【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(shí)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(jìn)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(duì)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(dòng)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?yàn)榱?xí)慣上電場(chǎng)振幅的衰減系數(shù)用α表示，而功率與電場(chǎng)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(gè)常數(shù)。以可得 （222）低損耗是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(dá)到1000dB/km的水平。1970年美國(guó)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(shí)現(xiàn)光纖通信的希望。70年代和80年代經(jīng)過(guò)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(jī)理，光纖渦街傳感器光學(xué)原理，光電探測(cè)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(cè)量需求。第3章流量測(cè)量方法研究以及參數(shù)分析為了滿足各種測(cè)量的需要， 幾百年來(lái)人們根據(jù)不同的測(cè)量原理， 研究開(kāi)發(fā)制造出了數(shù)十種不 同類型的流量計(jì)，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(jì) 量原理、結(jié)構(gòu)不同既有獨(dú)到之處又存在局限性。為達(dá)到較好的測(cè)量效果，需要針對(duì)不 同的測(cè)量領(lǐng)域，不同的測(cè)量介質(zhì)、不同的工作范圍，選擇不同種類、不同型號(hào)的流量計(jì)。由于流量檢測(cè)對(duì)象的多樣性和復(fù)雜性，流量檢測(cè)的方法非常多，是工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程常見(jiàn)參數(shù)中檢測(cè)方法最多的。因此，流量檢測(cè)方法的分類，是比較錯(cuò)綜復(fù)雜的問(wèn)題，目前還沒(méi)有統(tǒng)一的分類方法。比較常用的的是按測(cè)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(jì) 差壓式 流量計(jì) 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(shí)(如標(biāo)準(zhǔn)孔板、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴、長(zhǎng)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(jì)中，因標(biāo)準(zhǔn)孔板節(jié)流裝置差壓流量計(jì) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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。孔板流量計(jì)理論流量 計(jì)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(wú)量鋼；β=d/D，無(wú)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(wú)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(duì)于天然氣而言，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下天然氣積流量的實(shí)用計(jì)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(jì)量系數(shù)，視采用計(jì)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(duì)密度系數(shù)，ε 為可膨脹系數(shù)；Fz 為超壓縮因子； 為流動(dòng)濕度系數(shù)；p1 為孔板上游側(cè) 取壓孔氣流絕對(duì)靜壓，MPa；Δp 為氣流流經(jīng)孔板時(shí)產(chǎn)生的差壓，Pa。差壓式流量計(jì)一般由節(jié)流裝置(節(jié)流件、測(cè)量管、直管段、流動(dòng)調(diào)整器、取壓管路)和差壓計(jì) 組成，對(duì)工況變化、準(zhǔn)確度要求高的場(chǎng)合則需配置壓力計(jì)(傳感器或變送器)、溫度計(jì)(傳感 器或變送器)流量計(jì)算機(jī)，組分不穩(wěn)定時(shí)還需要配置在線密度計(jì)(或色譜儀)等。缺點(diǎn)不足：這種測(cè)量方法精度普遍偏低，現(xiàn)場(chǎng)安裝條件要求較高，損耗大。 (2)速度式流量計(jì) 速度式流量計(jì)是以直接測(cè)量封閉管道中滿管流動(dòng)速度為原理的一類流量計(jì)。 工業(yè)應(yīng)用中主要有： 渦輪流量計(jì)：當(dāng)流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時(shí)，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(dòng)周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值， 檢測(cè)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(hào)。