【正文】 流速又可以計(jì)算出流體的體積流量,由于通過卡門渦街原理測(cè)量流量與被測(cè)介質(zhì)的壓強(qiáng)和溫度無關(guān),所以只要計(jì)算出體積流量,就可以直接計(jì)算出質(zhì)量流量。信號(hào)解調(diào)是傳感系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，傳感解調(diào)系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接關(guān)系到傳感測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用水平，是一個(gè)信息（能量）轉(zhuǎn)換和傳遞單元，它能準(zhǔn)確、迅速地?fù)焓俺霰粶y(cè)信息的作用量的大小并能高精度地仿真出被測(cè)信息隨時(shí)間的變化過程。現(xiàn)有已報(bào)道的光纖光柵傳感信號(hào)解調(diào)方案已有多種，如強(qiáng)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。這些方案各有優(yōu)勢(shì)，適用于不同傳感系統(tǒng)的需求。其中，波長解調(diào)技術(shù)以其具有將感測(cè)的信息進(jìn)行波長編碼、中心波長處窄帶反射、不必對(duì)光纖連接器和耦合器損耗以及光源輸出功率起伏進(jìn)行補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)而倍受關(guān)注，并得到了廣泛應(yīng)用。因此，利用光纖光柵的優(yōu)良特性，研發(fā)靈敏度高、信號(hào)損耗率低、穩(wěn)定性好的新型傳感解調(diào)系統(tǒng)取代實(shí)驗(yàn)室中昂貴笨重的光譜分析儀，并適用于廣泛工程系統(tǒng)的實(shí)測(cè)與監(jiān)控，是光纖光柵傳感系統(tǒng)研發(fā)重要途徑。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。該模型包括光源（寬帶譜、調(diào)諧譜、脈沖、激光等）、連接器（耦合器、環(huán)型器等）、傳感光柵（FBG、LPG等）、探測(cè)器（光、光電等）等部分組a反射式模型b透射式模型圖31纖柵式傳感解調(diào)系統(tǒng)物理模型示意圖[12]基于建構(gòu)物理模型的需要必須測(cè)量區(qū)域的影響量作必要的簡(jiǎn)化，提取系統(tǒng)最基本的感測(cè)信息，示意模型中忽略光波在傳輸及接收過程中的色散效應(yīng)。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(cè)器（光、光電等）等幾部分組成，其工作機(jī)理如下：光源發(fā)出的光波由傳輸通道經(jīng)連接器進(jìn)入傳感光柵（單個(gè)、串集陣列等）被反射（或透射）。此時(shí)，若傳感光柵受外場(chǎng)（應(yīng)變場(chǎng)、溫變場(chǎng)等）的作用（靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)或時(shí)變），則外場(chǎng)通過對(duì)傳感光柵的作用將光波調(diào)制。于是，帶有外場(chǎng)信息的調(diào)制光被傳感光柵反射（或透射）由連接器進(jìn)入接收通道被探測(cè)器接收解調(diào)并輸出。由于探測(cè)器接收的光譜包含了外場(chǎng)作用的信息，因而從對(duì)探測(cè)器檢測(cè)出的光譜分布及相關(guān)變化分析，即可獲取被測(cè)量的準(zhǔn)確信息。比較上述兩種測(cè)量方案，反射式測(cè)量模型的傳感解調(diào)系統(tǒng)相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。流量傳感器在設(shè)計(jì)制造完成后,要通過流量校驗(yàn)裝置的校驗(yàn)來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)制造的正確性和合理性。因?yàn)樾ｒ?yàn)的結(jié)果如：流量傳感器的線性度、基本誤差等是指標(biāo)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(jì)的儀表系數(shù)。1)校驗(yàn)裝置校驗(yàn)裝置采用容積法標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置（本實(shí)驗(yàn)采用體積管校驗(yàn)流量計(jì)），校驗(yàn)裝置應(yīng)符合以下要求：a．流量范圍應(yīng)能覆蓋被檢流量范圍；b．裝置測(cè)量精確度應(yīng)至少小于被檢流量計(jì)精確度的1 3，當(dāng)大于1 3時(shí)必須考慮裝置的誤差；c．校驗(yàn)的流體要與被檢流量計(jì)的使用流體相適應(yīng)，如液體用水、氣體用空氣和油品用柴油等；d．裝置要保證參考條件；e．