【正文】 間上高度集中。相比起其他的光源來說，激光光源具有不可比擬的特性，概括為：方向性好、單色性好和亮度高。激光二極管由于具有體積小，效率高，可直接調(diào)制等特點，在光通信、光信息處理等重要領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。激光二極管發(fā)展十分迅猛，是半導(dǎo)體激光器的主流.在系統(tǒng)設(shè)計中，我們采用激光二極管作為光纖傳感器的光源。結(jié)合光纖渦街流量計本身的特點及其所需實現(xiàn)功能要求，對系統(tǒng)進行了硬件電路設(shè)計，包括：光電檢測電路；信號調(diào)理電路；數(shù)值處理電路；顯示電路。信號處理硬件電路組成光纖光柵傳感器輸出光電檢測電路高、底限報警保護電路LCD液晶顯示濾波電路信號放大電路PIC微處理器圖44信號處理硬件電路框圖測量系統(tǒng)從傳感器提取的信號中，既包含了大量的被測量信息，也還帶了相當(dāng)部分的噪聲，通過采用濾波器對這些信息的進一步調(diào)理，便可以得到較為精確地模擬出被測量信號。濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算系統(tǒng)，并根據(jù)信號間在不同的頻率域中的分布特點，設(shè)置不同功能的濾波器來實現(xiàn)各種不同信號的分離。濾波器對不同的信號有三種選擇作用：⑴在通帶內(nèi)使信號受到很小的衰減而通過。⑵在阻帶內(nèi)使信號受到很大的衰減而抑制。⑶在通帶與阻帶之間得一段過渡帶使信號受到不同程度得衰減。濾波器的三種頻帶在全頻帶中地分布位置設(shè)置不同可實現(xiàn)對不同的交變信號的選擇，根據(jù)所選擇的頻率濾波器分三種類型：⑴低通濾波器，通帶從零延伸到某一規(guī)定的上限頻率。⑵高通濾波器，通帶從某一規(guī)定的下限頻率延伸到無窮大。⑶帶通濾波器，通帶位于兩個有限非零的上下限之間。傳感器得到的信號中往往夾雜著許多噪聲信號，為盡可能消除噪聲的干擾，設(shè)計濾波電路如圖34所示。 （43）a低通濾波器幅頻特性 b 高通濾波器幅頻特性c帶通濾波器幅頻特性 圖45通過設(shè)置RRRR4與CCCC4，將截止頻率設(shè)定為300Hz圖46濾波電路光電檢測電路光電檢測電路作用主要是將取自流量傳感器的微弱光信號轉(zhuǎn)換成電信號以供后續(xù)處理電路使用。47光電檢測電路光信號經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_接收端后，在接收端有一個接收光信號的元件，將光信號轉(zhuǎn)變成電信號。常見的光檢測器包括：PN光電二極管、PIN光電二極管和雪崩光電二極管（APD）。選用光檢測器的原則： (1) 靈敏度高：靈敏度高表示檢測器把光功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯男矢?。實際的光接收中，光纖傳來的信號極其微弱，有時只有幾百mv。為了得到較大的信號電流，希望靈敏度盡可能的高。 (2) 響應(yīng)速度快：指射入光信號后，馬上就有電信號輸出。光信號一停，電信號也停止輸出，不要延遲。這樣才能重現(xiàn)入射信號。實際上電信號完全不延遲是不可能的，但是應(yīng)該限制在一個范圍之內(nèi)。 (3) 噪聲小：為了提高光纖系統(tǒng)的性能，要求系統(tǒng)的各個組成部分的噪聲要求足夠小。但是對于光電檢測器要求特別嚴(yán)格，因為它是在極其微弱的信號條件下工作，又處于接收的最前端，如果在光電變換過程中引入的噪聲過大，則會使信號噪聲比降低，影響重現(xiàn)原來的信號。 (4) 穩(wěn)定可靠：要求檢測器的主要性能盡可能不受或者少受外界溫度變化和環(huán)境變化的影響，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。 