【正文】 感謝所有給予我支持和幫助的人們!。盡管他事務(wù)繁忙，老師仍在百忙之中抽出寶貴的時間了解我的課題進展，及時提供對課題有意義的資料，對課題中遇到的困難給予指導(dǎo)，使我受益匪淺。[17] ,et temperaturepensating package foroptical fiber ,1995。 Dams, 1997, 4(2): 6063 。[14] S. Otani, H. Hiraishi, M. Midorikawa et of smart systems for building , 2000, 3988:29 。[13] 。[11] 劉志國,劉云啟,，南開大學,32。[9] 董天臨，談新權(quán)，第1版，武漢，華中理工大學出版社1998。[7] 安毓英，北京，電子工業(yè)出版社，2001:8890。[5] 張志鵬。[3] 李川，張以漠，2001,1:。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。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。并將其濾除或抵消。應(yīng)力分布及疊加對溫度傳感的附加影響。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。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)。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準化設(shè)計及制造，將制約其工程應(yīng)用和量值傳遞。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)?；a(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?；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。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。四、數(shù)據(jù)處理技術(shù)。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。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。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。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。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。(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。(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。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。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。 (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。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的前提下，功耗保持在比較低的水平。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。 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)學關(guān)系，建立了光纖渦街流量測量的數(shù)學模型。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。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。，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設(shè)計。，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。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。第5章總結(jié)與展望光纖光柵是經(jīng)過特殊光學加工工藝處理，使光纖纖芯的光學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。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。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。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。 (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。 (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。這樣才能重現(xiàn)入射信號。 (2) 響應(yīng)速度快：指射入光信號后，馬上就有電信號輸出。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。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）。 （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。⑶帶通濾波器，通帶位于兩個有限非零的上下限之間。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在阻帶內(nèi)使信號受到很大的衰減而抑制。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。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。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。激光的高亮度特性，意味著可將激光能量在時間上和空間上高度集中。對普通光源而言，由于定向性極差(一般)，因此亮度極低。光纖通信系統(tǒng)使用的光電探測器主要有半導(dǎo)體PIN光電二極管、雪崩光電二極管光纖傳感器由于工作環(huán)境特殊，對于光源的選擇有如下要求： (1) 體積小，便于和光纖耦合； (2) 光源發(fā)出的光波長應(yīng)合適，以減少在光纖總傳輸?shù)哪芰繐p耗； (3) 光源要有足夠的亮度； (4) 光源的相干性好； (5) 光源穩(wěn)定性好，能在室溫下連續(xù)長期工作，噪聲小，使用方便。因此，作為接收系統(tǒng)最前端的光電探測器的噪聲為題，就成為十分關(guān)鍵的問題。