在同一芯片上,将传感器与测量电路等处理电路集成一体化，使传感器由单一信号转换功能为兼有放大、运算、补偿等多种功能。而高度集成化的传感器，则是将两者有机融合，以实现多信息与功能集成一体化的传感器系统. 向微型化发展.微米、纳米技术的问世，微机械加工技术,特别是深层同步辐射X射线光刻、电铸成型及注塑技术的出现，使三维工艺日趋完善，这为微型传感器的研制创造了条件。大量体积小、重量轻(体积、重量仅为传统传感器的几十分之一甚至几百分之一）、精度高、成本低的集成化传感元件（一般为微米级）与微机结合，广泛用于自动生产线、数控机床和机器人等自动控制与检测系统. 向数字化和智能化发展。所谓智能化传感器是以专用微处理器控制的、具有双向通信功能的传感器系统.它不仅具有信号检测、转换和处理功能，同时还具有存储、记忆、自补偿、自诊断等多种功能。智能式传感器按构成模式分类有分立模式和集成一体式两种。组合一体化结构传感器把传统的传感器与其配套的调节电路、微处理器、输出接口与显示电路等模块组装在同一壳体内,因而体积缩小、线路简化、结构更紧密，可靠性和抗干扰能力大大提高. 向广阔领域发展。以半导体敏感材料、功能陶瓷材料和有机敏感材料为代表的新型敏感材料应用于传感器，改变了以传统结构型传感器为主的局面，大量物性型传感器被采用成了主流。 向生物传感器和仿生传感器方向发展。利用化学效应和生物学效应开发的，可控应用的化学传感器和生物传感器，在国内外已初具规模。 向光纤传感器发展。高速、可靠、低损耗和载信息量大的光纤传输，冲击了传统的电信号和导线传输方式3.1.3 国内外光纤传感的研究现状 目前为止，已经出现许多测量溶液浓度的技术，他们中的大部分都是以光为测量媒介而进行设计的.国外报道有：Hale 的用于检测含糖液体的浓度的糖度计;Minato 提出用光纤来传送光信号的透射式盐度传感器；Bergam et al。制作了可以检测含盐液体盐度的敏感光纤探头;Narayanan 设计出一套由激光和棱镜组成的光学系统来测量含糖液体的糖度。还有其他许多的液体浓度检测技术被研发进和应用，如观察光通过液体的干涉条纹的变化来判断液体浓度的变化、 判定溶液性质的平面荧光技术、 超声波测量液体浓度技术等。国内针对液体浓度的检测方法早期的主要有:浮力法，重力法,静压法，折光法,同位素法，根据溶液导电性能检测浓度的方法等。但这些技术局限性大，一般只能用于粗略的比对浓度差很大的待测溶液或者是所设计的检测系统元器件昂贵、系统稳定性差,不能广泛的应用于生产生活。近几年基于光纤传感系统的液体浓度检测被广泛重视，并取得了一定成果2. 光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门崭新的传感技术。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍，而且它可以在高电压、大噪声、高温、强腐蚀性等很多特殊环境下正常工作,还可以与光纤遥感、遥测技术配合，形成光纤传感系统和光纤遥测系统。光纤传感技术是许多经济、军事强国争相研究的高新技术，它可广泛应用于国民经济的各个领域和国防军事领域。在航天（飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等)、航海(声呐等)、石油开采(液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量)、电力传输（高压输电网的电流测量、电压测量）、核工业（放射剂量测量、原子能发电站泄漏剂量监测）、医疗（血液流速测量、血压及心音测量）、科学研究（地球自转、敏感蒙皮)等众多领域都得到了广泛的应用。 光纤温度传感器可探测到2000的高温，敏感度达1。普通型光纤温度传感器测温范围一般在-10300,精度为1-3，响应时间为2s.利用GaAs、CdTe、GaP等半导体材料的吸收端温度变化制成的光纤温度传感器可获得0。5的测量精度。用于低温范围的光纤温度传感器，可测0.1甚至更小的温度变化。 光纤振动传感器在20200Hz时，可感知1um甚至0.1um的振幅。 一般的光纤位移传感器测量范围在0。05-0.12mm时，其分辨率为0。01mm.光纤微位移传感器可测到8nm的微小位移，动态范围为110dB. 高灵敏度的光纤加速度传感器已研制成功，灵敏度为51010g（g为重力加速度），测量精度小于1ug。 光纤测距仪精度达0.1,最远测量距离达30m3。 参考文献：1 张娜.光纤传感器液体浓度检测系统的研究D.山东大学.20052 王颖.棱镜型光纤液体折射率传感器关键技术研究D。中北大学.20123 焦佳.强度调制性光纤传感器液体浓度检测系统的研究D.天津大学。20084 刘德明，向清，黄德修.光纤光学M。北京：国防工业出版,1995.1025 吕文旭，陈坚。光纤化学传感器在线监测家兔体内阿霉素血药浓度J.药学学报， 2002,37（7）：43-476 程湘，王宇华,庞振章等.光纤出射光强分布研究J.中国计量学院学报,2006,17 (1）：21-247 Brian Culshaw 。Optical Fiber Sensor Technlogies :Opportunities:Opportunities And Perhaps PitfallsJ.Jouranl of Lightwave Technology, 2004，22（1):39508 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 Optics,1973,12（3):55556310 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）：29129611 T。