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基于光纤系统检测原理的膏体流量计量研究

摘要

在现今工业生产生活中，流量测量起着举足轻重的作用，探讨的主要领域是基于光纤系统的流量测量。光在光纤中传播时，被测量会对光的相位、频率等进行调制，调制量再通过适合的光电检测方法将其转换为电信号。流量测量复杂多样，因此多种多样的流量测量仪表涌现而出，这些流量计的测量方法与原理优缺点兼具。光纤多普勒传感器是一种近年来发展迅速的流量测量方式，具有精度高、动态响应快、空间分辨率高等诸多优点，正逐渐成为流量测量的主要方式之一。

基于流量计量理论和膏体特点的研究，本设计详细分析了各种类型流量计的测量方法的优点和缺点。依据光纤结构的特点，提出了将膏体的流量计量通过光纤与激光多普勒传感器相结合的方式实现。通过对光纤传感原理，流量传感器原理分析和研究，设计了一套比较完备的多普勒光纤传感系统，其设计包括光源选择、光电检测电路、电压放大电路、信号分离滤波电路、信号处理电路。最后分析参数，做出总结。

关键词：光纤技术  流量计量  膏体流量  多普勒光纤传感器

 

目录

摘  要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1光纤传感技术的发展 1

1.2矿井流量测量技术的发展现状 2

1.3膏体充填技术的研究现状及发展趋势 3

1.3.1膏体充填技术研究现状 3

1.3.2膏体充填技术的发展趋势 3

1.4 课题背景及研究的目的和意义 4

1.5本文主要研究内容 5

第二章 膏体参数及膏体流量测量方法 7

2.1膏体充填的基本概念及特点 7

2.1.1膏体充填的基本概念 7

2.1.2膏体充填的特点 7

2.2充填料浆的基本类型和流动特性 8

2.2.1充填料浆的基本类型 8

2.2.2 填充料浆的流动特性 8

2.3膏体流量计的介绍 11

2.4本章小结 14

第三章 矿井多普勒光纤流量传感器的测量原理 15

3.1 光纤及光纤的传光原理 15

3.2 光的散射理论 16

3.3光学多普勒频移效应及流量公式推导 17

3.4光学混频原理 19

3.5 相干检测光路的实现 21

3.6 本章小结 22

第四章 多普勒光纤流量传感器系统的设计 23

4.1 光发射单元的设计 23

4.2 光路系统的设计 25

4.2.1光路分析 25

4.2.2光纤的选择 25

4.3光电检测及信号处理电路设计 26

4.3.1光电检测电路设计 27

4.3.2电压放大电路的设计 28

4.3.3滤波电路的设计 30

4.4 本章小结 31

第五章  设计的总结与对未来的展望 33

5.1设计的总结 33

5.2对未来的展望 33

参考文献 35

致  谢 37

 

第一章 绪论

1.1光纤传感技术的发展

光纤传感技术一门新兴的研究学科，随着光纤通信技术以及光纤结构与传输原理的成熟发展，已经成为各国热门研究的高精尖技术，在国民经济及国防军事的各个领域具有广泛的应用。光纤传感技术已经普遍应用于石化领域，主要用于检控开采过程中的液位高度变化、流量测量和液气流中的空隙度，海战中的声纳定位，航空航天中各种飞行器件的压力检测、速度、加速度、温度、飞机飞行定位等，高压输电网的电流检测、稳压、血压、流速及心率检测，还可应用于核能的放射量检测、核能发电站泄漏量检测，科学研究等工业生产过程。光纤传感器的优点有灵敏度高、耐高温、抗电磁干扰、安全等，普遍应用在多种物理量的高精度检测，如控制领域的四大参数温度、压力、流量、液位，物理学常见的物理参数速度、加速度、电流、电压、电场、磁场等，除此以外还包括转动、振动、微弱量测量等。 

    光纤传感技术的发展可分为两大范畴：理论性研究与应用性研究。现今，光纤传感器的基本理论框架已经建立，许多技术也比较成熟，但其在向各个领域转化的过程中遇到的问题仍然很多，即理论如何向实践转化。光纤传感技术的一些核心技术还有待完善，因而尚不能普遍应用于各行各业，形成规模和产业，而只能在实验室样阶段，与实用化、批量生产有很大差距，这就意味着其光纤理论性研究还存在一定的发展空间。传统传感系统在机电一体化中的应用已比较完善，其可靠性和经济性也获得普遍认可，且已普遍使用，因此虽然现在研究的很多光纤传感器这具有一系列优点，要想取代这些传统产品进入市场渗透所面临的困难和挑战也是巨大的，除非它具有不可比拟的优势。

