【文章內(nèi)容簡介】 流量、速度、加速度、振動、轉(zhuǎn)動、彎曲、應(yīng)變、磁場、電場、電流、化學(xué)量、生物醫(yī)學(xué)量等類型。 與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有獨特的優(yōu)點 [13]： (1)抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕、本質(zhì)安全。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠。 (2) 靈敏度高。光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。 (3) 重量輕、體積小、可撓曲。光纖除具有重量輕、體 積小的特點外，還有可撓曲的優(yōu)點，因此可以利用光纖制成不同外型、不同尺寸的各種傳感器。 (4) 測量對象廣泛。目前己有性能不同的測量各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場使用。 (5) 對被測介質(zhì)影響小，有利于在生物、醫(yī)藥衛(wèi)生等具有復(fù)雜環(huán)境的領(lǐng)域中應(yīng)用。 (6) 便于復(fù)用，便于成網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有光通信設(shè)備組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。 (7) 成本低。有些種類的光纖傳感器的成本大大低于現(xiàn)有同類傳感器。 光纖傳感器的組成和基本原理 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 7 光纖光柵流 量傳感是把光纖光柵的傳感原理與各種已經(jīng)成熟的流量測量原理相結(jié)合，通過檢測光柵的中心反射波長的變化幅度或變化頻率，信號處理和數(shù)據(jù)分析之后，就可以實現(xiàn)液體或氣體的流量檢測。人們一直在做各種各樣的嘗試，如光纖光柵靶式流量傳感器、光纖光柵文丘里管流量傳感器、光纖光柵 V型內(nèi)錐流量傳感器以及本論文所要研究的光纖光柵渦街流量傳感器。 光纖傳感器包括對外界被測量物理量的感知和傳輸兩種功能。所謂感知是指外界被測物理量對光纖中傳播的光波特征參量實施調(diào)制 ，使其雖被測量的變換而變化，這樣通過測量光波特征參量的變化及可感知外界被測量 的變化。所謂傳輸是指通過光纖將 受 外界被測量調(diào)制的光波傳輸?shù)焦?電轉(zhuǎn)換器件進行檢測，通過信號處理將外界被測量的變化從光波中提出來，即進行調(diào)解。因此，光纖傳感器一般由光源、光纖、傳感頭、光電轉(zhuǎn)換器件和信號處理系統(tǒng)等五部分組成，如圖 21 所示。 圖 21 光纖傳感器組成示意圖 光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光波作為載波經(jīng)入射光纖傳輸?shù)絺鞲蓄^，光波的某些特征參量在傳感頭內(nèi)部被外界被測物理量所調(diào)制，被調(diào)制后的光纖經(jīng)出射光線傳輸?shù)焦怆娹D(zhuǎn)換器，經(jīng)光電裝換器轉(zhuǎn)換成電信號，再由信號處理系統(tǒng)調(diào)解后就能得到被測物理量的大 小和狀態(tài)。 其中光源可采用白熾燈、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管等，傳感頭可以是光纖本身或其他敏感元件，猶豫光波特征參量是在傳感頭內(nèi)被被測量所調(diào)制，因此， 傳感頭也稱調(diào)制區(qū)。所用光纖除通行光纖外，還用到各種特種光纖，例如特種材料光纖（ 有硫化物光纖、重金屬氧化物光纖、晶體光纖、塑料光纖、樹脂光纖等 ） 、特殊圖層光纖（如碳圖層光纖、金屬涂層光纖、陶瓷涂層光纖等），以及特殊結(jié)構(gòu)光纖（如熊貓光纖、蝴蝶結(jié)光纖、橢圓芯光纖等）。光電轉(zhuǎn)換器主要采用 PIN 光電二極管、雪崩光電二極管（ APD）、光電三極管和 CCD 陣列等。 光纖 光柵傳感器基本光學(xué)性質(zhì) 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 8 研究和應(yīng)用光纖光柵傳感器首先要認(rèn)真掌握其基本光學(xué)參數(shù)：反射率、透射率、中心波長、反射帶寬及光柵模式方程等，并能夠利用典型的三種光纖光柵理論逐一進行分析。而采用耦合模理論推導(dǎo)的光纖光柵基本光學(xué)參數(shù)形式更加緊湊、物理含義更加清晰。 光纖布喇格光柵和長周期光纖光柵是傳感應(yīng)用最多且最具有發(fā)展前途的兩種光纖光柵，下面是對其基本光學(xué)性質(zhì)的理論分析分析。 光纖布喇格光柵傳感器主要技術(shù)參量 一、反射率 R[6] （ 21） 式中相關(guān)參數(shù)解析如下： 自耦合系數(shù)： zd dd???? 21? ??? ， （ 22） 其中 zdd?21描述光柵的啁啾程度 失諧量 ???????? ?????Deffn ?????? 