基于光纤系统的流量压力等参数的测量研究-电子技术专业毕业设计-毕业论文.doc

基于光纤系统的流量压力等参数的测量研究 电子技术专业毕业设计 毕业论文摘 要流量是工业控制中与生产中的一个重要参数。随着现代工业迅速发展，人们对流量测量的要求越来越高，促使流量测量方法和测量计有了迅速发展。但测量对象的复杂性，决定了流量测量仪表在在应用技术上的复杂性。光纤光栅传感器是一种能测量多种参数的传感器，涡街流量计是20世纪70年代以来发展比较迅速的一种流量测量方式，它具有结构简单、量程宽、测量准确等诸多特点，正日益成为流量测量的主要方式之一，涡街流量计有着广泛的应用范围和发展空间。本课题将光纤光栅传感理论与涡街流量测量基本理论相结合，设计了一种新型的流量测量装置。本文主要通过对光纤光栅传感器原理，涡街流量传感器原理分析，设计一整套的光纤光栅涡街流量传感器，其设计包括光源选择，探测器设计，信号分离滤波器。分析传感器的测量方法，与其他传感器进行比较，将参数进行分析。关键词：光纤，光纤光栅传感器，流量测量，涡街流量传感器。AbstractFlow of industrial control and production is one of the important parameters. With the rapid development of modern industry, people on the flow measurement demand is higher and higher, prompting the flow measurement methods and gauge has been expanding rapidly. But the complexity of measuring objects, decide the flow measurement instruments in the complexity of the application technology.Optical fiber Bragg grating sensor is a kind of various parameters can measure the sensor, vortex flow meter is since 1970s, one of the most rapid development flow measurement way, it has simple structure, range wide, measurement accuracy many characteristics, such as flow measurement is increasingly becoming one of the main ways, vortex flow meter has a wide range of applications and development space.This subject will fiber grating sensor vortex flow measurement theory and combining the basic theory, design a kind of new type of flow measurement device. This paper mainly through the principle of fiber grating sensor, vortex flow sensor principle analysis, design a set of fiber grating vortex flow sensor, its design including light source selection, detector design, signal separation filter. Analysis of the sensor with other sensors measuring method of comparison analysis, the parameter.Keywords: optical fiber，Bragg grating sensor, flow measurement, vortex flow sensor.