【導(dǎo)讀】4pm/(Hz)1/2. (TDM)[7].[10–12].

　　

【正文】 帶有干涉 式檢測(cè)的光纖光柵傳感的 噪聲估計(jì)報(bào)告 [10 12]。 我們 研究的課題 是光纖光柵應(yīng)用于水計(jì)量計(jì)。有各種各樣的應(yīng)用 ,包括渦輪流量計(jì)和差壓式渦街流量計(jì)。 流量計(jì)的測(cè)量包括不同的流量，包括水的流量、氣體流量、多相流動(dòng)。正交流量計(jì)是利用 包括 渦流和自然存在的不穩(wěn)定的壓力場(chǎng) 的連續(xù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的延遲信號(hào) ,通常是作為管道的流量測(cè)量。 菲涅爾流量計(jì)的優(yōu)勢(shì)是它的傳感器的工作原理簡(jiǎn)單。唯一需要的流量計(jì)的參數(shù)是兩個(gè)傳感器之間的距離。在菲涅爾流量計(jì)中，兩個(gè)超聲發(fā)射器和接收器經(jīng)常因?yàn)槠鋵?duì)流量沒(méi)有影響而被廣泛應(yīng)用 [13]。超聲波傳感流量計(jì)在寬的流速范圍具有良好的線性度。流量計(jì)的問(wèn)題是 系統(tǒng)需要至少 4個(gè)傳感器而具有非常復(fù)雜的傳感部分。 Dyakowski和威廉 姆斯報(bào)道的菲涅爾流量計(jì) [14]使用 16光線 (8)來(lái)檢測(cè)信號(hào)的雙氣固流動(dòng)混合物。強(qiáng)度調(diào)控光信號(hào)的互相關(guān)速度的獲得，是在平均流速和流速分布進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上 ,結(jié)合管道計(jì)算獲得的效應(yīng)。 該流量計(jì)因?yàn)槊庖吆蜔o(wú)源電磁干擾的天性而具有吸引力的。然而 ,系統(tǒng)需要反射或散射的光線粒子 ,在流體和應(yīng)用中進(jìn)行限制。很少有關(guān)于光學(xué)傳感器而 不是光線和射線 適合于水的流量測(cè)量的菲涅爾流量計(jì)的報(bào)道。 在本文中 ,我們提出了一個(gè)使用雙光纖光柵傳感器和互相關(guān)技術(shù)的水流量計(jì)。沒(méi)有電子 設(shè)備和 機(jī)械零部件 的流量計(jì) ,因此該傳感器具 的 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 首先 ,我們解釋流 量計(jì)的基本原理和原理圖。其次 ,我們 提出了 使用 2 2和 3 3耦合器的馬赫 澤德干涉的干涉儀光纖光柵傳感的噪聲估計(jì) [9]。最后 ,我們描述了光纖光柵傳感實(shí)驗(yàn)性能和流量計(jì) 。 利用光纖光柵傳感器的菲涅爾流量計(jì) 圖 1顯示了流量計(jì)的原理，菲涅爾流量計(jì) 呈現(xiàn)了利用光纖布拉格光柵 和金屬懸臂梁 的光纖布拉光柵應(yīng)變傳感器 。 在流量測(cè)量剖面運(yùn)用光纖光柵傳感器和阻流體。矩形的阻流體柱產(chǎn)生穩(wěn)定的渦流。 用平滑的連續(xù)變換 RSCOT來(lái)估計(jì) 光纖光柵傳感器檢測(cè)的渦流信號(hào)之間的時(shí)間延遲，方程 RSCOT表示如下： ? ? ? ?? ? ? ?????????? ?fGfGfGFRyyxxxyR S C O T 1t (1) 在 Gxx(f)和 Gyy(f)是傳感器信號(hào) 的上游和下游的功譜， Gxy(f)是兩種信號(hào)的 交叉譜， F1表示相反的傅里葉變換。函數(shù) RSCOT(τ)是連續(xù)信號(hào)的一種互相關(guān)加權(quán)函數(shù) 比簡(jiǎn)單的互相關(guān)函數(shù)更準(zhǔn)確和肯定的測(cè)出時(shí)間延遲。 RSCOT(τ_t)的最大值是兩個(gè)光纖光柵傳感器在 Δ t時(shí)間延遲的最加估計(jì)。實(shí)測(cè)速度 v是從以下簡(jiǎn)單的公式計(jì)算出的 : t?? smeas dv (2) ds是兩個(gè)傳感器之 間的距離。 圖 2說(shuō) 明了整個(gè)系統(tǒng)原理圖 。 我們用一個(gè)放大自發(fā)輻射 (ASE)作為一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的來(lái)源。 