【文章內(nèi)容簡介】 采用抗靜電干擾且能方便接地的金屬封裝外殼，內(nèi)部結(jié)構(gòu)時在SiO2層表面的透光區(qū)鍍以增透膜，其它為金屬接觸區(qū)。透光區(qū)中光子先經(jīng)層，再進入I區(qū)(本征區(qū))，最后到基片。一般I區(qū)約厚度約10μm。圖27PIN光電二極管結(jié)構(gòu)示意圖PIN管中的本征層對提高器件靈敏度和頻率響應(yīng)起著十分重要的作用。設(shè)置本征層可加大耗盡層，加寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，使靈敏度得以提高。耗盡層的加寬也明顯減小了結(jié)電容Cp，也改善了PIN管的動態(tài)頻響。光纖在光纖通信，光纖傳感等應(yīng)用中，人們最關(guān)心的傳輸特性，主要是損耗、帶寬和偏振特性。損耗的表示方法大多數(shù)傳輸線路中，傳輸功率隨傳輸距離做指數(shù)衰減，可表示為式 （219）其中，和分別為輸入端（z=0）處和傳輸距離為z處的功率；2α是衰減系數(shù)或稱功率損耗系數(shù)，其中系數(shù)2是因為習(xí)慣上電場振幅的衰減系數(shù)用α表示，而功率與電場的平方成正比由式可得衰減系數(shù) （220）上式求出的衰減系數(shù)是以奈培為單位的。人們更習(xí)慣于使用分貝（dB）表示衰減系數(shù)α，并定義為 （221）以分貝表示的衰減系數(shù)α與以奈培為單位表示的衰減系數(shù)2α只是相差一個常數(shù)。以可得 （222）低損耗是實現(xiàn)遠距離光纖傳輸?shù)那疤帷?0世紀(jì)60年代拉制的光纖，其損耗還只能達到1000dB/km的水平。1970年美國康寧公司第一次拉制處損耗為20dB/km的石英光纖，使人們看到了實現(xiàn)光纖通信的希望。70年代和80年代經(jīng)過科技人員的努力，它已接近光纖損耗的理論極限。本章主要講述了光纖光柵傳感器的原理，渦街傳感器原理光纖損耗機理，光纖渦街傳感器光學(xué)原理，光電探測原理。將光纖和渦街流量傳感器原理相結(jié)合，構(gòu)造出光纖光柵渦街傳感器的工作原理，適應(yīng)更多的流量測量需求。第3章流量測量方法研究以及參數(shù)分析為了滿足各種測量的需要， 幾百年來人們根據(jù)不同的測量原理， 研究開發(fā)制造出了數(shù)十種不 同類型的流量計，大致分為容積式、速度式、差壓式、面積式、質(zhì)量式等。各種類型的 流 量計 量原理、結(jié)構(gòu)不同既有獨到之處又存在局限性。為達到較好的測量效果，需要針對不 同的測量領(lǐng)域，不同的測量介質(zhì)、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號的流量計。由于流量檢測對象的多樣性和復(fù)雜性，流量檢測的方法非常多，是工業(yè)生產(chǎn)過程常見參數(shù)中檢測方法最多的。因此，流量檢測方法的分類，是比較錯綜復(fù)雜的問題，目前還沒有統(tǒng)一的分類方法。比較常用的的是按測量方法和結(jié)構(gòu)分類的，有差壓式，浮子式，容量式，渦輪式，電磁式，渦街式，超聲式，熱式等。本章主要介紹常用的幾種。 (1)差壓式流量計 差壓式 流量計 是以伯努利方程和流體連續(xù)性方程為依據(jù)， 根據(jù)節(jié)流原理，當(dāng)流體流經(jīng)節(jié)流 件時(如標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長徑噴嘴、經(jīng)典文丘利嘴、文丘利噴嘴等)，在其前后產(chǎn)生壓 差，此差壓值與該流量的平方成正比。在差壓式流量計中，因標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置差壓流量計 結(jié)構(gòu)簡單、制造成本低、研究最充分、已標(biāo)準(zhǔn)化而得到最廣泛的應(yīng)用?？装辶髁坑嬂碚摿髁?計算公式為： （31） 式中， 為工況下的體積流量，單位；c 為流出系數(shù)，無量鋼；β=d/D，無量鋼；d 為工況 下孔板內(nèi)徑，mm；D 為工況下上游管道內(nèi)徑，mm；ε 為可膨脹系數(shù)，無量鋼；Δp 為孔板前 后的差壓值，Pa；ρ1 為工況下流體的密度，kg/m179。 