光信號經(jīng)過長距離傳輸后，由于各種損耗已經(jīng)變得十分微弱，噪聲已相對較大。，以滿足光通信系統(tǒng)告訴傳輸?shù)囊?。圖43 光纖渦街流量計結(jié)構(gòu)圖在光接收機中，首先需要將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，即對光進行解調(diào)，這個過程是有光電探測器來完成的。見圖2—3所示。因此需要在光纖尾端加可以引起光纖的張力的裝置，增加光纖受到的張力并滿足一定的條件對于減少噪聲和諧振效應(yīng)對測量的影響會有所幫助。當有流體通過光纖時，渦街會對光纖產(chǎn)生橫向作用力，使光纖微彎并受到周期性的振動，從而引起輸出光強度的變化。 作為敏感元件的光纖橫向穿過管道。 本設(shè)計中采用專門的傳感器用石英光纖，其光纖光透過率≥80%。③ 按照光纖芯的折射率分布來劃分：1. 階躍型光纖 (Step index fiber)，簡稱SIF；2. 梯度型光纖 (Graded index fiber)，簡稱GIF；3. 環(huán)形光纖 (ring fiber)；4. W型光纖表41光纖損耗項 目損 耗連接器類型：ST連接器　 FC和SC連接器光纖類型：多模光纖 850nm～多模光纖 1300nm～單模光纖 1310nm～單模光纖 1550nm～接口類型：對接（Butt）機械連接 (Mechanical)熔接 (Fusion)～配線板：石英光纖是一種以高折射率的純石英玻璃材料為芯，以低折射率的有機或無機材料為包皮的光學纖維。由于色散或像差，因此，這種光纖的傳輸性能較差，頻帶較窄，傳輸容量也比較小，距離比較短。單模光纖使用的光波長為1310nm或1550nm。單模光纖(SingleMode) 單模光纖只傳輸主模，也就是說光線只沿光纖的內(nèi)芯進行傳輸。由于駐波才能在光纖中穩(wěn)定的存在，它的存在反映在光纖橫截面上就是各種形狀的光場，即各種光斑。各種場形都是光波導(dǎo)中經(jīng)過多次的反射和干涉的結(jié)果。為了增加光纖的機械強度并保護不受外力的環(huán)境的影響，在包層外面有加上涂敷層和塑料外套。它基于三角形旋渦發(fā)生體，采用具有棱邊的梯形柱型，并且將旋渦發(fā)生體迎流面、背流面設(shè)計成和梯形柱具有相同外接圓的圓柱面。 旋渦發(fā)生體的阻力損失一般按局部阻力損失公式計算，即 （41）式中ξ—局部阻力系數(shù)(對三角柱ξ=，矩形柱ξ=)； ρ—被測流體的密度； v —管內(nèi)流體平均流速。對于柱體及結(jié)構(gòu)，必須根據(jù)具體對象，綜合各方面因素來選擇，除了考慮渦街穩(wěn)定性外，尚且需要注意系統(tǒng)的測量范圍、準確度，與被測流體及流場適宜的結(jié)構(gòu)和檢測方法，以及阻力損失等等。為提高渦街強度和穩(wěn)定性，可采用多旋渦發(fā)生體，不過它的應(yīng)用并不普遍。現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出形狀繁多的旋渦發(fā)生體，它可分為單旋渦發(fā)生體和多旋渦發(fā)生體兩類。傳感器包括：旋渦發(fā)生體、檢測元件等；轉(zhuǎn)換器包括：前置放大器、濾波整形電路、數(shù)值處理電路、顯示模塊等旋渦發(fā)生體是渦街流量計的主要部件，儀表的流量特性和阻力特性都與它的幾何參數(shù)和排列方式相關(guān)，對它的設(shè)計要求如下： (1) 能使旋渦在旋渦發(fā)生體軸線方向上同步分離； (2) 在較寬雷諾數(shù)范圍內(nèi)，有穩(wěn)定的旋渦分離點，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)St； (3) 能產(chǎn)生強烈的渦街，信號的信噪比高； (4) 形狀和結(jié)構(gòu)力求簡單，便于各種檢測元件的安裝和組合； (5) 材質(zhì)滿足流體性質(zhì)的要求，耐腐蝕、耐沖刷、耐溫度變化； (6) 固有頻率遠離渦街信號的頻帶。因此必須從物理概念、成柵機制、物理量測量傳感器研制等方面對其進行深入研究，一些重要理論成果被陸續(xù)提出，并經(jīng)過大量的科學試驗探索加以應(yīng)用與修正。第4章光柵光纖渦街傳感器系統(tǒng)設(shè)計光纖光柵具有纖細的結(jié)構(gòu)易于制作各種形式的傳感器件、天然的抗電磁干擾、適宜于在多種惡劣環(huán)境中工作、與光纖系統(tǒng)兼容性好、插入損耗低、波長編碼不受光源的指標波動及連接或耦合損耗的影響等優(yōu)異特點，現(xiàn)已發(fā)展成為光纖通信、光纖傳感系統(tǒng)中極為關(guān)鍵的重要組成部分。 如前所述，在較寬的流速范圍內(nèi)，斯特勞哈爾數(shù)St基本上為常數(shù)，與流體密度無關(guān)，但管內(nèi)流速分布卻影響St的恒定性，從而也會影響到系統(tǒng)測量的精確性。三、流體溫度變化引起的誤差渦街流量計的殼體及旋渦發(fā)生體會受到熱脹冷縮的影響，因此流通截面積會隨流體溫度變化，引入誤差，可通過溫度補償加以解決。當被測介質(zhì)含有粘性附著物時，污垢和沉積物附著于旋渦發(fā)生體迎流面，會使其形狀和尺寸發(fā)生變化，使流量計測量值偏低，靈敏度降低。實際情況下的流體很難如理論中的那么潔凈，可能會含有固體顆?；蛘哂臀奂澳鑫锏入s質(zhì)。 采取以下措施可以減少雜波干擾：屏蔽信號傳輸線路，使零電平點良好接地， 在線路兩端加隔直電阻；將傳感器模擬地接地以削弱雜波的影響。非常適用于在線校驗，校驗時不必切斷液流，故利用該類裝置對油及油品等輸送管線流量計廣泛使用它進行在線校驗。校驗時間短，效率高。/h，流量范圍度40:1，示值校驗時，體積管和被校流量傳感器均通過電訊號同步進行處理。目前普通體積管的有效容積為1—5 m179。因為校驗的結(jié)果如：流量傳感器的線性度、基本誤差等是指標與工程化產(chǎn)品的加工及裝配質(zhì)量密切相關(guān)的，另外還需要向用戶提供流量計的儀表系數(shù)。比較上述兩種測量方案，反射式測量模型的傳感解調(diào)系統(tǒng)相對容易實現(xiàn)。于是，帶有外場信息的調(diào)制光被傳感光柵反射（或透射）由連接器進入接收通道被探測器接收解調(diào)并輸出。該物理模型由光源（寬帶譜、激光、脈沖等）、連接器（耦合器、環(huán)型器等）、傳感光纖光柵（FBG、LPG等）、探測器（光、光電等）等幾部分組成，其工作機理如下：光源發(fā)出的光波由傳輸通道經(jīng)連接器進入傳感光柵（單個、串集陣列等）被反射（或透射）。圖31為纖柵式傳感解調(diào)系統(tǒng)物理模型示意圖，其中(a)為反射式模型，(b)為透射式模型。其中，波長解調(diào)技術(shù)以其具有將感測的信息進行波長編碼、中心波長處窄帶反射、不必對光纖連接器和耦合器損耗以及光源輸出功率起伏進行補償?shù)葍?yōu)點而倍受關(guān)注，并得到了廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)有已報道的光纖光柵傳感信號解調(diào)方案已有多種，如強度解調(diào)、相位解調(diào)、頻率解調(diào)、偏振解調(diào)及波長解調(diào)等。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)