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炉膛声波测温系统光纤传声器特性研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.1.1 课题来源

1.1.2 研究背景及意义

1.2 复杂恶劣环境下声波测量技术研究现状

1.3 强度型光纤传声器的研究现状

1.3.1 强度型光纤传声器关键特性研究现状

1.3.2 热环境下光纤传声器温度特性研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 光纤传声器的数学建模与特性分析

2.1 引言

2.2 光纤传声器振膜振动特性分析

2.2.1 周边固支圆形振膜受迫振动

2.2.2 周边拉伸圆形振膜受迫振动

2.3 光纤光强调制函数的建立与数值分析

2.3.1 光纤对光强调制函数的建立

2.3.2 光纤结构参数对光强调制特性影响的数值分析

2.4 结构参数对光纤传声器性能的影响

2.4.1 光纤传声器性能指标的建立

2.4.2 结构参数对传声器性能的影响

2.5 本章小结

第3章 热环境对光纤传声器的影响

3.1 引言

3.2 温度对圆形振膜结构影响的理论分析

3.2.1 温度变化对周边拉伸圆形振膜的影响

3.2.2 温度变化对周边固支圆形振膜的影响

3.3 温度变化对圆形振膜结构影响的有限元分析

3.3.1 有限元方法和ANSYS介绍

3.3.2 热环境下光纤传声器振膜有限元模型的建立

3.3.3 温度对振膜固有频率的影响

3.3.4 温度对振膜静力形变的影响

3.4 热环境对光纤传声器性能的影响

3.4.1 影响因素分析

3.4.2 材料和结构参数影响

3.5 本章小结

第4章 光纤传声器的研发与测试

4.1 光纤传声器测试平台的搭建

4.1.1 光纤类型的选择和结构设计

4.1.2 光源类型及光源波长的确定

4.1.3 光电探测器的选择

4.1.4 传声器探头结构设计

4.1.5 光纤传声器测试平台

4.2 光纤传声器性能测试和结构参数测试

4.2.1 系统稳定性测试和补偿

4.2.2 振膜材料的选择与测试

4.2.3 光纤传声器振膜结构参数测试

4.3 光纤传声器与传统传声器性能测试对比

4.3.1 还原声音波形对比测试

4.3.2 灵敏度对比测试

4.3.3 频响特性对比测试

4.4 热环境下光纤传声器性能测试

4.4.1 热环境测试平台搭建

4.4.2 热环境性能测试数据分析

4.5 本章小结

第5章 总结与展望

5.1 论文主要内容总结

5.2 论文展望

致谢

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目

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摘要

电站锅炉温度场对于锅炉运行控制和燃烧诊断具有重要意义,炉内温度场分布将直接影响到炉膛燃烧的稳定性和污染物排放。声学测温法作为一种基于声波理论的非接触温度测量技术,具有连续测量,实时监测等诸多优点,在炉膛温度场测量领域有着良好的应用前景。声波信号测量的质量是炉膛温度场测量的关键,因此声波测温系统中传声器的性能将直接影响炉膛温度场测量的结果。传统电磁式传声器由于耐高温性差、易受电磁干扰等缺点无法在炉膛复杂环境下长期工作,亟需研制一款耐高温、抗电磁干扰、显著改善精度、能够在复杂环境下长期稳定工作的新型传声器。本文在对比分析几种声波测量技术之后选择光纤传声器作为研究对象,针对传统传声器在炉膛声波测温系统中出现的问题,研究适用于炉膛声波测温系统复杂环境下的光纤传声器。论文通过机理建模、有限元分析、实验平台测试等方法对光纤传声器的性能进行研究,旨在提高炉膛声波测温系统中声波信号采集的精度。本文的主要研究内容包括:
  1.对光纤传声器振膜振动过程和光纤光强调制过程进行数学建模和特性分析,并在此基础上建立光纤传声器声波测量过程的数学模型和性能评价指标,研究光纤传声器振膜、光纤结构参数对光纤传声器灵敏度、频响特性、线性度等性能的影响,为光纤传声器的研制提供理论依据。
  2.从理论分析和有限元分析两个角度出发,研究热环境对光纤传声器的影响。通过有限元分析软件ANSYS进行有限元建模仿真,对热环境下光纤传声器振膜结构振动特性的变化规律进行研究,并分析比较不同材料和不同结构参数下光纤传声器性能受温度影响的程度,为热环境下光纤传声器最优结构设计提供理论支持。
  3.在理论分析的基础上搭建光纤传声器声波测试平台,根据实际情况为测试平台选择合适的设备类型和结构。利用光纤传声器声波测试平台进行系统稳定性测试,并采用分光光强比值的方法对光源不稳定性进行补偿。对不同振膜材料和结构参数下的光纤传声器的性能进行测试,同时分别从还原信号波形、灵敏度、频率响应等性能指标对光纤传声器与传统电磁式传声器进行性能对比测试,实验结果表明研制的光纤传声器的性能能够达到与传统传声器相当的水平,验证了光纤传声器这一声波测量方法应用于炉膛声波测温系统中的可行性。

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