對于天然氣而言，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣積流量的實用計算公式為： （32）式中，qn 為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣體積流量，m179。/s；As 為秒計量系數(shù)，視采用計量單位而定， 此式 As=10 ；c 為流出系數(shù)；E 為漸近速度系數(shù)；d 為工況下孔板內(nèi)徑，mm；FG 為 相對密度系數(shù)，ε 為可膨脹系數(shù)；Fz 為超壓縮因子； 為流動濕度系數(shù)；p1 為孔板上游側(cè) 取壓孔氣流絕對靜壓，MPa；Δp 為氣流流經(jīng)孔板時產(chǎn)生的差壓，Pa。差壓式流量計一般由節(jié)流裝置(節(jié)流件、測量管、直管段、流動調(diào)整器、取壓管路)和差壓計 組成，對工況變化、準(zhǔn)確度要求高的場合則需配置壓力計(傳感器或變送器)、溫度計(傳感 器或變送器)流量計算機，組分不穩(wěn)定時還需要配置在線密度計(或色譜儀)等。缺點不足：這種測量方法精度普遍偏低，現(xiàn)場安裝條件要求較高，損耗大。 (2)速度式流量計 速度式流量計是以直接測量封閉管道中滿管流動速度為原理的一類流量計。 工業(yè)應(yīng)用中主要有： 渦輪流量計：當(dāng)流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時，在流體推力作用下渦輪受力旋轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速 與管道平均流速成正比， 渦輪轉(zhuǎn)動周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值， 檢測線圈中的磁通隨之 發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生周期性的電脈沖信號。在一定的流量(雷諾數(shù))范圍內(nèi)，該電脈沖信號 與流經(jīng)渦輪流量傳感器處流體的體積流量成正比。渦輪流量計的理論流量方程為： 式中 n 為渦輪轉(zhuǎn)速；qv 為體積流量；A 為流體物性(密度、粘度等)，渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)(渦輪傾 角、渦輪直徑、流道截面積等)有關(guān)的參數(shù)；B 為與渦輪頂隙、流體流速分布有關(guān)的系數(shù)；C 為與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。 （33）缺點不足：不能長期保持校準(zhǔn)特性，流體物性對流量特性影響較大。要長期定時維護，而且不能廣泛適用液體流量測量。時差式超聲波流量計：當(dāng)超聲波穿過流動的流體時，在同一傳播距離內(nèi)，其沿順流方向 和沿逆流方向的傳播速度則不同。 在較寬的流量(雷諾數(shù))范圍內(nèi)， 該時差與被測流體在管道 中的體積流量(平均流速)成正比。超聲波流量計的流量方程式為： 式中，qf 為工況下的體積流量，m179。/s；V 為流體通過超聲換能器皿 2 之間傳播途徑上的 聲道長度，m；L 為超聲波在換能器 2 之間傳播途徑上的聲道長度，m；X 為傳播途徑上的 軸向分量，m；t1 為超聲波順流傳播的時間，s；t2 為超聲波逆流傳播的時間，s。 速度式氣體流量計一般由流量傳感器和顯示儀組成， 對溫度和壓力變化的場合則需配置壓力 計(傳感器或變送器)、溫度計(傳感器或變送器)、流量積算儀(溫壓補償)或流量計算機(溫 壓及壓縮因子補償)；對準(zhǔn)確度要求更高的場合(如貿(mào)易天然氣)，則另配置在線色譜儀連續(xù) 分析混合氣體的組分或物性值計算壓縮因子、密度、發(fā)熱量等。缺點不足：傳播時間法只能用于清潔液體和氣體；而多普勒法只能用于測量含有一定懸浮顆粒和氣泡的液體，切精度不高 (3)容積式流量計 在容積式流量計的內(nèi)部， 有一構(gòu)成固定的大空間和一組將該空間分割成若干個已知容積的小 空間的旋轉(zhuǎn)體，如腰輪、皮膜、轉(zhuǎn)筒、刮板、橢圓齒輪、活塞、螺桿等。