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基于光纤系统的矿井流量参数测量研究

摘  要

流量测量有很长的历史，可以追寻到遥远的古代；而在第二十一世纪，光纤系统凭借依附光线，通过利用光纤这种传输介质，经过光电转换系统，来传输光信息，成为了重要的战略产业。随着现代工业的飞速发展，对流量测量的需求越来越高，从而促进快速发展流量测量方法。

差压式流量计（DPF）是流量测量仪，应用范围广，是一个最重要的流量计。是基于流体压力流相互作用在管道安装的测量计算方法，具有广阔的应用前景和发展空间。

光纤光栅传感器是能够测量多种参数的传感器，已成为当前传感器的研究热点。

论文选取标准孔板将流量信号转换差压信号，压力传感器的结构设计依靠光纤光栅传感元件和弹性元件膜片完成，结合光纤光栅传感技术与差压流量测量技术，制作了光纤光栅压力传感器。主题包括光学系统设计，流动参数的测量，整个系统的设计等。

关键词：光纤  光纤光栅传感器  流量测量  差压式流量计

 

目    录

摘  要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1引言 1

1.2研究背景及现状 1

1.2.1光纤光栅的国内外发展概况 1

1.2.2光纤光栅的传感应用 2

1.2.3 光纤光栅研究方向及存在的问题 3

1.3流量测量的意义及应用领域 3

1.4论文的主要内容 3

第2章简述光纤光栅流量测量技术 5

2.1流量测量的基本概念 5

2.2流量测量技术分类[4-6] 5

2.3 涡街流量计与DPF对比分析 6

2.4光纤流量计 7

2.4.1组合式光纤流量传感器 7

2.4.2光纤涡轮流量计 8

2.4.3光纤涡街流量计 8

2.4.4光纤多普勒流速计 8

2.4.5其他光纤流量计 8

2.5本章小结 8

第3章 差压流量测量技术 9

3.1差压流量测量简介 9

3.2 DPF测量原理（伯努利方程） 9

3.3常用的节流装置 11

3.3.1 标准孔板 11

3.3.2 文丘里管 12

3.3.3标准喷嘴 12

3.4差压传感器 12

3.4.1电容式差压传感器 13

3.4.2压阻式差压传感器 13

3.5本章小结 14

第4章光纤光栅传感技术 14

4.1光纤传感器 14

4.1.1光纤传感器的分类 15

4.2光纤传感器的组成 17

4.3光纤光栅简介 17

4.3.1 光纤光栅的分类 19

4.3.2 光纤光栅对波长的选择 19

4.4光纤布拉格光栅传感器基本光学性质 20

4.5布拉格光栅传感原理 21

4.6光纤光栅解调技术 22

4.6.1线性滤波解调方法 22

4.6.2可调谐滤波解调方法 23

4.6.3分光法 23

4.6.4 干涉扫描法 23

4.7光纤光栅温度补偿技术 23

4.8光纤光栅差压流量系统理论分析 24

4.9本章小结 26

第5章光纤光栅差压流量技术系统设计 27

5.1光纤光栅差压流量系统总体方案 27

5.1.1 光纤光栅差压流量传感原理设计 27

5.1.2 光纤光栅差压流量传感结构设计 28

5.2节流装置 29

5.2.1节流装置的选择 29

5.2.2 节流装置取压方式的选择 30

5.3平膜片应变原理 31

5.3.1弹性元件的选择及安装 32

5.4光纤的选择与放置 32

5.5光电探测器的选择 33

5.6光源选择 34

5.7 硬件电路设计 35

5.7.1 前置放大电路 35

5.7.2 放大电路 35

5.7.3 滤波、整形电路 36

5.7.4 单片机的选取 36

5.7.5 信号显示电路 36

5.8误差分析 37

5.8.1误差计算公式 37

5.8.2流体不洁净引起的误差 37

5.8.3流体温度变化引起的误差 37

5.8.4流速与粘稠度引起的误差 37

5.8.5粘接剂引起的误差 37

5.9本章小结 38

第6章 总结与展望 39

6.1总结 39

6.2.展望 40

参考文献 41

致 谢 43

 

第1章 绪论

1.1引言

在第十七世纪，伽利略的学生托里拆利发现了托里拆利定理，奠定了差压式流量计的理论基础，这是现代流动测量一个里程碑；第十八、第十九世纪，流量测量开始出现了一些其他的方法，示踪法，皮托管，文丘里管，容积式，涡轮式等[1]。目前微型电子技术的研究突飞猛进，计算机技术和通信技术，大大提升了流量仪表更新换代的速度。在工业生产中，经常需要检测和控制各种媒体流的流动，如石油公司的石油控制，化工企业对各种气体的传输和控制，冶金企业对燃料和空气的比例和控制，在我们的日常生活中的天然气检测和水质检测，流量的测量和控制是生产过程自动化的重要组成部分。

光纤测量技术的优点：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。成为全球增长增幅最迅速的高新技术，其应用涵盖了军事，重要地区的公共安全，工业和农业生产等。

1.2研究背景及现状

我国很晚才开展近代流量测量技术，起初流量仪表全部依靠从国外进口，直到20世纪30年代中期才出现国产的家用水表，50年代有了新成仪表厂所开发的文丘里管流量计，60年代开始涡轮、电磁流量计的生产，至今，我国已形成一个拥有相当规模的从事流量测量技术与仪表研究开发和生产的产业，从事流量仪表研究和生产的单位超过230家，我国现有产品的品种、规格、精确度和可靠性尚不能满足国内市场的需求，一些新型的流量计，如涡街流量计、旋进旋涡流量计等的技术水平与国际先进水平有较大的差距，超声波流量计的研究与开发还处于起步阶段，形成了低档产品过剩、高档产品依赖进口的局面[2]。