ASE具有 22dBm的輸出功率的寬度和 50nm的半最大值寬度 。 從 ASE分離出的光是從 3分貝的耦合器中分離出來(lái)的 , 然后闡明了光纖光柵傳感器安裝到兩 PVC管道的內(nèi)徑是 20毫米。 光纖光柵傳感器反射的光供應(yīng)給 一個(gè) 2 2和 3 3耦合器 , 毫米光程差的馬赫 澤德干涉儀。在 3 3耦合器中，三種數(shù)列排列在一個(gè)三角形陣列。這些干涉儀作為對(duì)干涉檢測(cè)的 波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 探測(cè)器。 入射光是由馬赫 澤德干涉儀產(chǎn)生的并由光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的已 調(diào)相位信號(hào)。 六個(gè)輸出信號(hào) 由 16位分辨率和采樣頻率 10千赫的 A / D轉(zhuǎn)換器同時(shí)數(shù)字化 ,檢測(cè)信號(hào)被加工得到時(shí)間延遲。 光纖光柵反射光線波的波長(zhǎng) λB稱為一種特定的布拉格波長(zhǎng)和波長(zhǎng)表達(dá)式如下 : ?? nB 2? ，（ 3） n是光纖光柵的有效折射率， Λ 是光纖光柵的調(diào)制折射率，布拉格波長(zhǎng) λ B被光線光柵傳感器的線性應(yīng)變 ε z所改變，布拉格波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換 δλ B表達(dá)式如下： ? ? ZBB P ???? 121?? (4) P12是光纖的光學(xué)應(yīng)變常數(shù)趨近于 ，這個(gè)領(lǐng)域的靈敏度是 pm/_ε . 得到的轉(zhuǎn)換 δλ B，干涉儀的 Vm (m = 1, 2, 3)輸出表達(dá)式如下： Vm = α mVin + Re[Γ (τ )] = α mVin[1 + γ cos(θ MZI + θ m)], （ 5） (τ )是光線光柵傳感器反射出的光波的自相關(guān)函數(shù)， Vin是光線光柵傳感器反射的光強(qiáng)度的電壓， am是 初步的實(shí)驗(yàn)光電探測(cè)器敏感性得到的補(bǔ)償差異 ， 如果 2 2和 3 3耦合器的分流比是 1:1 和 1:1:1，可以得到 θ 1 = 0, θ 2 = 2π /3 ， θ 3 = ?2π /3，輸出的 V1, V2 和 V3 如下：?????????????????)]32c o s (1[)]32c o s (1[)c o s1(312111???????????M Z IinM Z IinM Z IinVVVVVV （ 6） 信號(hào) θ MZI可以用以下公式算出： 132321 2 )(3t a n2 VVV VVLBM Z I ???? ???? (7) L是干涉儀的不同光程，信號(hào)變化 δθ MZI和偏移量 δλ B之間的關(guān)系是 ? ? BBBBBBBBBM Z I LLLL ?????????? ?????? ??? 22222 ???????? (8) (λ B + δλ B)是假設(shè)趨近于 λ B，因?yàn)?δλ B比 λ B小很多， 因?yàn)?δλ B比 λ B小很多，測(cè)量過(guò)程中輸出功率的偶然減少導(dǎo)致光學(xué)傳感器的類型不同，在測(cè)量中是可一允許的因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)相位靈敏 度僅取決于波程差 L。 噪聲估計(jì)的干涉式 光纖光柵傳感與檢測(cè)的摘要 有一些報(bào)告關(guān)于光線光柵傳感器和干涉檢測(cè)的噪聲估計(jì)， 然而用 2 2 和 3 3耦合器做干涉儀的噪聲估計(jì)報(bào)告已經(jīng)提出過(guò)了。 ． 光電探測(cè)器的噪 聲 圖 3顯示的是光電 探測(cè)器的電路原理圖， 光電探測(cè)器的噪聲 是由光電二極管和互阻抗放大器產(chǎn)生的，光電探測(cè)器的噪聲是由反饋電阻射頻 (Rf)和互阻抗放大器射頻 (Rf)還有光電二極管產(chǎn)生的射頻產(chǎn)生的熱噪聲 , 散粒噪聲由光電二極管輸出電壓(=Vm/Rf )。等效輸入噪聲和放大電流因?yàn)樗鼈兊囊恍┲噶畋绕渌肼?