目 录摘要IAbstractII目 录I第1章绪论11.1引言11.2研究背景11.3研究现状21.4光纤传感器的分类231.5研究目的意义及内容4第2章光纤光栅涡街流量传感原理62.1引言62.2光纤传感器的组成和基本原理62.3光纤光栅传感器基本光学性质72.3.1光纤布喇格光栅传感器主要技术参量82.3.2长周期光纤光栅92.4涡街流量传感器原理102.5光纤光栅式涡街流量传感器原理112.5.1光纤光栅涡街流量传感器光路测量原理132.5.2检测系统构成及实现132.5.3光纤光栅涡街流量传感器光电信号转换原理142.5.4光电探测器原理142.6光纤损耗机理152.7本章小结16第3章流量测量方法研究以及参数分析173.1引言173.2工业计量中常用的几种流量计173.3涡街流量传感器193.4实验及参数分析233.4.1实验条件及装置233.4.2可能引起的误差253.5本章小结25第4章光栅光纤涡街传感器系统设计274.1引言274.2总体设计图274.3旋涡发生体284.4光纤的选择与放置294.5光电探测器314.6光源选择324.7涡街流量信号处理电路设计324.7.1信号分离滤波器原理与设计334.7.2前置放大电路364.8本章小结36第5章总结与展望375.1总结375.2展望38参考文献41致谢42第1章绪论1.1引言现代科学技术的迅猛发展，使人类社会从高度工业化向信息化转变。在信息化时代，人类将主要依靠对信息资源的开发及其变换、传输和处理进行社会活动。传感器是感知、获取、检测和转变信息的窗口，处于研究对象与传输处理系统的接口位置，被比喻为电子计算机实现电脑智能化的“五官”。光纤测量技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一种应用领域。光纤测量技术具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量等诸多优点，成为国际上发展最快的高科技应用技术之一，其应用领域已涉及到军事、公共安全、工农业生产等重要领域，并将继续扩大其应用范围。光纤测量技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一种应用领域。光纤测量技术具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量等诸多优点，成为国际上发展最快的高科技应用技术之一，其应用领域已涉及到军事、公共安全、工农业生产等重要领域，并将继续扩大其应用范围。光纤分布式测量是伴随着光时域反射技术而发展起来的。最近十几年里，产生了一系列分布式测量系统，并在多个领域得以逐步应用。目前这项技术已经成为光纤测量技术中的热点技术之一。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,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(声纳等)、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。光纤传感器的传感灵敏度要比传统传感器高许多倍,具有高灵敏度、耐腐蚀、抗干扰、体积小等优点,可以检测温度、压力、角位移、电压、电流、声音和磁场等多种物理量。1.2研究背景光纤是70年代为光通信而发展的一种新型材料，它主要是用玻璃预制棒拉丝成纤维，外直径仅100150m，他与其他材料相比，有许多独特的性能。光纤的第一特性是有良好的传光性能。它对光波的损耗目前可低到0.2dB/,甚至更低。第二特性是频带宽，这事因为光纤传输的是光，而光的频率特别高，现在所用的光频率在Hz的范围里，他比微波高5个数量级。第三特性是它本身是一个敏感元件，级光在光纤中传输是，光的特性入振幅、相位、偏振态等将随检测对象发生变化而相应变化。光纤同其他材料相比还有点绝缘性能好，不受电磁干扰，无火花，能在依然、易爆的环境中使用。基于光纤的传光特性，人们开始将待测的量和光纤内的导光联系起来，1977年美国海军研究所开始执行光纤传感系统计划，从此以后光纤传感器在全世界的许多实验室里出现。仅从70年代中期到80年代中期的近十年时间里，光纤传感器已达到近百种，他在国防军事部门、科研部门以及制造业、能源工业、医学、化学和日常消费部门都得到了实际应用。1977年美国海军研究所主持了光纤传感器系统，它主要研究方向是水声器、磁强计和其他水下检测有关设备。现代数字光线控制系统，此计划是采用光纤译码的光线传感器系统代替直升机驾驶员得控制。1980年美国开始研究，1984年进行飞行试验，最终将实现用光纤的液压传动系统代替电源。1989年，W.W.Morey等人在研究紫外光侧面写入光敏光栅技术的同时，首次对光纤光栅的温度和应变传感特性进行了研究，得到光栅反射波长温度和应变的灵敏度分别为和。