1.2.1光纤光栅的国内外发展概况

光纤是70年代为光纤通信发展的一种新型材料，只有100 ~ 150μm外直径，与其他材料相比，有许多独特的性质。第一，光纤具有极佳的光学传输特性，它对光波的损耗极小。第二特征是频带宽，因为光纤传输的是光，而光的频率是非常高的，现在所用的光频率在~Hz的范围内，它比微波高5个数量级。第三个特点是它的敏感元件性能好，可依胜任易燃，易爆环境[3]。

1978光敏效应被加拿大渥太华通信研究中心K. O. Hill等人首次发现。他们在对光纤进行非线性特性的研究过程中，发现传输的强度随时间的增加而衰减，而反射光强度增加，导致光纤的折射率发生周期性变化。他们利用488nm氢离子激光器在掺锗光纤里产生驻波干涉条纹，从而导致光纤的折射率沿轴向产生周期性的变化，制作出世界第一只内写入的光纤Bragg光栅，即Hill光栅[4]。

1989年美国联合技术研究中心G. Meltz等人。提出了光纤布拉格光栅光纤横向曝光法[5]，并成功制造出第一个外写入的光纤Bragg光栅。1998， CO2激光脉冲轴周期性加热光纤写入LPFG的技术被提出，标志着长周期光纤光栅的研制发展到一个崭新的阶段。光纤光栅写入方法的进步，极大地推动了光纤光栅制作技术的发展，目前，理论研究表明，光纤光栅技术与实际应用的制作进入了一个新的发展阶段，它的兴起和发展，大大拓展了人们的视野，而且也会在光纤通信、光纤传感和光信息处理等中发挥更大的作用。

1.2.2光纤光栅的传感应用

作为一种新的光子设备，光纤Bragg光栅的应用开发近年来受到了广泛的关注。目前，该光纤Bragg光栅传感器已可测量多种物理量，如电压，磁场，频率，扭矩，电流，热膨胀系数密度，温度，压力等。

1989年，布朗大学的门德斯（Mendez），第一次提出了混凝土结构健康监测的光纤传感器。在此之后，研究人员在加拿大等国家，研究能否将光纤光纤系统应用在土木工程等项目中。

1997年，在美国建造了一座嵌入了一个光纤光栅应变传感器的桥梁。

1999年，在新美国墨西哥Las Cruces l0号高速公路钢结构的桥梁上，安装120个[6]光纤光栅传感器，是用光纤光栅传感器在桥梁最多的记录。

2004年，Takashima等人利用互相关原理和相干解调的MZ干涉法设计了一个基于布拉格光纤光栅检测的流量计[6]。

1.2.3 光纤光栅研究方向及存在的问题

光纤光栅传感器具有很好的应用前景。现今，光纤光栅传感器的研究方向有三个方面：

1，对高灵敏度和分辨率传感器的研究；

2，开发低成本，小型化，可靠和敏感的检测技术是光纤光栅反射信号和信号传输系统的分析和试验研究的目标；

3，光纤光栅传感器的实用技术的研究包括：传感器网络技术，温度补偿技术和封装技术。在恶劣的工业现场环境中利用先进的包装技术，使光纤光栅传感器的工作变得任重而道远。

1.3流量测量的意义及应用领域

正确的测量和控制生产过程中的流程是保证安全运行，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，是过程自动控制系统的保证。在测量仪的整个过程中，流量计输出约占1 / 5到1 / 4，是能源管理和经济核算中必不可少的仪表，同时也是电能表的一个主要结构部分。。

流量，压力和温度是井下极为重要的几个物理量。通过对这些先进的技术手段进行长时间的监控，及时获取石油和天然气的井下信息，在石油行业具有非常重要的意义。传统的电子传感器不能在恶劣环境下，如高温，高压，腐蚀干扰，地磁工作。光纤光栅传感器可以克服这些困难，在抗电磁干扰能力和抗高温腐蚀性能下，可以精确测量地下环境的参数[7]。因此，油品使用测量的光纤传感器具有非常广阔的应用前景。

在科学实验领域，流量计的应用非常广泛，不仅数量大，而且种类繁多，据统计，在流量计的100余种产品很大一部分应该是为了研究而研制的，他们不是大批量生产，不在市场销售。许多研究机构和大型企业的特殊群体都配备了一个特殊的流量计。除了以上的应用，流量计被广泛应用于现代农业，水利，生物工程，管道运输，航空航天，军事等领域。据调查，1995年全球销售额25亿美元计的市场，2002年的销售总额为31亿美元，2012年预计将达50亿。

1.4论文的主要内容

基于光纤光栅仪器的一种差压流量信号检测系统，具有抗电磁干扰能力强，耐高温，耐腐蚀，具有可靠的系统，处理速度快，操作方便、舒适，显示清晰的优点。

主要内容包括：

（1）介绍了光纤光栅的差压流量传感器的结构、设计原则和工程的需要。

（2）介绍了光纤光栅传感原理的主要应用和光纤光栅传感技术和应用，光纤光栅传感技术在光纤光栅解调技术的流量测量领域，温度补偿技术进行了分析和总结[8]。

（3）压力测量技术简介。   

（4）简要介绍了信号处理电路

 

参考文献

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