光纤传感技术的出现与光纤结构与传输原理和光纤通信技术的发展是分不开的。光纤又叫光导纤维，从里到外分别是纤芯、包层、涂覆保护层和护套。纤芯和包层是光纤的主体，涂覆保护层和护套不仅能够增加光纤强度还能对杂质光源进行隔离。光纤传感器主要就是依靠光纤材料进行工作的。多股光纤的光缆，因其良好的传导性和大容量信息传输，使其可用于通信，一个路径可以同时容纳几十人打电话；可以传输几十套电视节目。可以把光纤内窥镜导进心脏和脑室，用于心脏血压、血氧饱和度、体温等的测量。抗干扰性差、传输损耗大、通信率低这些缺点，在测控领域中的传统光缆身上显露无疑，光纤比传统电缆的优势明显的多。

1.2矿井流量测量技术的发展现状

    煤矿工业的生产和过程控制对流体流量测量的要求非常高。煤矿工业生产中，流量是必须频繁测量和控制的参数之一。科学技术不断发展进步，人们所要求的流量监测精度越发提高，也有越来越多的流体种类需要检测，检测的流体对象不单是单相，还有双相和多相流，同时高压、低压、高温等工况条件对检测技术提出了更高要求。人们根据不同测量对象的特性，运用不同的物理原理和规律，设计制造出了各种类型的流量仪表，实现了对工艺流程中参数的控制和工业生产过程的自动检控。因此，流量仪表已经成为过程检测仪表的重要组成部分。

    流体流动状态、流体性质等的不同和感应测量机理的复杂程度，决定了当今流量测量仪表的多种多样、专表专用和价格悬殊。作为测量仪表核心部分的流量传感器发展迅猛且种类繁多。流量参数是工业生产过程、科学实验计量和各种经济测算所需要的重要参量，同时也是能源计量的关键构成元素。流量传感器的精度高低、稳定性好坏及适应工作环境能力的大小、智能化水平和性能价格比高低等指标极大地影响着社会各行业的发展。而现今向数字化、智能化、多功能化、网络化发展是流量传感器将来发展的必然趋势。

    我国早些时候几乎都是从外国进口流量计，直到近些年，我国的流量测量技术才得到迅速成长。在流量测量技术和仪表研发和生产领域形成了大规模产业。

    流量测量一般指的是管道流体流速测量，但是现在所讲的流体测量对象已经不再拘泥于传统管道流体，哪里想要掌握流体流动，哪里就需要对流体进行测量，因此流量测量对于现在工业至关重要。流量传感系统的发展方向主要有两个：一是向功耗低、性能适中、操作简单、功能较少、性价比高的普及型仪表发展。二是向着高精度、特殊介质测量、微机智能化以及新型化方向发展，适应较高要求的自动化生产装置。

    能源计算测量中，如水、天然气、原油、煤炭等各种资源也应用了大量的流量计量系统。而在煤矿的矿井测量流量中也使用了各种类型且数量庞大的流量计。流量计是矿井管理和经济核算无法或缺的仪器，是煤矿矿井计量仪表的重要组成部分。

    随着经济的发展，现今矿井检测精度的要求不断的提高，流量计在矿井的流量测量中越来越重要，矿井的安全检测与监控都应用到流量计。流量计的精确度和准确性直接关系到矿井的安全。