基于以上考慮，在本電路設(shè)計中，采用PIN光電二極管作為光檢測器。光電二極管采用2CU101—B硅PIN型光電二極管，其響應(yīng)時間不超過5ns，靈敏度較高，暗電流低，適合檢測微弱交變電信號。因為光纖所傳輸光信號光強很弱，由光電轉(zhuǎn)換得到的電信號相應(yīng)也就很微弱。若直接采用此信號，則不能滿足單片機輸入信號要求，因此需要對采集到的信號進行放大處理。具體電路如圖48所示：48前置放大電路圖在電路設(shè)計中采用了單電源供電運算放大器，既可以降低系統(tǒng)功耗，同時可以確保放大電路輸出模擬信號值保持在0~+VCC（+VCC為運放的供電電壓）之間。R2與R1R4與R14分壓為輸入信號提供直流偏置電壓，保證單電源運放正常工作，電容CC4在電路中起“隔直通交”作用，去除放大信號中的直流分量，從而得到正常的放大信號本章主要設(shè)計了光纖系統(tǒng)的渦街流量傳感器，對傳感探頭，光源，渦街電路，放大電路的設(shè)計都盡量滿足渦街傳感器的精確要求。渦街傳感器要注重光電設(shè)計，突出渦街傳感器的優(yōu)點。第5章總結(jié)與展望光纖光柵是經(jīng)過特殊光學(xué)加工工藝處理，使光纖纖芯的光學(xué)折射率沿光纖軸線方向呈一定周期分布變化的一類光子器件。由于光纖光柵具備的其它常規(guī)傳感器無法與之比擬的天然優(yōu)點，通過專門的工程化及標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，制作成可以測量多種物理參量的新穎傳感器，由于該類傳感器是通過對光本征參量的檢測實現(xiàn)信息的感測，因而，其適宜多種惡劣工礦條件的卓越性能，為進一步深入地拓展應(yīng)用研究指示出了努力的方向，另外，光纖光柵器件材質(zhì)與網(wǎng)絡(luò)主流媒質(zhì)——傳輸光纖同出自一族，其中心波長又可人為編碼，因此，將使許多復(fù)用的全光纖通信網(wǎng)絡(luò)和傳感測量網(wǎng)絡(luò)逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實，相信不久的將來，光纖光柵傳感器將在許多交叉學(xué)科領(lǐng)域中得到廣泛的拓展應(yīng)用。本文在結(jié)合光纖光柵傳感器理論與渦街流量傳感器理論研究設(shè)計光纖光柵渦街流量傳感器。進行了一下工作：，中外研究成果。，卡門渦街原理，結(jié)合兩者原理研究光纖光柵渦街流量傳感器的原理。，對其不足之處，在本設(shè)計中改進，使光纖渦街流量傳感器能廣泛的應(yīng)用于多種流體的流量測量。，光源，傳輸光纖，探頭光電轉(zhuǎn)換電路，濾波器等各部分做了詳細(xì)設(shè)計。，做出相應(yīng)的改進措施。目前，以布喇格光纖光柵(FBG)為傳感器件的傳感器已成為研發(fā)主流。這種傳感器適于在高溫、腐蝕性或其他高危險性環(huán)境中使用。在大型建筑和油井及高壓電力設(shè)備等場合的安全監(jiān)測方面具有極為廣泛的應(yīng)用前景。光纖光柵渦街流量計利用光纖本身的特性，不但具有很強的抗干擾性，同時又具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、測量范圍大、壓損低、價格合理、維護量小等優(yōu)點；并且由于光纖與通信系統(tǒng)的緊密聯(lián)系，為進一步的改進提供了良好的基礎(chǔ)，使得它在工業(yè)，特別是在能源流量測量應(yīng)用領(lǐng)域中有著廣闊的發(fā)展前景。 本文所做的創(chuàng)新工作包括以下三個方面： (1)通過對卡門渦街基本原理與光纖傳光微彎理論的分析，給出了光纖在流體中光功率周期性變化與旋渦分離頻率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立了光纖渦街流量測量的數(shù)學(xué)模型。 (2)設(shè)計中深入地研究了渦街流量信號的組成，為了獲得精確、穩(wěn)定的流量測量結(jié)果，對旋渦分離頻率檢測方法、系統(tǒng)硬件電路等諸多因素進行了綜合考慮。實驗結(jié)果表明，光纖渦街流量計抵抗干擾強，精度高，能夠滿足相應(yīng)工業(yè)能源流量測量的要求。 (3)在系統(tǒng)中采用低功耗設(shè)計技術(shù)。在整個系統(tǒng)中，通過對硬件電路以及電源管理等多方面的綜合考慮，使本文所設(shè)計的系統(tǒng)在確保滿足各項功能指標(biāo)的前提下，功耗保持在比較低的水平。 本文設(shè)計的流量測量系統(tǒng)還可以在如下方面對其進行完善： (1) 設(shè)計更為優(yōu)化的旋渦發(fā)生體結(jié)構(gòu)，對傳感光纖的選擇與置位、固定還需要做更深入的研究工作，以期獲得良好的初始渦街流量信號。 (2) 對因外界原因引起的誤差應(yīng)采取措施進行補償，以期能進一步減少誤差干擾，提高測量精度。 (3) 隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展，在本系統(tǒng)中可以應(yīng)用數(shù)字信號處理方法，對渦街流量信號進行功率譜分析，從而獲得更為精確的流量測量結(jié)果。隨著機械加工技術(shù)的高速發(fā)展和光纖技術(shù)在傳感器領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用以及信號檢測技術(shù)的深入發(fā)展,光流量傳感器必將隨之不斷改進,以迎合市場化的需要。針對在石油領(lǐng)域的應(yīng)用,其大體發(fā)展趨勢可以歸納為:(1)高精度由于管道中不可避免存在許多雜質(zhì),會給測量帶來誤差。一種傳感器能夠精確地反映管道中石油的流量,對于石油工業(yè)的運營將具有舉足輕重的作用。光纖流量傳感器的設(shè)計,始終離不開追求高度。(2)高度的穩(wěn)定性由于傳感器可能工作在高溫高壓、腐蝕性的惡劣環(huán)境下,光纖探頭、信號處理電路都要有很好的封裝保護。探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理,以及信號處理電路受溫度影響而變化的程度,都會對系統(tǒng)的檢測造成很大的影響。(3)儀器設(shè)備的簡單化、集成化只有系統(tǒng)中的各個組件在實現(xiàn)其功能的前提下盡可能少,才能更有效地提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。而集成化則是為了順應(yīng)在石油領(lǐng)域中使用的傳感器磨損大的問題,設(shè)計時充分考慮儀器的安裝和檢修方便。光纖光柵傳感技術(shù)的研究面臨的突出問題主要有以下幾個方面：一、光纖光柵的制備。目前光纖光柵的商業(yè)制備技術(shù)得到了很大的提高。但在如何保持光纖光柵的長期穩(wěn)定性仍然有繁重的工作要做。二、光纖光柵傳感器封裝、粘附技術(shù)及新結(jié)構(gòu)工藝的研究。這需要兼顧三方面的問題，一是盡可能的提高傳感頭的靈敏性，即增敏問題，二是注意不同材料的膨脹系數(shù)和溫度系數(shù)給傳感器帶來的損傷以及附加誤差。三是光纖光柵傳感器存在交叉敏感問題，應(yīng)變和溫度都能同時引起光纖光柵的敏感，當(dāng)光纖光柵傳感器測量時，解決應(yīng)變和溫度交叉敏感的方法有：一種是溫度主動補償方法，該方法主要應(yīng)用于多參數(shù)系統(tǒng)中的共模信號的自動抵消。第二種是被動（后續(xù)）補償方法，即對溫度與應(yīng)變敏感的傳感器測量后，經(jīng)信號分離或計算處理實現(xiàn)的組合測量方法。