关键词：
工业过程监测
光纤布拉格光栅
折射率调制
光谱数据解调
分布式网络
工业设备
多参数测量
乙醇精馏过程
摘要：
对于复杂环境下数据驱动的工业过程监测参数的采集,利用光纤光栅传感器网络具有传统传感器无法比拟的优势,尺寸小巧灵活、柔韧性及抗电磁干扰好、抗腐蚀性强、传输距离远,易于设计成基于不同结构的物理量传感器进行检测、动态测量范围较宽、灵敏度高,适用于高温、高压、酸性等特殊恶劣环境。大容量窄带光纤光栅传感器网络组网的研究是构建工业过程监测系统的关键一步,也是最基础和最亟需解决的问题。本文从光纤光栅的耦合模矩阵理论出发,开展了光纤光栅折射率调制原理、光纤光栅特性参数、光纤布拉格光栅复用技术等方面的相关理论研究,并以研究的不均匀光纤布拉格光栅理论为基础,详细分析了不同种类光纤光栅的波导特性。关于光纤布拉格光栅的交叉敏感性问题的研究,在原有不均匀光纤布拉格光栅结构的基础上,将光纤布拉格光栅的耦合模传输矩阵推广到子空间级联,研究了子空间级联的折射率表示方法和波导传输矩阵,得到折射率分割编码调制的理论表达式,并提出了用折射率分割编码调制模型对回波光谱分布进行控制。通过设置子光纤布拉格光栅的类型、段数、参数和排列,可自由控制回波的光谱分布。基于折射率编码调制的光纤布拉格光栅可以有效地控制回波光谱分布,能够解决传统光纤光栅回波信息单一的问题。除了采用温度补偿或者应变和温度双参数同时测量外,折射率编码调制为解决交叉敏感问题,提供了又一可行方案。波分复用技术在大规模的光纤光栅网络中,要求光纤传感网络的每一个光纤布拉格光栅的中心波长在自己独立的频谱范围内,不能重叠,形成传感器之间的串扰问题。本文在研究了光纤布拉格光栅网络复用技术的基础上,为了解决一定带宽下光纤布拉格光栅的串扰问题,设计了一种基于光强的波分复用的光纤布拉格光栅的传感网络,提出了利用深度学习建立的光纤布拉格光栅在不同应变阶跃的反射光谱训练所得到的模型,用于重叠光谱的布拉格光栅波长检测,该模型在三个或三个以上光纤布拉格光栅的部分或全部重叠光谱中,也能准确地预测每个光纤布拉格光栅的中心波长。在此基础上,为了提高光谱数据中的寻峰精度,在串扰和旁瓣中找到正确传感器的正确峰值,通过设置绝对阈值和相对阈值可以抑制小功率串扰,利用一定衰减下串扰带宽小于传感器带宽的特征,需要使用宽度衰减和识别宽度来抑制大功率串扰信号。在多个光纤布拉格光栅传感网络中,通过在三维空间中不同位置的光纤布拉格光栅传感器进行组网,实现了对结构体状态信息的获取。在温度标定的条件下,可以实现对三维应力场的计算。针对复杂三维面型结构的测量,使用光学扫描仪进行位置偏移标定,当采用数据融合校正后,测试数据三维位置偏移量相对误差为6.85%。根据带温补的三轴融合解算方法,验证了该网络在三维结构状态监测中具有一定的优势。在利用光纤布拉格光栅传感网络对工业过程设备监测的方面,传感器的封装、传感器和设备的接触形式及传感器的铺设是提高测量精确度的重要手段。在研究了工业过程设备温度传导热场和应力场分布的基础上,计算了光纤光栅传感器的最佳分布形式,确定了光纤光栅传感器在光纤传感网络中,不同布设方向和布设位置,实现空间矢量物理场的采集和重建,在工业过程设备的分布式光纤布拉格光栅网络监测系统中,各个物理在测试精度、测试范围及响应速度上,相较于传统设备有较好的性能优势和应用意义。针对分布式光纤光栅传感网络在工业过程监测的应用问题,本文以乙醇精馏工业过程为背景,基于分布式光纤光栅传感网络在乙醇精馏过程中的应用展开研究。首先介绍了光纤光栅传感器测量原理及乙醇精馏工业过程中的工艺设计。在此基础上,设计了分布式光纤传感网络在乙醇精馏过程中的网络,详细介绍了乙醇精馏工艺流程和主要监测参数。该应用研究的目的是分析分布式光纤光栅传感网络监测乙醇精馏过程参数变量的可行性,从而发挥光纤光栅传感网络的环境适应性和测量精确性。将乙醇精馏过程作为典型的过程监测应用背景,通过测量物理量的标度变换,得到传感器的输入输出模型。为了提高测量的精确度和灵敏度,采用了温度补偿和差分光纤光栅应变片。通过监测温度、压力、液位和流量等四个物理量的测量数据,根据实验采集和分析数据,无论从精度还是响应时间都优于传统仪器仪表,验证了基于光纤光栅传感网络的化工监测方法的可行性、准确性、时效性,为工业过程复杂环境下的化工过程监测提供新的思路。本文研究的内容对解决分布式光纤光栅传感网络在工业过程监测应用中的关键问题,如光纤布拉格光栅温度和压力的交叉敏感特性、研究波分复用技术下一定带宽内频谱重叠、提高光纤光栅光谱数据的寻峰精度、提高工业设备三维曲面应力场的解算精度、工业过程设备中的分布式光纤光栅网络的布设和分布式光纤光栅网络在乙醇精馏过程监测应用等科学问题,都具有重要的理论价值和实践应用。