目前矿井流量仪表发展趋势有：传感器输出信号的数字化、智能化、多功能化、高性能化等。流量传感器的研究应与经济性紧密相连。

1.3膏体充填技术的研究现状及发展趋势

1.3.1膏体充填技术研究现状

1960年代，金属矿山就开始使用胶结充填技术。1959年加拿大镍矿做了用泥浆替换填充料上的铺板做工作底板的实践，此实验在上向分层充填采场内完成；加拿大国际镍公司在1960年开始试验用硅酸盐水泥固结水砂填充料,并在1962年于Frood矿投入生产使用。在随后的60年代，世界上掀起了一股研究胶结填充技术的狂潮，围绕充填材料的选择、优化配比、物化特性、充填料管道水力输送的流体力学和充填体与周围岩石的相互作用机理等进行了大量的试验研究，进而推动了胶结填充技术的长远发展和普及。特别要提的是，无轨自行设备与胶结充填采矿技术的结合，不仅改变了古老的充填采矿面貌，还使其进入了高强度、高效率、高回收率的现代化采矿行列。20世纪80年代，发达国家日益严格的环保要求，制定了一系列环境保护法规，露天矿坑需要采后复垦，井下开采出的矿区固体废料(尾矿、废石等)须妥善处理，违反者要接受罚款或停产处理。例如崩落法采矿在澳大利亚的使用率几乎为零，就是为了遵守生态环境法。特别重视环境保护的国家，对有利于生态环境保护的举措给予奖励。胶结充填采矿法在采矿业很先进的国家，使用比例快速攀升，例如加拿大采矿厂的使用比例已超过。世界上著名的南非金矿开采深度已达以上，冲击地压十分频繁，当前大多采用充填采矿法和长壁空场嗣后充填采矿法实施回采和“区域性支护”措施，用以控制上下盘闭合，以减少冲击地压事故的发生。在国内外矿井膏体充填技术逐渐引起高度关注。

在我国，膏体填充工艺首次吸引了有色金属矿山的关注，“八五”、“九五”期间，甘肃省金川有色金属公司与北京有色冶金设计院，就国家重点科技攻关项目“全尾砂膏体泵送充填技术”进行合作，我国第一条主要利用尾砂、棒磨砂和粉煤灰的膏体充填工艺系统在金川二矿区建成。其中，水泥浆采取独立泵送方式，与集料膏体浆液在井下混合，混合后的膏体充填料浆的质量浓度为82 %，平均水泥用量 ，填充体最终抗压强度大于4 。1994年，湖北省大冶铜录山铜矿对尾砂膏体填充技术进行推广使用。为了解决压煤村庄问题，提高煤炭资源开采率，延长矿井使用寿命，煤矿与高校就固体废物膏体填充进行了研究，并对压煤村采取不迁政策。太平煤矿膏体填充系统成为我国第一个煤矿膏体填充示范项目。

1.3.2膏体充填技术的发展趋势

    (l)膏体主要替换材料

    在矿井填充中，大多使用水泥作为古老低浓度胶结填充和高浓度全尾砂胶结填充和膏体泵压输送胶结填充的胶结剂。在矿井使用普遍水泥进行胶结，成本太高，主要原因是使用了大量的高价水泥作为胶结材料。据调查，采矿成本的1/3都用于填充，充填花费的以上都用在了填充材料上，水泥又在胶结充填花费中占到。过高的充填开销在给矿井产生过大经济压力的同时还严重压制了填充采矿工艺的发展进步。所以，在保障填充体强度的情况下，应该把降低水泥单耗量或寻找水泥替代品作为充填技术的主攻方向。

    研究实践证明，水淬炉渣、粉煤灰、赤泥等，都是具有良好性能的水泥替代品。特别是粉煤灰，因其可以代换水泥以较少填充花费，完善浆体流动特性，增强膏体悬浮性，得到了广泛应用。当前，隶属于芬兰奥托昆普集团的一些矿井，将的普通水泥用高炉渣代替。在其他情况下，则用粉煤灰代替；加拿大基德克里克矿的试验证明，粉煤灰或高炉渣最少也可以替代30%的水泥；在水泥替换品研究领域获得重要成就的还有前苏联和南非的许多矿井。

    (2)充填技术发展趋势

    填充工艺技术不断除旧布新，为了达到矿井开采的技术要求，增加经济效益，保障安全作业。填充工艺技术的将来发展势头是:

    l)全尾砂充填

进行分级尾砂的古老水泥胶结填充,将泥和细粒级尾砂处理进尾砂库。不仅会提高水库堤坝的维修护理成本，还会引发严重的环境污染。当代填充工艺，需要思虑的因素有很多，例如采矿技术需求、矿井出采废料综合处理、减污节排、环境保护等一些社会需要，达到无废害出采。因此，我们应该彻彻底底地将全部尾砂回填井下。

    2)高浓度输送充填

    高浓度时，能够降低胶凝剂用，以减少充填花费；若采场脱水量降低的话，填充料浆的实际使用率可以大大提高，有效填充能力也会增加，显著提高填充体的物理和机械特性，增强充填体强度，以可以有效控制地压，增强填充效果，并使矿井降低环境污染。

