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光纤光栅涡街传感器的系统设计

摘要

流量是工业生产过程、能源计量、环境保护、交通运输和科学研究等领域中经常需要测量的四大参数之一。由于流量测量的复杂性，出现了各种各样的流量测量仪表，这些流量计的测量原理和测量方法各有优缺点。近年来，光纤流量计因其独特的优点而受到越来越多的关注。

光纤传感技术是20世纪70 年代中期出现的，经过20年的发展已经日趋成熟。光纤流量计的工作原理是当光在光纤中传输时，光的特性如强度、相位、频率等会受到流量的调制，于是利用适当的光检测方法把调制量转换成电信号。光纤光栅传感器可以测量多种参数，涡街流量计是一种近年来发展迅速的流量测量方式，具有结构简单、测量精确、量程宽等诸多优点，正逐渐成为流量测量的主要方式之一。

本论文将光纤光栅传感原理与涡街流量测量原理相结合，设计了一种流量测量装置。本文将通过对光纤光栅传感器原理，涡街流量传感器原理进行分析和研究，设计一套比较完备的光纤光栅涡街流量传感器，并分析传感器的测量方法，与其他传统传感器进行比较，并分析参数，做出总结。

关键词：光纤光栅，流量测量，光纤光栅传感器，涡街流量传感。

 

目录

摘要 I

Abstract II

目录 IV

第一章  绪论 1

1.1光纤光栅技术的发展现状 1

1.2流量测量技术的发展现状 2

1.3本论文研究的目的和意义 3

1.4本论文的研究内容 4

第二章  流量测量方法研究及参数分析 5

2.1流体及流量概述 5

2.2 流量计简介 6

2.3 涡街流量计 9

2.3 实验及参数分析 13

2.3.1 实验条件及装置 14

2.4.2 可能引起的误差 15

2.5 本章小结 16

第三章  光纤光栅涡街流量传感原理 17

3.1光纤及其传输特性 17

3.1.1光纤的光敏特性 17

3.1.2 光纤损耗特性 18

3.1.3光纤色散特性 19

3.2 光纤传感器的组成及基本原理 20

3.3 光纤传感器的分类 20

3.3.1 根据光纤的作用分类 20

3.3.2 根据光受被测对象的调制形式分类 22

3.4 光纤光栅的传感原理 23

3.4.1 光纤光栅传感器的原理 23

3.4.2 光纤光栅传感器的结构 25

3.5光纤光栅涡街流量传感器原理 26

3.5.1 光电探测器原理 26

3.5.2 光纤光栅涡街流量探测器 27

3.5.3 光纤光栅涡街流量传感器光路测量原理 28

3.5.4 检测系统构成及实现 29

3.5.5 光纤光栅涡街流量传感器光电信号转换原理 29

3.5 本章小结 30

第四章  光纤光栅涡街传感器的系统设计 31

4.1 系统设计总图 31

4.2 旋涡发生体的设计 32

4.3 光纤的选择、设计及相关损耗的计算 33

4.4 光源的选择 35

4.5 光电探测器 36

4.6 涡街流量信号处理电路设计 36

4.6.1 光电检测电路 37

4.6.2 前置放大电路 38

4.6.3 信号分离滤波器的原理与设计 39

4.7 本章小结 40

第五章  结论 41

5.1总结 41

5.2展望 42

参考文献 45

致谢 46

 

第一章  绪论

1.1光纤光栅技术的发展现状

光纤是70年代为光通信而发展的一种新型材料，它主要是用玻璃棒拉丝成纤维，外直径仅100~150μm，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。第二特性是频带宽。第三特性是它本身是一个敏感元件。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，能在易燃、易爆的环境中使用。

光纤光栅是一种新型的光无源器件，利用在激光器发出的紫外脉冲光照射时，光纤纤芯会出现沿轴向起伏变化的折射率调制光敏特性可以利用这一特性来实现光纤传感。光纤传感器主要是利用光波作为载体，光纤作为传感介质，感知和传输周围待测信号的新型传感技术。虽然光纤传感具有很多优点，但由于成本高，使用程度还不是很高，具有很大的发展空间。