1993年，M.G.Xu等人分析了光纤光栅在受到各向均匀压力时的传感特性，发现波长随压力变化的灵敏度为1。.1.3研究现状世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。由于光纤传感技术并未如光纤通信技术那样迅速地获得产业化，许多关键技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化有一定的距离，因此光纤传感技术的原理性研究仍处于相当重要的位置。由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已相当成熟，可靠性和成本已得到公认，并已经被广泛采用的传统机电传感系统为目的，所以尽管这些光纤传感器具有如电磁绝缘、高灵敏度、易复用等诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战是可想而知的。光纤传感技术的出现与光导纤维和光纤通信技术的发展是分不开的,是一种崭新的传感技术。光纤传感器是以光纤为材料的传感器。从里到外分别是纤芯、包层、涂覆保护层和护套。光纤的主体是纤芯和包层,涂覆保护层和护套起到隔离杂光和提高光纤强度的作用。多股光导纤维做成的光缆可用于通信，它的传导性能良好，传输信息容量大，一条通路可同时容纳数十人通话；可以同时传送数十套电视节目，供自由选看。光导纤维内窥镜可导入心脏和脑室，测量心脏中的血压、血液中氧的饱和度、体温等。用光导纤维连接的激光手术刀已在临床应用，并可用作光敏法治癌。传统电缆线在测量和控制领域中具有抗干扰能力差、传输损耗大、通信速率不高等局限性，光纤相比于传统电缆线具 有显著的优点。综述了光纤在核试验、激光等强电磁干扰和辐射中的应用，表明了光纤传输系统能够很好地解决电缆线在信号传输过程中遇到的问题。分析了光纤传输系统的发展现状，特别对模拟信号光纤传输系统进行了详细的论述，指出需 要研制发展简单、实用、低成本的光纤传输系统模块，以推进光纤传输在测量和控制系统的广泛应用。1.4光纤传感器的分类光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。1）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度2。2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。 3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。根据光受被测对象的调制形式形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。1）强度调制型光纤传感器    是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。2）偏振调制光纤传感器    是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。3）频率调制光纤传感器    是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。 4）相位调制传感器     其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高9。 1.5研究目的意义及内容流量测量是研究物质量变的科学，质和量的互变规律是事物联系与发展的基本规律，因此，其测量对象已不限于传统意义上的管道流体，凡是需要掌握流体流动的地方都有流量测量的问题。工业生产过程是流量测量与仪表应用的一大领域，流量与温度、压力和物位一起统称为过程控制中的四大参数，人们通过这些参数对生产过程进行监视与控制。对流体流量进行正却测量和调节是保证生产过程安全经济运行、提高产品质量、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理的基础。在整个过程检测仪表中，流量仪表的产值约占1/51/4。在能源计量中，使用了大量的流量计，例如石油工业，从石油开采、储运、炼制直到贸易销售，任何一个环节都离不开流量计。能源计量用流量计往往跟企业的效益有直接的联系，是进行贸易结算的依据，进行能源的科学管理、提高经济效益的重要手段。流量测量是一门复杂、多样的技术，这不仅由于测量精确度的要求越来越高，而且测量对象复杂多样。