旋轉(zhuǎn)體在流體壓差 的作用下連續(xù)轉(zhuǎn)動， 不斷地將流體從已知容積的小空間中排出。 根據(jù)一定時間內(nèi)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動 的次數(shù)，即可求出流體流過的體積量。容積式流量計的理論流量計算公式： qf=n*V （34）式中，qf 為工況下的體積流量，m179。/s；n 為旋轉(zhuǎn)體的流速，周/s；V 為旋轉(zhuǎn)體每轉(zhuǎn)一周所排 流體的體積，m179。/周。 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下， 容積式流量計的體積流量計算公式與速度流量計相同。 氣體容積式流量計屬 機械式儀表，一般由測量體和積算器組成，對溫度和壓力變化的場合則需配置壓力計(傳感 器或變送器)、 溫度計(傳感器或變送器)、 流量積算儀(溫壓補償)或流量計算機(溫壓及壓縮 因子補償)。渦街流量傳感器管道中的流體流過渦街發(fā)生體后，伴隨漩渦形成和分離，在渦街發(fā)生體上受到的力合周圍流體的流速、壓力等會同步發(fā)生周期性的變化，根據(jù)這些現(xiàn)象進行漩渦頻率檢測，由公式可實現(xiàn)體積流量的測量。漩渦頻率檢測方法的優(yōu)劣直接影響體積流量的測量精度，因此，在設(shè)計檢測元件是必須考慮檢測元件的性能，要求有較寬的動態(tài)工作范圍和較快的響應(yīng)特性，能適應(yīng)各種工作條件（腐蝕、震動、高低溫等），體積小，不因它的安裝而影響儀表的流量特性，工作可靠，造價合理等。目前，常用的漩渦頻率檢測元件及響應(yīng)的檢測方法主要有以下幾種：（1）熱敏式渦街流量計采用對流速敏感的熱敏電阻作為漩渦頻率的檢測元件。熱敏電阻是渦街流量計出現(xiàn)以來最早使用的檢測元件。結(jié)構(gòu)如圖所示，熱敏電阻置于渦街發(fā)生體底部或適當(dāng)部位，當(dāng)選我分離引起局部流速脈動，作用在熱敏電阻上，使其電阻值發(fā)生變化，通過電子線路進行放大、濾波、整形后輸出渦街脈沖信號，得到體積流量值這種測量方法靈敏度高，下限流速較低，對管道振動不敏感，單工作溫度上限不高，當(dāng)檢測元件被流體沾污后，檢測靈敏度會下降，甚至無信號輸出，熱敏電阻存在熱滯后，頻率響應(yīng)范圍小。雖然信號處理電路簡單，但由于岑在上述缺點，目前很少使用。（2）電容式渦街流量計電容式渦街流量計是渦街流量傳感器中安裝電容檢測元件，它相當(dāng)于一個懸臂梁，當(dāng)漩渦產(chǎn)生式在兩側(cè)形成微小的壓差，使振動體繞支點產(chǎn)生微小形變，從而導(dǎo)致一個電容間隙減少，另一個電容間隙增大，通過差分電路檢測電容差值。當(dāng)管道有振動時，不管振動是和方向由振動產(chǎn)生的慣性力同時作用在振動體及電極上，使振動產(chǎn)生的慣性力同時作用在振動體及電極上，使振動體與電極都在同方向上產(chǎn)生變形，由于設(shè)計時保證了振動體與電極的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸相匹配，使它們的變形量一致，差動信號為零。這就是電容檢測元件耐振性能好的原因。雖然由于制造工藝的誤差，不可能完全消除振動的影響，但還是大大提高了耐震性能。電容式渦街流量計的另一個有點事可耐高達400℃的溫度。溫度對電容檢測元件的影響有兩個方面：溫度使電容間介電常數(shù)發(fā)生變化和電極的幾何尺寸變化，這些導(dǎo)致電容值發(fā)生變化，另一方面由于溫度升高金屬熱電子發(fā)射造成電容的漏電增大。試驗證明，當(dāng)溫度升高至400℃時無論電容值變化或漏電流增大都不會形象儀表的基本性能。近年來，電容渦街流量計得到了迅速的發(fā)展，在測量范圍、工作溫度范圍和抗振動性能等方面都明顯改進。但是，如何適應(yīng)臟污截止和腐蝕性截止的檢測是它有待改進的地方（3）應(yīng)力式渦街流量計以壓電元件作為檢測元件的應(yīng)力式渦街流量計是目前應(yīng)用最為廣泛的一種渦街流量計。檢測原理如圖，在漩渦發(fā)生體內(nèi)埋置壓電晶體，利用壓電晶體對應(yīng)力的敏感性檢測所受到的交變應(yīng)力來反映漩渦脫落頻率。