1978年加拿大通信研究中心研究人员K.O.Hill等首次利用驻波干涉法研制成功了世界上第一个光纤光栅，这项技术立即引起了光纤光学领域的一场革命，但是由于当时条件和技术的限制，这项极具潜力的技术在此后相当长的一段时间内发展缓慢。直到1989年，美国东哈特福德联合技术研究中心的G.Meltz等人利用全息曝光法成功制成了光纤光栅，由于这种技术容易实现，并且易于控制，这一技术在世界范围内掀起了研究光纤光栅的热潮，是光纤光栅发展史上的一个重要里程碑。近几年出现的相位掩膜复制法和准分子单脉冲在线写入法更加有效的推动了光纤光栅应用技术的发展，并已经成为国际上最具代表性和发展前途的光纤无源器件。

光纤光栅应用技术的迅猛发展主要基于他有如下几方面优点：灵敏度高、动态响应范围宽、结构紧凑、可靠性高、体积小、重量轻、价格便宜并可进行远程解调，还可以埋入建筑物如桥梁中实时监控，最主要的是它可以实现分布式多参数测量。

近几年，对光纤光栅传感器的研究主要包括四个方面的内容：第一是基础的光纤光栅传感模型及其理论研究，这部分内容的研究比较早，很多高校都有这方面的研究，主要是通过摸耦合理论进行分析光纤光栅的传感特性，但是这个理论比较繁琐而且能够得到的解析解有限；第二是传感的敏化和封装技术的研究，其中交叉敏感问题是光纤光栅应用的一大难题，很难将其直接应用于实际待测体的感测之中，并且裸纤是很脆弱的，所以必须要有相应的保护措施，这就关系到了封装技术；第三是光纤光栅传感器的机械结构设计，根据工程测量的不同要求，需要对光栅的结构进行特殊设计，以保证测量结果的精确性和可重复性；第四是信号解调和传感网络的系统的研究，寻找高进度、低成本的波长检测技术是信号解调的应用基础。

光纤光栅的应用主要有：温度测量（已经基本实现商业化，如测量核反应堆的温度、在强电磁场或强辐射的环境中进行测量，也可构成分布或多参数测量网络等）；压力测量（如锅炉、化学反应器、内燃机的压力测量）；振动测量（精确的测量从1.4Hz至85kHz频率范围内的振动，现在也有用于地震测量中）；生物医药以及智能材料与智能建筑等方面。

1.2流量测量技术的发展现状

在工业生产过程中，流量是需经常测量和控制的参数之一。随着科学技术的发展，人们对于流量监测精度的要求也越来越高，需要检测的流体品种也越来越多，检测的对象从单相到双相以及多相流，工况条件有高压、低压、高温、低温等等。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，可以实现对工艺流程中参数的控制及油、气、水等能源的计量，实现了工业生产过程的自动检测和控制。因此，流量仪表已经成为过程检测仪表的重要组成部分。

流量测量技术发展非常迅速，复杂的工况和流体类型，决定了流量计种类的繁多。目前在市场上有上百种的流量计，还没有哪一种流量计能够覆盖所有的应用领域，但他们有各自的相对优势。根据最新的调查研究显示，传统流量计的增长速度将会减慢，新型流量计的增长速度将会加快，目前传统流量计仍占有很大的市场份额，而且各种流仪表都朝着高精度、高可靠性、多功能、智能化、网络化等方向发展。

流量的测量方法经历了一系列的发展变化，1938年瑞士人丹尼尔·伯努利以伯努利方程为基础，发明了差压流量测量方法；1791年意大利人文丘里首次采用文丘里管来测量流量；1978年斯特劳哈发表了一篇流体振动频率和流速关系的文章，其中斯特劳哈数就是以此命名的，它表示涡流频率与阻流体特征尺寸以及流速关系的相似准则；而后1886年，美国人谢赫尔用文丘里管制成测量水流量的实用装置；在1911-1912籍匈牙利人卡门提出了卡门涡街的新理论；1930年左右，曾出现过用声波测量液体和气体流速的讨论热潮，但没有很大的进展；1945年以后，科林利用交变磁场成功的测量了血液流动的情况。

我国的早期使用的流量计几乎全部是从国外进口的，直到近些年，我国的流量测量技术才迅速发展起来。20世纪30年代中期我国出现了光华精密机械厂制造的家用水表， 50年代初有了新成仪表厂所开发的文丘里管差压式流量计系统。60年代开始有了涡轮流量计系统和电磁流量计系统等国内产品。现在已经形成了一个相当规模的从事流量测量技术和仪表研究开发和生产的产业。