如流体种类有气体、液体、混相流体，流体工况有从高温到极低温的温度范围，从高压到低压的压力范围，既有低黏度的液体，也有黏度非常高的液体，而流量范围更是悬殊，微小流量只有每小时数毫升，而大流量可能每秒就达数万立方米。而脉动流、多相流更增加了流量测量的复杂性。另一方面，这种复杂性和多样性促进了人们对流量测量仪表的应用研究。本课题的内容是研究新型的涡街流量信号检测方式光纤检测方式，设计了相应的流量检测系统，主要工作包括： 1.分析光纤光栅涡街流量传感器的工作原理2.比较以往的流量测量方式，基于光纤系统进行改进3.进行光纤光栅涡街流量传感器系统设计4.研究流量参数的特性及其分析5.对全文进行总结，并展望。第2章光纤光栅涡街流量传感原理2.1引言光纤传感技术是伴随着光导纤维和光通讯技术的发展而逐步形成的，是上世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术。在当今以光纤通信技术为主要特征的信息时代，光纤传感技术代表了新一代传感器的发展趋势。光纤传感器产业己被国内外公认为最具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高经济效益好、渗透能力强、市场前景广等特点为世人所瞩目。 光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器，另一类是非功能型传感器。前者是利用光纤本身的特性将光纤作为敏感元件，所以又叫传感型光纤传感器；后者是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号，因此也称为传光型光纤传感器或混合型光纤传感器。传感型光纤传感器利用被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的光信号进行检测，从而得出被测量的一种新型传感器。 光纤传感器可以探测的物理量很多，按照被测对象的不同，光纤传感器可以分为位移、压力、温度、流量、速度、加速度、振动、转动、弯曲、应变、磁场、电场、电流、化学量、生物医学量等类型。 与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点13： (1)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全。由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，并且安全可靠。 (2) 灵敏度高。光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。 (3) 重量轻、体积小、可挠曲。光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可挠曲的优点，因此可以利用光纤制成不同外型、不同尺寸的各种传感器。 (4) 测量对象广泛。目前己有性能不同的测量各种物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。 (5) 对被测介质影响小，有利于在生物、医药卫生等具有复杂环境的领域中应用。 (6) 便于复用，便于成网，有利于与现有光通信设备组成遥测网和光纤传感网络。 (7) 成本低。有些种类的光纤传感器的成本大大低于现有同类传感器。2.2光纤传感器的组成和基本原理光纤光栅流量传感是把光纤光栅的传感原理与各种已经成熟的流量测量原理相结合，通过检测光栅的中心反射波长的变化幅度或变化频率，信号处理和数据分析之后，就可以实现液体或气体的流量检测。人们一直在做各种各样的尝试，如光纤光栅靶式流量传感器、光纤光栅文丘里管流量传感器、光纤光栅V型内锥流量传感器以及本论文所要研究的光纤光栅涡街流量传感器。光纤传感器包括对外界被测量物理量的感知和传输两种功能。所谓感知是指外界被测物理量对光纤中传播的光波特征参量实施调制，使其虽被测量的变换而变化，这样通过测量光波特征参量的变化及可感知外界被测量的变化。所谓传输是指通过光纤将受外界被测量调制的光波传输到光电转换器件进行检测，通过信号处理将外界被测量的变化从光波中提出来，即进行调解。因此，光纤传感器一般由光源、光纤、传感头、光电转换器件和信号处理系统等五部分组成，如图2-1所示。图2-1光纤传感器组成示意图光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光波作为载波经入射光纤传输到传感头，光波的某些特征参量在传感头内部被外界被测物理量所调制，被调制后的光纤经出射光线传输到光电转换器，经光电装换器转换成电信号，再由信号处理系统调解后就能得到被测物理量的大小和状态。