Konishi,S。Naka，A.Ito，et al.。transient two-dimensional fuel concentration measurement techniqueJ。Appl。Opt.,1997,36（33）:8815-881912 T。A。Wilson,W。F。Reed，LowCost。Inerferometric differential RefractometerJ.Am.J。Phys.,1993，61（11）:1046114813 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 赵凯华，钟锡华.光学M.北京：北京大学出版社，2002。1015 高淑琴，里佐威，孙昕等.低折射率液芯光纤喇曼光谱的实验研究J。激光技术2000（1）:26-3316 杨炳成，谭峰，陈令新等.一种以发光二极管为激发光源的荧光检测器J.分析测试学报。2003。22(3)：222417 陈代书，沈先云.光纤液体浓度仪及其应用J.光纤光缆传输技术学报。1991. 3： 212318 金晓丹，廖艳彪.强度调制型光纤传感器的光电补偿技术J。光学学报.1996。16 （7)：10021005 19 江宇.强度调制光纤传感器数值模拟与仿真D。哈尔滨工程大学.200320 欧国荣，陈翔，马新华等。光纤传感检测水中氰化物的研制J。中国公共卫生， 2003，19(1):8384 21 李炳炎。光纤通信技术M.山东:人民邮电出版社,1979。9822 王玉田，郑龙江，侯培国等。光电子学与光纤传感技术M。北京：国防工业出版， 2003。218-22423 何立民。单片机中级教程原理与应用M.北京：北京航空航天大学出版社,199924 胡卫生,曾庆济.自聚焦棒透镜准直系统的装配误差引起的附加耦合损耗分析J。 中国激光，1999，26(3):221224 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1 需要解决的问题： 在对设计内容深刻理解的基础上,本研究要解决的主要问题是: 1)对各种光源的优缺点分析，选择最为合适的光源； 2）根据光电探测器的特性参数，设计合适的光电转换电路; 3）根据被测传感物理量（液体浓度）、调制形式以及使用场合，选择符合要求的光纤； 4)选择对于光纤、光源及光电探测器的合适耦合连接方式。2。2 基于上述问题拟采取的研究途径: 传感器一般由敏感元件、转换元件、信号调节电路和辅助电源四部分组成，传感器组成如图1所示。信号调节电路转换元件敏感元件 被测信号 输出信号辅助电路 图1 传感器组成 1)光源的选择：光源器件包括钨丝白炽灯和卤钨灯，固体激光器,气体激光器,半导体发光二极管（LED）和激光二极管（LD,也称为半导体激光器)等.决定光纤系统中的光源选择有如下几个条件:信号源的波长必须位于所用光纤的传输窗口内；功率应足够大,以跨越到达接收机所需要传输的距离，但是功率也不能过高，以免引起光纤中的非线性效应或者使接收机过载；光源发射的波长范围不能太宽，因为光纤色散限制了传输速率；光源还必须能将光有效地耦合进传输光纤中。 2）光电转换电路：光电转换电路属于传感器器组成部分的转换元件和信号调节电路，实际上为光纤模拟接收机的前置放大器.它是一个低噪声线性放大器，又是一个电流电压变换器，要求有足够的带宽和一定的增益。光电探测器把微弱的光信号转变成微弱的电流信号后要由前置放大器将其放大并转换成电压信号。 3)光纤:光纤属于传感器组成部分的敏感元件，光纤的选取是直接影响测量效果的关键之一。由于光纤传感器种类繁多，性能各异，对光纤提出了各种各样的要求。通过对各种调制光纤传感器的测量物理量的不同，选择适合的测量方式，例如非功能强度调制光纤传感器，相位调制光纤传感器，偏振调制光纤传感器，分布式光纤等，来进行参数和物理量的选择，选择适合的光纤。 4)对于光纤、光源及光电探测器的合适耦合连接方式：第一，光纤的光耦合是指如何将光源发出的光功率最大限度地输送进光纤，涉及到光源光功率的空间分布,光源发光面积以及光纤的收光特性和传输特性。常见的耦合方法有直接耦合和透镜耦合。第二，在光纤系统中可以使用的光电接收元件是硅光电二极管（PIN）和雪崩光电二极管（APD）,由于它们的光敏面积比较大（PIN管光敏面的直径约为1-2mm,APD管光敏面的直径约为150300um），所以它们和光纤之间的低损耗耦合是比较容易实现的.从光纤的平端出射角也是由光纤的数值孔径决定的.2。3 所需进行实验 1）光学实验: 传感器光路系统 系统用途:进行光信号采集 主要仪器:激光光源，敏感棱镜，自聚焦透镜，光纤，光纤耦合器，光纤分路器， 基于阿贝折射仪测定溶液浓度实验 实验目的：溶液折射率和浓度的对应关系 主要仪器：烧杯、容量瓶、胶头滴管、数显阿贝折射仪、食盐晶体、蒸馏水及天平 2）电路实验： 光电转换电路系统大体包括以下五部分： 基于光电二极管的光电转换器； 前置放大电路； 基于单片机的调整电路； 电源电路； 数模转换电路。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：该同学通过查阅相关文献资料，对于基于光纤的溶液浓度测量系统设计，进行了国内外发展现状和设计方法的分析.针对选题的要求，提出了一种自己的设计思路，对所要进行的工作内容明确,设计思路比较清楚，研究方案较为合理，具有可行性。本课题难度适中，工作量符合本科毕业设计的要求。 同意开题. 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见: 学科管理部副主任: 年 月 日