流量传感系统的发展方向主要有两个：其一是想普及型仪表发展，即低功耗、多功能、性能适中、使用简便、功能略少、价格相对便宜。其二是向着高精度、特殊介质测量、多功能、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。

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限于传统管道流体，凡是需要掌握流体流动的地方都需要有流体测量，因此流量测量对于现在工业至关重要。 

流量测量技术及流量测量仪表应用的最大领域是工业生产过程，统称的过程测量四大参数是指流量、压力、温度和物位，人们通过参数对生产过程进行监视和控制。正确测量和调节流体流量是保证生产过程安全运行、降低物质消耗、提高产品质量、增加经济效益、实现科学管理的基础，是过程自动化控制系统的保证。

在能源计量中，也使用了大量的流量计量系统。如水、天然气、蒸汽、原油、煤炭等各种资源都使用了各种类型且数量庞大的流量计。流量计是能源管理和经济核算不可缺少的工具，是能源计量仪表的重要组成部分。

在环境保护领域，流量测量仪表也有重要的作用。如人们为了控制大气污染、温室效应、废液和污水的排放，必须对烟尘以及其他温室气体的排放进行监控，对废液和污水进行处理，并对其排放量进行控制。这些都是流量计量系统大显身手的地方。

在科学领域中，流量计也得到了大量的使用，不仅数量庞大，而且种类繁多。如，流量计产品中有很大一部分是应用于科研需，而且许多科研机构和大企业都设有专门小组研究专用的流量计。

除此之外，流量计在现代农业、水利建设、生物工程、管道运输、航空航天以及军事等领域都有着广泛的应用。

1.3本论文研究的目的和意义

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。

伴随着科学技术的不断进步，工业上对对流体流量计量提出了越来越高的要求。特别是对天然气和工业废气、废水进行测量时，流量系统的安全性能就显得尤为突出。传统的流量传感系统多采用电参数测量方式，然后进行非电量转换处理，在很多工业现场必须针对其供电回路及其信号输出回路进行防爆处理以防止电火花产生，从而增加了成本和复杂程度，安全性和可靠性也面临挑战。由于流量是一个动态量，而且被测流体的特性也相当复杂，测量条件又千差万别，寻找一种普遍广泛且可靠地流量测量传感系统，就显得尤为重要。开展高性能流量计量系统的研究、开发及产业化，对促进我国流量系统仪表工业的发展，增强产品的国际竞争力，具有非常重要的意义。

根据不同的生产测量条件，研究新的流体（包括气体和液体）测量工具很有必要。新型的测量传感系统如利用光纤光栅作为探头的测量系统具有灵敏度高、动态范围宽、不受电磁干扰、可靠性高、体积小、可埋入智能结构等诸多优点，特别适用于强磁场、高辐射、腐蚀性或危险性大的环境，因此利用光纤光栅作为载体的新型流量计的研究受到了越来越多的关注与重视，已经成为国内外研究的热门课题。

1.4本论文的研究内容

本论文在研究和总结已有流量计的基础上，决定应用光纤光栅作为检测元件研制出一套流量测量系统，采用光纤光栅作为传感元件，不仅因为它具有天然的绝缘性、抗电磁干扰等本质安全特性，而且具有耐高温、抗腐蚀、和体积小等优点。理论分析表明这种结构的流量传感器还具有检测精度高、线性度好、介质适应性强和易于实现网络化实时准分布检测等优点，因而适用于石油、化工、冶金、核电厂等爆炸性危险场合的各种液体、气体的流量计量。

涡街流量计因其具有结构简单牢固、适用流体种类多、精度高、范围宽、压缩小等优点，目前已经成为一类通用的流量计。传统涡街流量计大多采用电参数测量，然后进行非电量转换处理的，在很多工业现场必须针对其供电回路及其信号输出回路进行防爆及防止电火花产生，从而增加了成本和复杂程度，安全性和可靠性也面临着挑战。

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. 对光纤光栅传感技术及流量测量技术的发展现状进行了简单的说明。

2.对流量测量法法进行研究，并对实验参数进行分析。

3.比较以往的流量测量方式，基于光纤系统进行改进。

4.详细介绍了光纤光栅流量传感系统的基本原理。

5.进行光纤光栅涡街流量传感器系统设计。

6.对整篇论文进行总结 。

 

参考文献

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