基于FBG与PT100的液位测量技术及实验研究

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液位测量在工业生产中的各个领域得到了广泛应用,随着计算机技术的发展以及在生产控制中的广泛应用,人们利用计算机对整个生产过程进行监控与实时控制,与此同时,液位测量技术也随之提出了更高的要求,实现高精度、高可靠性、安全性、低成本的液位测量一直是重点研究方向,同时趋向小型化与智能化的液位测量方式也是我国工业发展的迫切需求。现代工业生产中液位测量所采用的方式各不相同,测量机理也不尽相同,有接触式与非接触式之分,不同应用场合选择不同的方式。本文总结各种液位测量方式的优缺点,提出了一种新的液位测量方式,通过测量温度来测量液位高度。论文主要内容如下:首先,介绍了光纤布拉格光栅FBG的结构与成栅机理,通过耦合模理论对其进行理论分析,推导出FBG反射中心波长与光栅周期和有效折射率有关,为后面分析光纤布拉格光栅的传感特性奠定了基础。本文详细说明了FBG的应变和温度传感特性,并推导出温度灵敏度和应变灵敏度。从理论上说明其是一种优异的传感元件,可以将其温度传感特性应用于液位测量,并通过设计相关实验论证该理论的可行性,使用FBGA光栅波长解调系统对光栅反射光谱进行解调,最后使用有限元分析工具对光栅栅区进行温度场分析,进一步细化FBG的温度传感特性。其次,从实际工业生产角度出发,利用PT100作为测温元件应用于液位测量,采用相同的测量原理,使用不同的方式去实现。基于PT100的液位测量采用两种处理方式,一种是使用单片机,另外一种是使用PLC,每种方式都设计相关硬件电路,并通过实验验证其可行性。最后,对于采集到的数据,通过无线通信方式进行传输,使用基于nRF24L01芯片的PTR6100无线通信模块进行数据传输,将液位测量电路与无线通信电路整合到一起,完成整个测量系统的设计,并通过实验验证其可行性。论文最后总结了课题研究的工作与结论,并提出了不足之处,对后续工作进行展望。
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