本課題針對傳感器的測量對象特點，在研究中作了大量的具體工作，從而使光纖光柵傳感器的整體性能有了較大程度的提高。三、多點分布、信號分離和處理技術(shù)，分布式傳感系統(tǒng)必須具備傳感功能和尋址功能。對于分布式光纖傳感系統(tǒng)，具體體現(xiàn)在要采用光的復(fù)用技術(shù)，不同的復(fù)用測量技術(shù)可以構(gòu)成不同的傳感系統(tǒng)。四、數(shù)據(jù)處理技術(shù)。由于采用網(wǎng)絡(luò)化傳感技術(shù)，數(shù)據(jù)處理功能應(yīng)能及時準(zhǔn)確地反映出待測點的變化，以及運用模糊控制理論的關(guān)聯(lián)技術(shù)推測出其變化趨勢，實現(xiàn)實時測量與監(jiān)控。因此，如何改進工藝制造、發(fā)展實用化技術(shù)，將光纖光柵優(yōu)良的傳感特性在生產(chǎn)過程的測控系統(tǒng)中集中體現(xiàn)，將是需要努力去解決的重大技術(shù)難題。盡管如此，光纖光柵以其自身獨到的優(yōu)點，正在成為光纖通信、光纖傳感、信息處理及其相關(guān)領(lǐng)域里的新一代高新技術(shù)?；诠饫w光柵傳感器形式多樣，性能各異，研發(fā)的主體是以單元點式傳感器為源頭，通過復(fù)用技術(shù)架構(gòu)線陣、面陣等拓展應(yīng)用結(jié)構(gòu)及準(zhǔn)分布多點網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，與各種材料相有機復(fù)合，實現(xiàn)真正意義上的智能結(jié)構(gòu)/蒙皮。該類傳感器也將在各生產(chǎn)部門、科研機構(gòu)、國防建設(shè)、空間探測、等諸多領(lǐng)域具有良好的推廣應(yīng)用價值。因此，研發(fā)質(zhì)量優(yōu)良、集性能完備多參數(shù)檢測、功能集成化于一身的纖柵式傳感器件，最終實現(xiàn)模塊化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化生產(chǎn)積推廣應(yīng)用將使光纖光柵技術(shù)的長期的研發(fā)方向。光纖光柵具有的天然的優(yōu)異特性，毫無疑問將在傳感應(yīng)用中具有廣闊的拓展應(yīng)用前景。但目前該類傳感器仍存在某些不足，在今后的研發(fā)過程中亟需解決：一、光纖光柵傳感器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計及制造，將制約其工程應(yīng)用和量值傳遞。二、光纖光柵傳感器的可靠性：機械結(jié)構(gòu)（或材料力學(xué)結(jié)構(gòu)）可靠性、光學(xué)可靠性。三、光纖光柵的封裝：(襯底材料：有機物、金屬等；粘貼材料：特種膠、環(huán)氧樹脂等)。機械與光學(xué)性能的保持與穩(wěn)定。四、光纖光柵的壽命：制約因素有成柵質(zhì)量、封裝老化、退火穩(wěn)定性技術(shù)等。五、交叉敏感的消除：溫度效應(yīng)的消除（主動補償與被動補償方案的設(shè)計）。應(yīng)力分布及疊加對溫度傳感的附加影響。六、增敏與去敏：特種材料的研制，提高被測參量的傳感靈敏度，弱化其它干擾量對傳感器靈敏度的影響。并將其濾除或抵消。七、光源：高功率、高平坦度、寬帶光譜光源技術(shù)進步。八、測試儀器因素：光譜儀（光檢測器）波長分辨率的進一步提高。九、微幅信號的探測：微位移、微應(yīng)變（應(yīng)力）等參量的檢測。光纖光柵傳感器領(lǐng)域存在著很大的發(fā)展完善空間，其不足之處在工業(yè)發(fā)展中會進一步完善。參考文獻[1] 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