112 （ 23） 光柵峰值波長： ?? effD n2? （ 24） 光柵吸收損耗復(fù)參數(shù)： ???????? ?????De f fdn ?????? 112 （ 25） 交叉耦合系數(shù)： e f fnvkk ????? ? （ 26） 若光柵沿軸向均勻（無啁啾），則 ???? ?,0?zdd 和 effn? 均為常數(shù)。 透射率 T T=1R 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 9 中心波長 max? Deffeffnn ??? ???????? ?? 1m ax （ 27） 反射帶寬 0?? （ 28） ， L﹤﹤ D?? effn ，折射率變化極小，由上式得 NLn n Deff eff ???? 22D ??? （ ??LN 為光柵周期數(shù)） （ 29） ， effn?? ﹤﹤LD ，折射率變 化很大由式 28 得 effeffnn?? v0 ?? （ 210） 光柵 方程： ?? effb n2? 長周期光纖光柵 一 溫度靈敏度 [14] （ 211） 其中 con ， ??pdn 分別為纖芯和包層的折射率， co? 為纖芯的熱膨脹系數(shù) clco ??、 分別為纖芯和包層的有效彈光系數(shù)和熱光系數(shù)。 m?200?? ， Coco / 6???? ， ?con ，相對折射率 3105??? ?cop ? ? CCp clcocl 0606 /~,/~ ?? ????? ??。 于是 CnmS T 02 / ??? 二 應(yīng)變靈敏度 （ 212） 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 10 其中 。效光彈系數(shù)。分別為纖芯和包層的有、 ~, ?? clcoclco pppp 于是，??? / 2 nms ??? 渦街流量傳感器原理 渦街流量測量的基本原理是在與被測介質(zhì)流向垂直的方向放置一非流線型阻流體（也稱旋渦發(fā)生體），流體流過該阻流體時，在阻流體后方兩側(cè)交替地分離釋放出兩列規(guī)則的交錯排列的旋渦，即為卡門渦街（如圖 2—2）所示。如果在阻流體中安裝傳感器，就可以獲取表征流體流量的信號，該信號的變化頻率與旋渦的脫離頻率一致。通過檢測傳感器輸出信號的變化頻率，就可以得到旋渦的分離頻率 在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi)（ 74 102~102Re ??? ），旋渦的分離頻率正比于管道內(nèi)的平均流速 dVSft? （ 213） 卡門渦銜 [6] 圖 22 卡門渦街 式 (2—11) 中， tS ——斯特勞哈爾數(shù)，在雷諾數(shù) 74 102~102Re ??? 范圍內(nèi)是無量綱常數(shù)； f——渦街頻率， Hz ； V——渦漩發(fā)生體兩側(cè)平均流速， m/s ； d——旋渦發(fā)生體迎流面寬度， m； 管道內(nèi)徑為 D，旋渦發(fā)生體迎流面寬度為 d，當(dāng) d/D 時，旋渦發(fā)生體外的流通面 積 A 近似為 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 11 （ 214） 將流通面積代入，則得到流體體積流量 （ 215） 令： （ 216） 當(dāng)流量計的口徑確定以后， d,D 均為定值，并且在一定的流量范圍內(nèi)， tS 為常數(shù)，因此 K 也為 常數(shù)（ K 稱為裝置系數(shù)），將 K 代入，有 kfqv ? （ 217） 因此，只要測出窩銜分離頻率 f，即可得到流體的瞬時體積流量 vq 對一段時間間隔內(nèi)的瞬時流量進行積分，就可以得到流體在這段時間內(nèi)的累計體積流量。 光纖光柵式渦街流量傳感器 原理 圖 23 是 我們提出的光纖光柵渦街流量探測器的示意圖。通過將傳感光纖光柵置于漩渦發(fā)生體后，并與管道形成一個懸臂梁結(jié)構(gòu)來測量漩渦發(fā) 生頻率。漩渦在行進的過程中，會在漩渦發(fā)生體的下游產(chǎn)生一個垂直于管道軸線方向的升力，由于漩渦在漩渦發(fā)生體兩側(cè)交替產(chǎn)生，而且旋轉(zhuǎn)方向相反，故作用于漩渦發(fā)生體上的升力也是交替變化的。從而為懸臂梁提供使其產(chǎn)生振動的策動力，因此懸臂梁就發(fā)生了垂直于軸線方向?qū)ΨQ的受迫振動。當(dāng)懸臂梁的固有頻率遠遠高于被測漩渦頻率時，交替作用在漩渦發(fā)生體上的升力的變化頻率等于漩渦的頻率 ,而升力變化頻率又與流體的振動頻率相同，所以可以通過檢測懸臂梁的振動頻率來探測漩渦的頻率，進而由公式（ 213）得到流體的流量。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 12 圖 23 光纖光柵渦街流 量探測器 [7] 光纖光柵的封裝示意如圖 24 所示，將傳感光纖光柵 FBG 封裝于鉆有園孔的矩形不繡鋼方鋼內(nèi)，并在固定芯桿上銑制一與傳感光纖匹配的 “V”型槽。