其中光源可采用白炽灯、气体激光器、半导体激光器、发光二极管等，传感头可以是光纤本身或其他敏感元件，犹豫光波特征参量是在传感头内被被测量所调制，因此，传感头也称调制区。所用光纤除通行光纤外，还用到各种特种光纤，例如特种材料光纤（有硫化物光纤、重金属氧化物光纤、晶体光纤、塑料光纤、树脂光纤等）、特殊图层光纤（如碳图层光纤、金属涂层光纤、陶瓷涂层光纤等），以及特殊结构光纤（如熊猫光纤、蝴蝶结光纤、椭圆芯光纤等）。光电转换器主要采用PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）、光电三极管和CCD阵列等。2.3光纤光栅传感器基本光学性质研究和应用光纤光栅传感器首先要认真掌握其基本光学参数：反射率、透射率、中心波长、反射带宽及光栅模式方程等，并能够利用典型的三种光纤光栅理论逐一进行分析。而采用耦合模理论推导的光纤光栅基本光学参数形式更加紧凑、物理含义更加清晰。光纤布喇格光栅和长周期光纤光栅是传感应用最多且最具有发展前途的两种光纤光栅，下面是对其基本光学性质的理论分析分析。2.3.1光纤布喇格光栅传感器主要技术参量一、反射率R6 （2-1）式中相关参数解析如下：自耦合系数： ， （2-2）其中描述光栅的啁啾程度失谐量 （2-3）光栅峰值波长： （2-4） 光栅吸收损耗复参数： （2-5）交叉耦合系数： （2-6）若光栅沿轴向均匀（无啁啾），则和均为常数。透射率TT=1-R 中心波长 （2-7） 反射带宽 （2-8）1.对于弱光栅，折射率变化极小，由上式得（为光栅周期数） （2-9）2.对于强光栅，折射率变化很大由式2-8得 （2-10）光栅方程：2.3.2长周期光纤光栅一温度灵敏度14 （2-11）其中，分别为纤芯和包层的折射率，为纤芯的热膨胀系数分别为纤芯和包层的有效弹光系数和热光系数。，相对折射率。于是二应变灵敏度 （2-12）其中于是，2.4涡街流量传感器原理涡街流量测量的基本原理是在与被测介质流向垂直的方向放置一非流线型阻流体（也称旋涡发生体），流体流过该阻流体时，在阻流体后方两侧交替地分离释放出两列规则的交错排列的旋涡，即为卡门涡街（如图22）所示。如果在阻流体中安装传感器，就可以获取表征流体流量的信号，该信号的变化频率与旋涡的脱离频率一致。通过检测传感器输出信号的变化频率，就可以得到旋涡的分离频率在一定的雷诺数范围内（），旋涡的分离频率正比于管道内的平均流速 （2-13）卡门涡衔6图2-2卡门涡街式(211) 中， 斯特劳哈尔数，在雷诺数范围内是无量纲常数； f涡街频率，Hz ； V涡漩发生体两侧平均流速，m/s ； d旋涡发生体迎流面宽度，m； 管道内径为D，旋涡发生体迎流面宽度为d，当d/D<0.3时，旋涡发生体外的流通面积A近似为 （2-14）将流通面积代入，则得到流体体积流量 （2-15）令： （2-16）当流量计的口径确定以后，d,D均为定值，并且在一定的流量范围内， 为常数，因此K也为常数（K称为装置系数），将K代入，有 （2-17）因此，只要测出窝衔分离频率f，即可得到流体的瞬时体积流量对一段时间间隔内的瞬时流量进行积分，就可以得到流体在这段时间内的累计体积流量。2.5光纤光栅式涡街流量传感器原理图2-3是我们提出的光纤光栅涡街流量探测器的示意图。通过将传感光纤光栅置于漩涡发生体后，并与管道形成一个悬臂梁结构来测量漩涡发生频率。漩涡在行进的过程中，会在漩涡发生体的下游产生一个垂直于管道轴线方向的升力，由于漩涡在漩涡发生体两侧交替产生，而且旋转方向相反，故作用于漩涡发生体上的升力也是交替变化的。从而为悬臂梁提供使其产生振动的策动力，因此悬臂梁就发生了垂直于轴线方向对称的受迫振动。当悬臂梁的固有频率远远高于被测漩涡频率时，交替作用在漩涡发生体上的升力的变化频率等于漩涡的频率,而升力变化频率又与流体的振动频率相同，所以可以通过检测悬臂梁的振动频率来探测漩涡的频率，进而由公式（2-13）得到流体的流量。图2-3光纤光栅涡街流量探测器7光纤光栅的封装示意如图2-4所示，将传感光纤光栅FBG封装于钻有园孔的矩形不绣钢方钢内，并在固定芯杆上铣制一与传感光纤匹配的“V”型槽。将光纤用耐温粘接剂贴附其上，装配后用导热硅脂填充，构成悬臂梁形式的分离漩涡频率探测器。另外，由于FBG光纤光栅具有对应力灵敏的光本征特性，经过特殊的封装处理后使该传感结构还能够对流速有良好的敏感探测性能。从而实现了用单一传感光栅对应变、流量场复合参数的同时测量。由于光纤光栅对流量和应变同时敏感，因此光纤传感器波长的总漂移量为： （2-18）其中：为流体旋涡震荡引起的波长漂移为流体温度变化引起的波长漂移，因为流体介质温度变化非常缓慢，因此为超低频（近似直流信号）分量。