在圖中，流體的流動方向垂直紙面，作用在漩渦發(fā)生體上面的交替推理頻率與漩渦發(fā)聲體發(fā)出的漩渦頻率相同，這個力使漩渦發(fā)生體產(chǎn)生應(yīng)力變化，由裝在漩渦發(fā)生體內(nèi)的壓電元件檢測出此應(yīng)力的變化頻率。交替推力的大小與流體流速的平方及流體的密度成正比，其關(guān)系如下： （35）式中——交替推理的最大值，N——無量綱系數(shù)U——管道內(nèi)流體的流速。m/sρ——流體的密度㎏/m179。D——管道內(nèi)徑，md——漩渦發(fā)生體迎流方向的有效寬度，m壓電元件上產(chǎn)生的平均盈利及電荷量Q如下：式中，K——由漩渦發(fā)生體的形狀與支撐方式所決定的常數(shù)，1/㎡；——壓電元件的壓電常數(shù)，C/NS——壓電元件的面積，㎡而交替應(yīng)力游到的狡辯電荷的頻率即為漩渦的頻率，狡辯電荷信號經(jīng)放大、濾波、整形后得到與漩渦頻率相應(yīng)的脈沖信號或電流信號，這類儀表的優(yōu)點是響應(yīng)快、信號強，可靠性較高。它目前渦街流量計的主要產(chǎn)品類型，已有系列化產(chǎn)品，廣泛用于液體、氣體或整齊流量的測量。但是，壓電晶體檢測法存在兩個嚴(yán)重的問題，壓電晶體對逛到的振動覺敏感，當(dāng)流體或管道及管道附近有振動時，這種壓電式渦街流量計就會產(chǎn)生很到的誤差，甚至無法使用；其二是壓電晶體長期使用的穩(wěn)定性較差，特別是無法再高溫下測量。近年來，國內(nèi)外的儀表生產(chǎn)廠和研究工作這從傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，信號放大電路以及軟件處理等角度做了大量的工作，在管道安裝減震方式上采取一些措施，去的了一些進展，但是都沒有從根本上解決上述問題。（4）超聲式渦街流量計超聲式渦街流量計是在漩渦發(fā)生體下游管壁上對稱安裝超聲波發(fā)射換能器和接受換能器，如圖，發(fā)射換能器A將等副連續(xù)的高品勝博發(fā)射到流體中去，聲波橫穿流體傳播，當(dāng)選我涌過聲束時，每一對旋轉(zhuǎn)反相反的漩渦對聲波產(chǎn)生一個周期的調(diào)制作用，受調(diào)制聲波被接受探頭B轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大、檢波、整形后得漩渦信號。這類儀表具有非接觸測量且檢測靈敏度較高，下線流速較低等優(yōu)點，國內(nèi)外對它都有較多的研究，但由于溫度對聲調(diào)制有影響，流場的變化及液體中所含的氣派哦對測量影響較大，故該儀表只能使用于溫度變化較小的氣體和含量很小的液體流量測量。除了上述幾種主要的檢測方法外，近年來又研究發(fā)展了一些新的檢測方法，如光電式、光纖式、電磁式、電感式、和振動體式等。這些方法各有特點，但主要還在研究階段，實際中很少使用。通過上面的評述可見，雖然渦街流量計漩渦頻率檢測方法較多，但存在著這樣那樣的不足之處。正是由于這寫不足之處，促使著廣大研究工作者不斷地深入開展該領(lǐng)域的研究，不斷地改進已有的方法，不斷地思考采用新的技術(shù)?；诠饫w光柵系統(tǒng)的渦街流量傳感器基于光纖光柵的流體計量傳感系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器和高速波長解調(diào)儀兩大部分組成,傳感器包括:光纖光柵溫度、壓力和渦街流量傳感器,傳感器之間采用串聯(lián)方式,構(gòu)成波分復(fù)用網(wǎng)絡(luò)。傳感器結(jié)構(gòu)見圖1。位置1處表示光纖光柵溫度傳感器,安裝在一個鋼管內(nèi)部,由毛細鋼管封裝,直接測量管道中流體的溫度,采用伸入管道內(nèi)部的安裝方式可以減少環(huán)境溫度對流體溫度測量的影響。位置1處的鋼管還有將流體的壓力引入到位置2處的壓力傳感器的用途,通過不銹鋼封裝的膜片式壓力傳感器實現(xiàn)對流體的壓力傳感。光纖光柵流量傳感器直接通過不銹鋼法蘭安裝在渦街產(chǎn)生裝置上,在渦街產(chǎn)生裝置的作用下,采集到渦街產(chǎn)生的頻率,再通過高速動態(tài)波長解調(diào)儀,解調(diào)出光纖光柵的受力頻率,即感測出渦街產(chǎn)生的頻率,由渦街產(chǎn)生的頻率就可以計算出流體的流速,通過