在一定的流量(雷諾數(shù))范圍內(nèi)，該電脈沖信號(hào) 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(jì)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(diǎn)不足：不能長(zhǎng)期保持校準(zhǔn)特性，流體物性對(duì)流量特性影響較大。要長(zhǎng)期定時(shí)維護(hù)，而且不能廣泛適用液體流量測(cè)量。時(shí)差式超聲波流量計(jì)：當(dāng)超聲波穿過(guò)流動(dòng)的流體時(shí)，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(shí)差與被測(cè)流體在管道 中的體積流量(平均流速)成正比。超聲波流量計(jì)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(guò)超聲換能器皿 2 之間傳播途徑上的 聲道長(zhǎng)度，m；L 為超聲波在換能器 2 之間傳播途徑上的聲道長(zhǎng)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(shí)間，s；t2 為超聲波逆流傳播的時(shí)間，s。 速度式氣體流量計(jì)一般由流量傳感器和顯示儀組成， 對(duì)溫度和壓力變化的場(chǎng)合則需配置壓力 計(jì)(傳感器或變送器)、溫度計(jì)(傳感器或變送器)、流量積算儀(溫壓補(bǔ)償)或流量計(jì)算機(jī)(溫 壓及壓縮因子補(bǔ)償)；對(duì)準(zhǔn)確度要求更高的場(chǎng)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(jì)算壓縮因子、密度、發(fā)熱量等。缺點(diǎn)不足：傳播時(shí)間法只能用于清潔液體和氣體；而多普勒法只能用于測(cè)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(jì) 在容積式流量計(jì)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(gè)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(dòng)， 不斷地將流體從已知容積的小空間中排出。 根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動(dòng) 的次數(shù)，即可求出流體流過(guò)的體積量。容積式流量計(jì)的理論流量計(jì)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(jì)的體積流量計(jì)算公式與速度流量計(jì)相同。 氣體容積式流量計(jì)屬 機(jī)械式儀表，一般由測(cè)量體和積算器組成，對(duì)溫度和壓力變化的場(chǎng)合則需配置壓力計(jì)(傳感 器或變送器)、 溫度計(jì)(傳感器或變送器)、 流量積算儀(溫壓補(bǔ)償)或流量計(jì)算機(jī)(溫壓及壓縮 因子補(bǔ)償)。渦街流量傳感器管道中的流體流過(guò)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(huì)同步發(fā)生周期性的變化，根據(jù)這些現(xiàn)象進(jìn)行漩渦頻率檢測(cè)，由公式可實(shí)現(xiàn)體積流量的測(cè)量。漩渦頻率檢測(cè)方法的優(yōu)劣直接影響體積流量的測(cè)量精度，因此，在設(shè)計(jì)檢測(cè)元件是必須考慮檢測(cè)元件的性能，要求有較寬的動(dòng)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(dòng)、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(jià)合理等。目前，常用的漩渦頻率檢測(cè)元件及響應(yīng)的檢測(cè)方法主要有以下幾種：（1）熱敏式渦街流量計(jì)采用對(duì)流速敏感的熱敏電阻作為漩渦頻率的檢測(cè)元件。熱敏電阻是渦街流量計(jì)出現(xiàn)以來(lái)最早使用的檢測(cè)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(dòng)，作用在熱敏電阻上，使其電阻值發(fā)生變化，通過(guò)電子線路進(jìn)行放大、濾波、整形后輸出渦街脈沖信號(hào)，得到體積流量值這種測(cè)量方法靈敏度高，下限流速較低，對(duì)管道振動(dòng)不敏感，單工作溫度上限不高，當(dāng)檢測(cè)元件被流體沾污后，檢測(cè)靈敏度會(huì)下降，甚至無(wú)信號(hào)輸出，熱敏電阻存在熱滯后，頻率響應(yīng)范圍小。雖然信號(hào)處理電路簡(jiǎn)單，但由于岑在上述缺點(diǎn)，目前很少使用。（2）電容式渦街流量計(jì)電容式渦街流量計(jì)是渦街流量傳感器中安裝電容檢測(cè)元件，它相當(dāng)于一個(gè)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(dòng)體繞支點(diǎn)產(chǎn)生微小形變，從而導(dǎo)致一個(gè)電容間隙減少，另一個(gè)電容間隙增大，通過(guò)差分電路檢測(cè)電容差值。當(dāng)管道有振動(dòng)時(shí)，不管振動(dòng)是和方向由振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力同時(shí)作用在振動(dòng)體及電極上，使振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力同時(shí)作用在振動(dòng)體及電極上，使振動(dòng)體與電極都在同方向上產(chǎn)生變形，由于設(shè)計(jì)時(shí)保證了振動(dòng)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(dòng)信號(hào)為零。