裝置的試驗(yàn)管道系統(tǒng)應(yīng)無泄漏；體積管校驗(yàn)流量計(jì)體積小，流量大。目前普通體積管的有效容積為1—5 m179。，其流量范圍的上限值達(dá)2003000m179。/h，流量范圍度40:1，示值校驗(yàn)時(shí)，體積管和被校流量傳感器均通過電訊號(hào)同步進(jìn)行處理。在一次流量測(cè)量中，被校流量計(jì)發(fā)出的脈沖應(yīng)在以上，即為保證測(cè)量精度，每個(gè)脈沖的對(duì)應(yīng)體積，應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)體積的以內(nèi)。校驗(yàn)時(shí)間短，效率高。體積管內(nèi)表面液體殘留量極?。礃?biāo)準(zhǔn)體積復(fù)現(xiàn)性好。非常適用于在線校驗(yàn)，校驗(yàn)時(shí)不必切斷液流，故利用該類裝置對(duì)油及油品等輸送管線流量計(jì)廣泛使用它進(jìn)行在線校驗(yàn)。7閥，2過濾消音器，3整流器，被測(cè)流量傳感器，5溫度計(jì)，6壓力表，8調(diào)節(jié)閥，9止回閥，10檢定探測(cè)器，11標(biāo)準(zhǔn)體積管在實(shí)際應(yīng)用中，傳感器檢測(cè)到的脈沖是摻雜著噪聲的階梯波，在對(duì)其整形時(shí)噪聲的存在可能會(huì)對(duì)脈沖的狀態(tài)判斷產(chǎn)生影響，引起誤差。 采取以下措施可以減少雜波干擾：屏蔽信號(hào)傳輸線路，使零電平點(diǎn)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。一、流量傳感器的基本誤差E、線性度δ計(jì)算流量傳感器的基本誤差E二、流體不潔凈誤差流量傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)是根據(jù)以上指標(biāo)要求進(jìn)行的，通過對(duì)得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算分析。實(shí)際情況下的流體很難如理論中的那么潔凈，可能會(huì)含有固體顆?；蛘哂臀奂澳鑫锏入s質(zhì)。含有固體顆粒的流體對(duì)渦街發(fā)生體和傳感器的沖刷會(huì)產(chǎn)生與渦街信號(hào)無關(guān)的噪聲，磨損旋渦發(fā)生體，從而使流量計(jì)測(cè)量值偏高，影響測(cè)量的準(zhǔn)確性。當(dāng)被測(cè)介質(zhì)含有粘性附著物時(shí)，污垢和沉積物附著于旋渦發(fā)生體迎流面，會(huì)使其形狀和尺寸發(fā)生變化，使流量計(jì)測(cè)量值偏低，靈敏度降低。 因此，解決辦法除了選擇合適的旋渦發(fā)生體材料以降低磨損外，可以在上游安裝過濾器或?qū)ρb置定期檢定，及時(shí)清理。三、流體溫度變化引起的誤差渦街流量計(jì)的殼體及旋渦發(fā)生體會(huì)受到熱脹冷縮的影響，因此流通截面積會(huì)隨流體溫度變化，引入誤差，可通過溫度補(bǔ)償加以解決。四、流速與粘稠度引起的誤差在本文設(shè)計(jì)的光纖渦街流量測(cè)量系統(tǒng)中，當(dāng)流速、粘度不符合測(cè)量條件時(shí)，會(huì)引入測(cè)量誤差，為此在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了流體流速高、低限閾值報(bào)警。 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(huì)影響到系統(tǒng)測(cè)量的精確性。本章分析了熱敏式、超聲式、電容式等傳統(tǒng)的流量傳感器測(cè)流量方法以及存在的問題和局限，光纖光柵流量系統(tǒng)的優(yōu)越性，尤其在光電補(bǔ)償，調(diào)解中的作用，填補(bǔ)了渦街流量傳感器的不足。第4章光柵光纖渦街傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)光纖光柵具有纖細(xì)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(biāo)波動(dòng)及連接或耦合損耗的影響等優(yōu)異特點(diǎn)，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。隨著光纖光柵紫外側(cè)面寫入制作技術(shù)的日臻完善及社會(huì)需求的持續(xù)增加，對(duì)光纖光柵在光纖通信和光傳感領(lǐng)域中的開發(fā)研究與拓展應(yīng)用正被業(yè)界廣泛關(guān)注。因此必須從物理概念、成柵機(jī)制、物理量測(cè)量傳感器研制等方面對(duì)其進(jìn)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(xué)試驗(yàn)探索加以應(yīng)用與修正。渦街流量計(jì)由傳感器和轉(zhuǎn)換器兩部分組成。