【摘 要】
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液位是工业生产过程中最重要的测量参数之一，它的准确测量在航天航空、石油勘测、食品加工和环境保护等领域具有重大意义。基于多模干涉效应的光纤液位传感器因其结构简单、易于制作、成本低廉以及便于携带和可高度集成等优点逐渐成为光纤液位传感领域的研究热点。本文主要研究了基于多模干涉效应的光纤液位传感技术的基础理论，重点针对目前此类液位传感器所存在的测量范围小、精度低以及不易与液体接触等问题，设计出了相应的解决方案，并进行了实验探究。本文的主要工作内容包含以下几个方面：
1.基于多模干涉效应的光纤液位传感器理
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液位是工业生产过程中最重要的测量参数之一，它的准确测量在航天航空、石油勘测、食品加工和环境保护等领域具有重大意义。基于多模干涉效应的光纤液位传感器因其结构简单、易于制作、成本低廉以及便于携带和可高度集成等优点逐渐成为光纤液位传感领域的研究热点。本文主要研究了基于多模干涉效应的光纤液位传感技术的基础理论，重点针对目前此类液位传感器所存在的测量范围小、精度低以及不易与液体接触等问题，设计出了相应的解决方案，并进行了实验探究。本文的主要工作内容包含以下几个方面：
1.基于多模干涉效应的光纤液位传感器理论与实验研究：对光纤多模干涉基础理论和液位传感机理进行了详细介绍，通过软件仿真和实验验证相结合，研究了单模-无芯-单模(SNS)、多模-无芯-多模(MNM)、多模-单模-多模(MSM)三种常见的基于多模干涉理论的光纤液位传感结构的传输光谱特性，推导出了谐振波长随液位变化的关系，为后续传感器的设计优化和应用研究奠定了理论基础。
2.多模干涉型反射式光纤液位传感技术研究：提出了单模-无芯-金膜和单模-无芯-单模-多层介质膜两种不同的反射式光纤液位传感结构方案，通过实验得到了5.8cm的SN-金膜结构和20cm的SNS-多层介质膜结构对蒸馏水溶液的液位测量灵敏度分别为185.2pm/mm和41.6pm/mm。相比于传统的透射式方案，反射式结构易于与液体进行接触，且能实现对光波信号的往返两次调节，使得实际液位测量现象更加明显。
3.基于光谱重构的高精度光纤液位传感技术研究：通过结合波长采样的光谱重构方式和最小方差计算法实现了高精度的液位测量，此方法摒弃了传统的光谱仪结构，采用可调谐激光器、光电二极管和数据采集卡进行了替代，既节省了系统成本，又在一定范围内提高了测量精度。最终搭建起了一个高精度光纤液位测量系统，对稀硫酸溶液在13cm的液位测量范围下实现了75.6pm/mm的测量灵敏度和0.1mm的测量精度。
4.通过硬件系统选型、软件程序编写以及传感器的封装构建了一款集成化光纤液位测量样机，实现了稳定可靠的自动化液位和折射率测量。
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