這就是電容檢測(cè)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(dòng)的影響，但還是大大提高了耐震性能。電容式渦街流量計(jì)的另一個(gè)有點(diǎn)事可耐高達(dá)400℃的溫度。溫度對(duì)電容檢測(cè)元件的影響有兩個(gè)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(yàn)證明，當(dāng)溫度升高至400℃時(shí)無(wú)論電容值變化或漏電流增大都不會(huì)形象儀表的基本性能。近年來(lái)，電容渦街流量計(jì)得到了迅速的發(fā)展，在測(cè)量范圍、工作溫度范圍和抗振動(dòng)性能等方面都明顯改進(jìn)。但是，如何適應(yīng)臟污截止和腐蝕性截止的檢測(cè)是它有待改進(jìn)的地方（3）應(yīng)力式渦街流量計(jì)以壓電元件作為檢測(cè)元件的應(yīng)力式渦街流量計(jì)是目前應(yīng)用最為廣泛的一種渦街流量計(jì)。檢測(cè)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(duì)應(yīng)力的敏感性檢測(cè)所受到的交變應(yīng)力來(lái)反映漩渦脫落頻率。在圖中，流體的流動(dòng)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(gè)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(cè)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(wú)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(hào)經(jīng)放大、濾波、整形后得到與漩渦頻率相應(yīng)的脈沖信號(hào)或電流信號(hào)，這類儀表的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)快、信號(hào)強(qiáng)，可靠性較高。它目前渦街流量計(jì)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(cè)量。但是，壓電晶體檢測(cè)法存在兩個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，壓電晶體對(duì)逛到的振動(dòng)覺(jué)敏感，當(dāng)流體或管道及管道附近有振動(dòng)時(shí)，這種壓電式渦街流量計(jì)就會(huì)產(chǎn)生很到的誤差，甚至無(wú)法使用；其二是壓電晶體長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性較差，特別是無(wú)法再高溫下測(cè)量。近年來(lái)，國(guó)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(jì)，信號(hào)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(jìn)展，但是都沒(méi)有從根本上解決上述問(wèn)題。（4）超聲式渦街流量計(jì)超聲式渦街流量計(jì)是在漩渦發(fā)生體下游管壁上對(duì)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(guò)聲束時(shí)，每一對(duì)旋轉(zhuǎn)反相反的漩渦對(duì)聲波產(chǎn)生一個(gè)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(hào)，經(jīng)放大、檢波、整形后得漩渦信號(hào)。這類儀表具有非接觸測(cè)量且檢測(cè)靈敏度較高，下線流速較低等優(yōu)點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外對(duì)它都有較多的研究，但由于溫度對(duì)聲調(diào)制有影響，流場(chǎng)的變化及液體中所含的氣派哦對(duì)測(cè)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(cè)量。除了上述幾種主要的檢測(cè)方法外，近年來(lái)又研究發(fā)展了一些新的檢測(cè)方法，如光電式、光纖式、電磁式、電感式、和振動(dòng)體式等。這些方法各有特點(diǎn)，但主要還在研究階段，實(shí)際中很少使用。通過(guò)上面的評(píng)述可見(jiàn)，雖然渦街流量計(jì)漩渦頻率檢測(cè)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(kāi)展該領(lǐng)域的研究，不斷地改進(jìn)已有的方法，不斷地思考采用新的技術(shù)。基于光纖光柵系統(tǒng)的渦街流量傳感器基于光纖光柵的流體計(jì)量傳感系統(tǒng)主要由光纖光柵傳感器和高速波長(zhǎng)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(jiàn)圖1。位置1處表示光纖光柵溫度傳感器,安裝在一個(gè)鋼管內(nèi)部,由毛細(xì)鋼管封裝,直接測(cè)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(duì)流體溫度測(cè)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(guò)不銹鋼封裝的膜片式壓力傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)流體的壓力傳感。光纖光柵流量傳感器直接通過(guò)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(guò)高速動(dòng)態(tài)波長(zhǎng)解調(diào)儀,解調(diào)出光纖光柵的受力頻率,即感測(cè)出渦街產(chǎn)生的頻率,由渦街產(chǎn)生的頻率就可以計(jì)算出流體的流速,通過(guò)