3)研制新型胶结材料

新型胶结材料要兼具全尾砂填充和采矿技艺的需求、材料要来源普遍，成本低。因此，未来填充技术发展中地位最高、进步潜能最大、发展前景最宽的钻研方向是新型填充胶结剂材料研究，它标志着充填技术的进步水平。当前已经开始应用有一定活性的工业废弃物。既满足填充技术要求，又能综合利用工业废弃物，走上发展的良性循环道路。

1.4 课题背景及研究的目的和意义 

    流量测量与仪表主要应用于工业生产，流量、温度、压力统称为过控的三大参量。流量测量主要研究物质的量变。从某种意义上说，流量测量不单单指向过去的管道流体，只要是与需要掌握流体流动相关的问题都会涉及到流量测量。人们通过对流体流量进行测量和控制，监控这些参数对生产过程产生的影响，从而保证整个生产过程的安全、稳定、经济，提高了产品质量以及企业的生产效率，带动了国家科学技术的稳步发展。在过程检测仪表中，流体流量检测仪表的销售额超过总份额的20%以上。在能源计量中，流量计的使用无处不在，例如石油、煤炭，从石油开采、储藏、提馏、出口，矿井井下涌水量测量，流量计都起着至关重要的作用。流量计用于能源计算测量领域会影响到企业的经效，如进行水流、电流的流量计费，是进行经济结算的手段，对于科学经营能源、提高经效和管理水平也有着重要作用。 

一方面，人们对流量测量精确度需求越发提高，而流量测量以及测量对象非常繁杂，例如流体类型有液态、气态、多相混合流等，流体环境有高温、低温甚至超低温范围，压力从高压到低压的范围；液态流体既有低黏度的液体，也有高黏度的液体，既有气体，又有蒸汽；流量小到只有几个，大到流量动辄就上万，相差非常悬殊。另一方面，虽然流体的多样性增加了流量测量的复杂性，但正是因为这样更激发了人们对流量测量相关领域的热情。 

在流量测量方法及手段方面，我国的发展还比较落后，测量仪器陈旧，方法不合理，精度也不高，整体检测系统还不成熟，在检测传感器方面还有很大不足。尽管当前也在使用很多传统的传感器像力学传感器、浮子传感器等，但在如煤矿井下水的测量时，其恶劣多变的客观环境使得传统传感器的测量精度、领域受到很大影响，特别是在采集前端信号方面，整个系统的准确可靠难以实现。测量监控自动化水平较低的现状再也不能满足日益增长的需要，人们开始要求提高检测及监控要求，设备要求符合防爆和煤安标准，因此对于准确性和可靠性高的检测流量的新一代传感器的研究也迫在眉睫。总之，研究流量测量方法就成为首要问题。

1.5本文主要研究内容

本设计在对已存在的流量计进行钻研和归纳的基础上，打算采用光纤作为传感元件研制出一套流量测量系统，采用光纤作为光传导元件，不仅因为它具有天然的绝缘性、抗电磁干扰等特性，而且具有耐高温、抗侵蚀、和体积小等优势。通过剖析和实践证明此种结构的流量传感器还具有好的检测精度、高的线性关系、好的介质适应性和容易实现网络化实时准定布检测等优势。

光纤光栅流量计结构稳定单一、多类流体适合、高精度、领域广等优势，因此当前其已成为普遍的一型流量计。传统激光多普勒流速计，对于不透明或半透明介质不能进行测量，若管壁不透明，还要特地设置很大的观测窗，使其在工业生产中难以普遍适用。

但若是采用半导体激光器为光源，适用光纤和耦合器传导光束，就可以实现不透明介质的检测，及矿井膏体流量测量可以采用光纤式激光多普勒传感器进行检测。

本课题主要工作包括： 

1、调研国内外相关领域研究现状及发展趋势；

2、分析相关领域研究存在的问题；

3、研究流量参数的特性及其分析；

4、对几种测量方法进行比较；

5、要求实现一个整体装置系统包括传感装置、信号传输及处理装置等；

6、对整篇论文进行总结。

 

参考文献

[1]纪纲 编著.流量测量仪表应用技巧.化工工业出版社，2010.10

[2]蔡武昌 应启戛 主编.新型流量检测仪表.化工工业出版社，2006.1

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[7]王冬生.基于光纤光栅系统的流量测量研究. 燕山大学博士学位文，2013.59-61

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