小， 噪聲電壓的有效值 VN,m (m = 1, 2, 3)表示如下： fWBWshWBfmN R TBBqiR TBRV k42k4 m, ??? （ 9） kB是波爾茲曼常數(shù) ( 10?23 J/K)， T是絕對(duì)溫度 (300 K)， Bw是光電探測(cè)器的噪 聲帶寬 ( kHz)， q是電子電荷 ( 10?19 C)。為了算出散粒噪聲，能見(jiàn)度 γ必須為已知， 雖然譜剖面的 FBG表示為 一個(gè)函數(shù)的雙曲正弦和余弦 ,為了估算能見(jiàn)度，我們必須假設(shè)光線光柵傳感器有一個(gè)高斯光譜 S(υ )如下： ,ln4e 222??? ?????? Lvcxp B?? (11) C是光波在真空中的速度，根據(jù)方程式（ 6）和（ 11）我們可以由 im 得到 dc的結(jié)果并由 im算出散粒噪聲。 、 A / D轉(zhuǎn)換的量化噪聲 量化噪聲應(yīng)該因?yàn)閳D 2展示的系統(tǒng)用數(shù)字信號(hào)表示檢波信號(hào) θ MZI而 被考慮進(jìn)去 ， 我們假設(shè)量化噪聲是白噪聲、量化噪聲和 RMS的矢量量化表示為 [16]: 12LSBQ VV ? (12) VLSB是電壓分辨率，在系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi) A/D換器器用 16位并且 177。 10V的測(cè)量范圍，VLSB = 10?4 V. 、 光強(qiáng)度噪聲的 來(lái) 源 ASE的強(qiáng)度波動(dòng)要被考慮進(jìn)去，強(qiáng)強(qiáng)烈的噪聲產(chǎn)生電壓波動(dòng) Vin，在理想情況，它來(lái)自于 Eqs。 (6)和 (7)中噪聲被刪除，但是在實(shí)際情況，強(qiáng)度造聲是存在的，我們假設(shè)強(qiáng)度噪聲是 RMS的白色噪聲是 ASE輸出電壓的 1%。 、 光纖光柵傳感器的噪聲估計(jì) 給光纖光柵傳感器的噪聲估計(jì)提供了三個(gè)不相關(guān)的白噪聲，輸出電壓 Vest,m (m = 1, 2, 3)和傳感器信號(hào) θ MZI被寫(xiě)為： )(, mmn o isemme st VVVV ?? （ 13） ,)(3tan1,3,2,3,2,1e s te s te s te s te s tNM Z I VVV VV ?? ??? ??? (14) Vnoise,m(Vm)是白噪聲， RMS是 ? ?2122 m, QN VV ? ， θ N是信號(hào)波動(dòng)，噪聲譜密度線是θ N除以 21WB 得到的，在波長(zhǎng)領(lǐng)域用公式（ 8）轉(zhuǎn)換成噪聲。 圖 4 顯示了 光纖光柵的波長(zhǎng)域 的 半最大值寬度 _λB和足夠輸出功率的噪聲譜線密度之間的關(guān)系。 研究發(fā)現(xiàn) ,噪聲譜密度主要取決于光電探測(cè)器的噪聲。 由于能見(jiàn)度γ 的減少，導(dǎo)致噪聲譜密度得寬度 λ B的增加。 在 Λ b超過(guò) nm時(shí)， L = 噪聲譜密度比 L = mm的高。相反對(duì)，在 λ B 低于 nm時(shí) , L = 譜密度比 L = mm的低。這是因?yàn)楣獬滩?L已經(jīng)影響了波長(zhǎng)和相位的靈敏度 (=?2π L/λ 2B)和能見(jiàn)度 γ 。 Mach–Zehnder干涉儀對(duì) L = L = ，因?yàn)楣饩€光柵傳感器在通常是 λ B= nm。干涉儀探測(cè)的光線光柵傳感器的噪聲譜密度是被 2 10?4 和 10?4 pm/(Hz)1/2 在 L = mm時(shí)分別預(yù)算的。結(jié)果是 10?1 和 10?2 nε /(Hz)1/2, 分別考慮光纖光柵應(yīng)變的敏 感性。 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和討論的菲 涅爾流量計(jì) 圖 5說(shuō)明的是具體實(shí)驗(yàn)裝置的光纖光柵傳感器和阻流體的流量測(cè)量部分。 阻流體的大小是 3mm, 從互相關(guān)函數(shù) (τ相干信號(hào) )的 基本原理的基礎(chǔ)上 ，得到 相干信號(hào)較寬的帶寬 ， 我們測(cè)試了很多配置傳感器和 寬帶寬的阻流體信號(hào)。