可通过信号处理电路中的由可编程有源滤波器信号通道分离回路来实现复合参量的同时测量。该测量原理将在下面章节中做详细介绍。图2-4 光纤光栅漩涡探测器装配示意图2.5.1光纤光栅涡街流量传感器光路测量原理基于Sagnac干涉解调原理的光纤光栅涡街流量传感器光学解调系统原理如图2-5所示。光学解调系统采用环形腔的结构，其中环形腔的一段光纤为高双折射光纤(保偏光纤)，腔中串接偏振控制器。由于高双折射光纤的快慢轴方向上的有效折射率不同，因此，不同偏振方向的光在高双折射光纤中的光程不一样，使环形腔内沿顺时针与逆时针两个方向的光产生光程差。这种方法，使得光程差仅与高双折射光纤的长度和有效折射率差有关。通过改变保偏光纤的长度，即可达到调节光程差的目的。根据光纤光栅耦合模理论，当由涡街流量传感器的旋涡发生体产生的规律性旋涡对由敏感FBG光纤组成的探测器的冲击，使得传感光栅得到响应，并因此将流量与温度参量信息通过传输光纤输出给后续的电子解调系统，从而达到对流体工况流量的检测与计量。图2-5光纤光栅涡街流量传感器光学原理框图2.5.2检测系统构成及实现光纤光栅涡街流量传感器测量系统原理框图如图2-6所示。光纤光栅涡街流量传感器感测到的流量、温度复合信号，通过PIN光电转换形成电信号，通过高通滤波器和低通滤波器将信号分为交流信号和超低频波动信号。对分离后的信号进行分析，分别求解出温度和流速参数，从而实现了用单一光纤光栅同时测量复合参量的目的。另外在应用于测量蒸汽及热水的场合，利用计算机直接可以计算出管网输送的热量。这也是在今后的实际研究工作中所将要重点研究的问题之一。本设计将光纤传感器与传统的涡街流量测量原理相结合,使流量传感器采用光纤光栅传感器检测漩涡频率，其独特的性能克服了传统涡街传感器的诸多不利因素,将极大地推动涡街流量传感器开拓应用。图2-6光纤光栅涡街流量传感器系统原理框图2.5.3光纤光栅涡街流量传感器光电信号转换原理在光纤光栅涡街流量传感器测量系统应用中，由于PIN管的输出信号幅值极低（A或nA量级），合理适配PIN管的工作偏置及性能优良的信号前置放大器，并认真分析选择适当的静电屏蔽方式，降低电路器件对测量值的附加影响，提高整个测量系统的信噪比，从而保证系统的测试精度及稳定性5。2.5.4光电探测器原理光探测器都是把光谱能量转换成电参量来实现对光的探测的功能性器件。因此，能将光谱能量转换为电参量的光探测器，均称之为光电探测器。光电探测器的物理效应通常分为两大类：光子效应和光热效应。光子效应是指探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变而产生的电效应。光子能量的大小，直接影响内部电子状态量值幅度改变。所以，光子效应能对光波频率具有选择性，当光子与电子相互作用时，其响应速度比较快。光子效应可分为：外光电效应和内光电效应。外光电效应的器件主要有：光电管、光电倍增管等。内光电效应的器件主要有：光敏电阻、光电二极管、光电三极管和光电池等。光热效应是指探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件产生温升，温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。由于光热效应与单光子能量的大小没有直接关系。因此，光热效应对光波频率没有选择性。另外由于往往需要一定的热量积累阶段，光热效应的响应速度比较慢，并容易受环境温度变化的影响。在光纤光栅传感测量应用方面，广泛采用光电二极管，该类器件具备响应速度快、精巧、坚固、良好的温度稳定性和低工作电压、高性能价格比的优点。光电二极管的种类很多，在传感、通信系统中，常用的是PIN光电二极管。其典型结构如图2-7所示。外部采用抗静电干扰且能方便接地的金属封装外壳，内部结构时在SiO2层表面的透光区镀以增透膜，其它为金属接触区。透光区中光子先经层，再进入I区(本征区)，最后到基片。一般I区约厚度约10m。图2-7PIN光电二极管结构示意图PIN管中的本征层对提高器件灵敏度和频率响应起着十分重要的作用。设置本征层可加大耗尽层，加宽了光电转换的有效工作区域，使灵敏度得以提高。耗尽层的加宽也明显减小了结电容Cp，也改善了PIN管的动态频响。2.6光纤损耗机理光纤在光纤通信，光纤传感等应用中，人们最关心的传输特性，主要是损耗、带宽和偏振特性。