將光纖用耐溫粘接劑貼附其上，裝配后用導(dǎo)熱硅脂填充，構(gòu)成懸臂梁形式的分離漩渦頻率探測器。另外，由于 FBG光纖光柵具有對 應(yīng)力 靈敏的光本征特性，經(jīng)過特殊的封裝處理后使該傳感結(jié)構(gòu)還能夠?qū)?流速 有良好的敏感探測性能。從而實現(xiàn)了用單一傳感光柵對應(yīng)變、 流量 場復(fù)合參數(shù)的同時測量。由于光纖光柵對 流量 和應(yīng)變同時敏感，因此光纖傳感器波長的總漂移量為： TD ??? ????? （ 218） 其中： D?? 為流體旋渦震蕩引起的波長漂移 T?? 為流體溫度變化引起的波長漂移，因為流體介質(zhì)溫度變化非常緩慢，因此 T?? 為超低頻（近似直流信號）分量。可通過信號處理電路中的由可編程有源濾波器信號通道分離回路來實現(xiàn)復(fù)合參量的同時測量。該測量原理將在下面章節(jié)中做詳細介紹。 圖 24 光纖光柵 漩渦探測器裝 配示意圖 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 13 光纖光柵渦街流量傳感器光路測量原理 基于 Sagnac 干涉解調(diào)原理的光纖光柵渦街流量傳感器光學(xué)解調(diào)系統(tǒng)原理如圖 25 所示。光學(xué)解調(diào)系統(tǒng)采用環(huán)形腔的結(jié)構(gòu)，其中環(huán)形腔的一段光纖為高雙折射光纖 (保偏光纖 )，腔中串接偏振控制器。由于高雙折射光纖的快慢軸方向上的有效折射率不同，因此，不同偏振方向的光在高雙折射光纖中的光程不一樣，使環(huán)形腔內(nèi)沿順時針與逆時針兩個方向的光產(chǎn)生光程差。這種方法，使得光程差僅與高雙折射光纖的長度和有效折射率差有關(guān)。通過改變保偏光纖的長度，即可達到調(diào)節(jié)光程差的目的。根據(jù)光纖光 柵耦合模理論，當(dāng)由渦街流量傳感器的旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的規(guī)律性旋渦對由敏感 FBG 光纖組成的探測器的沖擊，使得傳感光柵得到響應(yīng)，并因此將流量與溫度參量信息通過傳輸光纖輸出給后續(xù)的電子解調(diào)系統(tǒng)，從而達到對流體工況流量的檢測與計量。 圖 25 光纖 光柵渦街流量傳感器光學(xué)原理框圖 檢測系統(tǒng)構(gòu)成及實現(xiàn) 光纖光柵渦街流量傳感器測量系統(tǒng)原理框圖如圖 26 所示。光纖光柵渦街流量傳感器感測到的流量、溫度復(fù)合信號，通過 PIN 光電轉(zhuǎn)換形成電信號，通過高通濾波器和低通濾波器將信號分為交流信號和超低頻波動信號。對分離后的信號進行分析，分別求解出溫度和流速參數(shù)，從而實現(xiàn)了用單一光纖光柵同時測量復(fù)合參量的目的。另外在應(yīng)用于測量蒸汽及熱水的場合，利用計算機直接可以計算出管網(wǎng)輸送的熱量。這也是在今后的實際研究工作中所將要重點研究的問題之一。本設(shè)計將光纖傳感器與傳統(tǒng)的渦 街流量測量原理相結(jié)合 ,使流量傳感器采用光纖光柵傳感器檢測漩渦頻率，其獨特的性能克服了傳統(tǒng)渦街傳感器的諸多不利因素 ,將極大地推動渦街流量傳感器開拓應(yīng)用。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 14 圖 26 光纖光柵渦街流量傳感器系統(tǒng)原理框圖 光纖光柵渦街流量傳感器光電信號轉(zhuǎn)換原理 在光纖光柵渦街流量傳感器測量系統(tǒng)應(yīng)用中，由于 PIN 管的輸出信號幅值極低（ μA或 nA 量級），合理適配 PIN 管的工作偏置及性能優(yōu)良的信號前置放大器，并認(rèn)真分析選擇適當(dāng)?shù)撵o電屏蔽方式，降低電路器件對測量值的附加影響，提高整個測量系統(tǒng)的信噪比，從而保證系統(tǒng)的測試精度及穩(wěn) 定性 [5]。 光電探測器原理 光探測器都是把光譜能量轉(zhuǎn)換成電參量來實現(xiàn)對光的探測的功能性器件。因此，能將光譜能量轉(zhuǎn)換為電參量的光探測器，均稱之為光電探測器。光電探測器的物理效應(yīng)通常分為兩大類：光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)。光子效應(yīng)是指探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光子能量的大小，直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)量值幅度改變。所以，光子效應(yīng)能對光波頻率具有選擇性，當(dāng)光子與電子相互作用時，其響應(yīng)速度 比較快。光子效應(yīng)可分為：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)的器件主要有：光電管、光 電倍增管等。內(nèi)光電效應(yīng)的器件主要有：光敏電阻、光電二極管、光電三極管和光電池等。光熱效應(yīng)