參數(shù)的配置是分貝 ,ds和直流，分別是阻流體和上部傳感器之間的距離，和阻流體和 PVC管中心得距離。 、 光纖光柵傳感器的性能 圖 6顯示的是 KFG20120C111應(yīng)變傳感器 (KYOWA)和 FBG傳感器的波形檢測(cè)到的比較與借鑒。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)傳感器被加一個(gè)金屬懸臂。 在數(shù)字上 光纖光柵傳感和參考傳感器的波形 是 相似的 。 兩種傳感器 的 信號(hào)振幅之間 的不同是由于 傳感器 的耦合不同。圖 7顯示的是光線光柵傳感器的噪聲譜密度公式 λ B。 這個(gè)數(shù)字表明 ,該實(shí)驗(yàn)噪音譜密度狹窄 _λ B高于估計(jì)值。造成不同的原因被認(rèn)為是光電探測(cè)器的特征不同和應(yīng)用于 MachZehnder干涉儀的耦合器的指令不同。一方面，在 λ B=，實(shí)驗(yàn)的噪聲譜密度比估計(jì)的低，這是由于設(shè)想的光線光柵傳感器的光譜的側(cè)面不同，最小的噪聲密度 4 10?4 pm/(Hz)1/2是在 L = λ B = nm時(shí)獲得的。這個(gè)值相當(dāng)于 nε /(Hz)1/2流體在漩渦中最低的可察覺(jué)點(diǎn)。 、 流量測(cè)量 、阻流體和卡曼漩渦頻率的效應(yīng) 為了證實(shí)阻流體的效應(yīng)，我們比較了有阻流體和沒(méi)有阻流體的信號(hào)。 圖 8 顯示所測(cè)得的波形 ,計(jì)算 RSCOT和連續(xù)的平方 ds = 20毫米和體積速度 vb = /秒。大部分速度的定義是 :體積流率除以管道的橫截面積 。 MSC顯示兩種信號(hào)在頻域的相似性并定義如下 : ? ?? ? ,)(f)( xy2xyfGGfGfM S Cyy? （ 15） MSC是用來(lái)評(píng)價(jià)檢測(cè)信號(hào)的帶寬。 從圖 8a和 b,看出有阻流體的測(cè)量波的幅值明顯比沒(méi)有阻流體的幅值高。阻流體對(duì) RSCOT(τ )和 MSC 都有很好的影響。有阻流體的 MSC在頻率為 60 Hz時(shí)有最小值 。相干信號(hào)產(chǎn)生卡曼漩渦，結(jié)果是，有阻流體的比沒(méi)有阻流體的有更突兀的更大的峰值。 、配置的影響： ds, db 和 dc 圖 9顯示的是 MSC和 RSOT(t)在不同配置和 vb = m/s的獲得值，首先，討論距離 ds的影響，短的距離 ds使得相干信號(hào)的帶寬變 的更寬 RSCOT(t)函數(shù)的峰值更大更陡，這個(gè)結(jié)果表明渦流對(duì)對(duì)流有衰減和消解。因此在保證信號(hào)質(zhì)量的前提盡可能的使距離 ds減小。另一方面，對(duì)事件的分辨率是定值時(shí)距離越大越能滿足速率的估計(jì)的要求。最優(yōu)距離取決于流量測(cè)量系統(tǒng)的規(guī)格，包括最大和最小測(cè)量速率和時(shí)間分辨率（ A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率）。 其次，討論距離 db的影響， 短的距離 db使相干信號(hào)帶寬的狹窄 ,如圖 9a，在阻流體內(nèi)部，因?yàn)樾盘?hào)沒(méi)有阻礙而渦流信號(hào)的頻帶窄。結(jié)果，傳感器下游產(chǎn)生窄帶的渦流，并且貸款的相干信號(hào)變窄。這個(gè)例子導(dǎo)致阻流體 dc=， 紊流的產(chǎn)生是由于不同速度流體的混合。因?yàn)槲闪餍盘?hào)有一個(gè)寬頻帶所以方程 RSCOT(τ )有一個(gè)理想的峰值。然而， MSC的級(jí)值在 dc = 比 dc = 0 mm時(shí)小。方程 RSCOT(τ)在dc = dc = 0 mm時(shí)在峰值上產(chǎn)生更壞的影響。這可能導(dǎo)致信號(hào)的連續(xù)下降。 、 流量計(jì)的線性 圖 10顯示的是體積速率 vb和測(cè)量速率的關(guān)系。結(jié)果表明有阻流體的線性度比沒(méi)有阻流體的線性度好，結(jié)果在 ds = 20, db = 20 和 dc = 0mm時(shí)精確度最好 相對(duì)誤差小于177。 5%。 、 卡曼渦流 卡曼旋渦脫落頻率也可以利