损耗的表示方法大多数传输线路中，传输功率随传输距离做指数衰减，可表示为式 （2-19）其中，和分别为输入端（z=0）处和传输距离为z处的功率；2是衰减系数或称功率损耗系数，其中系数2是因为习惯上电场振幅的衰减系数用表示，而功率与电场的平方成正比由式可得衰减系数 （2-20）上式求出的衰减系数是以奈培为单位的。人们更习惯于使用分贝（dB）表示衰减系数，并定义为 （2-21）以分贝表示的衰减系数与以奈培为单位表示的衰减系数2只是相差一个常数。以可得 （2-22）低损耗是实现远距离光纤传输的前提。20世纪60年代拉制的光纤，其损耗还只能达到1000dB/km的水平。1970年美国康宁公司第一次拉制处损耗为20dB/km的石英光纤，使人们看到了实现光纤通信的希望。70年代和80年代经过科技人员的努力，已使长波区域的损耗降到0.2dB/km的量级，它已接近光纤损耗的理论极限。2.7本章小结本章主要讲述了光纤光栅传感器的原理，涡街传感器原理光纤损耗机理，光纤涡街传感器光学原理，光电探测原理。将光纤和涡街流量传感器原理相结合，构造出光纤光栅涡街传感器的工作原理，适应更多的流量测量需求。第3章流量测量方法研究以及参数分析3.1引言为了满足各种测量的需要， 几百年来人们根据不同的测量原理， 研究开发制造出了数十种不 同类型的流量计，大致分为容积式、速度式、差压式、面积式、质量式等。各种类型的 流 量计 量原理、结构不同既有独到之处又存在局限性。为达到较好的测量效果，需要针对不 同的测量领域，不同的测量介质、不同的工作范围，选择不同种类、不同型号的流量计。由于流量检测对象的多样性和复杂性，流量检测的方法非常多，是工业生产过程常见参数中检测方法最多的。因此，流量检测方法的分类，是比较错综复杂的问题，目前还没有统一的分类方法。比较常用的的是按测量方法和结构分类的，有差压式，浮子式，容量式，涡轮式，电磁式，涡街式，超声式，热式等。本章主要介绍常用的几种。3.2工业计量中常用的几种流量计 (1)差压式流量计 差压式 流量计 是以伯努利方程和流体连续性方程为依据， 根据节流原理，当流体流经节流 件时(如标准孔板、标准喷嘴、长径喷嘴、经典文丘利嘴、文丘利喷嘴等)，在其前后产生压 差，此差压值与该流量的平方成正比。在差压式流量计中，因标准孔板节流装置差压流量计 结构简单、制造成本低、研究最充分、已标准化而得到最广泛的应用。孔板流量计理论流量 计算公式为： （3-1） 式中， 为工况下的体积流量，单位；c 为流出系数，无量钢；=d/D，无量钢；d 为工况 下孔板内径，mm；D 为工况下上游管道内径，mm； 为可膨胀系数，无量钢；p 为孔板前 后的差压值，Pa；1 为工况下流体的密度，kg/m³。 对于天然气而言，在标准状态下天然气积流量的实用计算公式为： （3-2）式中，qn 为标准状态下天然气体积流量，m³/s；As 为秒计量系数，视采用计量单位而定， 此式 As=3.1794×10 ；c 为流出系数；E 为渐近速度系数；d 为工况下孔板内径，mm；FG 为 相对密度系数， 为可膨胀系数；Fz 为超压缩因子； 为流动湿度系数；p1 为孔板上游侧 取压孔气流绝对静压，MPa；p 为气流流经孔板时产生的差压，Pa。差压式流量计一般由节流装置(节流件、测量管、直管段、流动调整器、取压管路)和差压计 组成，对工况变化、准确度要求高的场合则需配置压力计(传感器或变送器)、温度计(传感 器或变送器)流量计算机，组分不稳定时还需要配置在线密度计(或色谱仪)等。缺点不足：这种测量方法精度普遍偏低，现场安装条件要求较高，损耗大。 (2)速度式流量计 速度式流量计是以直接测量封闭管道中满管流动速度为原理的一类流量计。 工业应用中主要有： 涡轮流量计：当流体流经涡轮流量传感器时，在流体推力作用下涡轮受力旋转，其转速 与管道平均流速成正比， 涡轮转动周期地改变磁电转换器的磁阻值， 检测线圈中的磁通随之 发生周期性变化，产生周期性的电脉冲信号。在一定的流量(雷诺数)范围内，该电脉冲信号 与流经涡轮流量传感器处流体的体积流量成正比。涡轮流量计的理论流量方程为： 式中 n 为涡轮转速；qv 为体积流量；A 为流体物性(密度、粘度等)，涡轮结构参数(涡轮倾 角、涡轮直径、流道截面积等)有关的参数；B 为与涡轮顶隙、流体流速分布有关的系数；C 为与摩擦力矩有关的系数。 （3-3）缺点不足：不能长期保持校准特性，流体物性对流量特性影响较大。要长期定时维护，而且不能广泛适用液体流量测量。时差式超声波流量计：当超声波穿过流动的流体时，在同一传播距离内，其沿顺流方向 和沿逆流方向的传播速度则不同。 在较宽的流量(雷诺数)范围内， 该时差与被测流体在管道 中的体积流量(平均流速)成正比。超声波流量计的流量方程式为： 式中，qf 为工