傳感器包括：旋渦發(fā)生體、檢測(cè)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(jì)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(duì)它的設(shè)計(jì)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(diǎn)，保持恒定的斯特勞哈爾數(shù)St； (3) 能產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦街，信號(hào)的信噪比高； (4) 形狀和結(jié)構(gòu)力求簡(jiǎn)單，便于各種檢測(cè)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(yuǎn)離渦街信號(hào)的頻帶。 到現(xiàn)在為止，旋渦發(fā)生體的幾何參數(shù)仍無一套通用的理論計(jì)算公式，開發(fā)者需要通過大量實(shí)驗(yàn)確定它的形狀和尺寸?，F(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。單旋渦發(fā)生體的基本形有圓柱、矩形柱和三角柱，其他形狀皆為這些基本形的變形。為提高渦街強(qiáng)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。圖41單旋渦發(fā)生體形狀旋渦發(fā)生體是直接與被測(cè)流體接觸的敏感元件。對(duì)于柱體及結(jié)構(gòu)，必須根據(jù)具體對(duì)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(cè)量范圍、準(zhǔn)確度，與被測(cè)流體及流場(chǎng)適宜的結(jié)構(gòu)和檢測(cè)方法，以及阻力損失等等。在很多工業(yè)測(cè)量場(chǎng)合，往往是首先考慮如何選擇適當(dāng)?shù)闹魏椭鶎挶?d/D)以盡可能的減小阻力損失，以及選擇合理的檢測(cè)方法以減少裝置維修工作量。 旋渦發(fā)生體的阻力損失一般按局部阻力損失公式計(jì)算，即 （41）式中ξ—局部阻力系數(shù)(對(duì)三角柱ξ=，矩形柱ξ=)； ρ—被測(cè)流體的密度； v —管內(nèi)流體平均流速。 光纖渦街流量傳感器采用單旋渦發(fā)生體。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(jì)成和梯形柱具有相同外接圓的圓柱面。光纖又稱介質(zhì)園波導(dǎo)，主要是由折射率高的纖芯和折射率低的包層構(gòu)成。為了增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度并保護(hù)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。光纖的分類① 按照傳輸模式來劃分：光纖中傳播的模式就是光纖中存在的電磁場(chǎng)場(chǎng)形，或者說是光場(chǎng)場(chǎng)形(HE)。各種場(chǎng)形都是光波導(dǎo)中經(jīng)過多次的反射和干涉的結(jié)果。各種模式是不連續(xù)的離散的。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(chǎng)，即各種光斑。若是一個(gè)光斑，我們稱這種光纖為單模光纖，若為兩個(gè)以上光斑，我們稱之為多模光纖。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(jìn)行傳輸。由于完全避免了模式色散，使得單模光纖的傳輸頻帶很寬，因而適用于大容量，長距離的光纖通訊。單模光纖使用的光波長為1310nm或1550nm。多模光纖(MultiMode) 在一定的工作波長下(850nm/1300nm)，有多個(gè)模式在光纖中傳輸，這種光纖稱之為多模光纖。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。圖42單模/多模光纖光線軌跡圖② 按照纖芯直徑來劃分：1. 50/125 (μm) 緩變型多模光纖2. (μm) 緩變?cè)鰪?qiáng)型多模光纖3. (μm) 緩變型單模光纖備注：50/，125μm均為光纖玻璃包層的直徑數(shù)。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(jiǎn)稱SIF；2. 梯度型光纖 (Graded index fiber)，簡(jiǎn)稱GIF；3. 環(huán)形光纖 (ring fiber)；4. W型光纖表41光纖損耗項(xiàng) 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(duì)接（Butt）機(jī)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(jī)或無機(jī)材料為包皮的光學(xué)纖維。石英光纖傳輸波長范圍寬，因此可適用于紫外到紅外各波長光波信號(hào)及能量的傳輸；石英光纖還有具數(shù)值孔徑大、光纖芯徑大、機(jī)械強(qiáng)度高、彎曲性能好和很容易與光源藕合等優(yōu)點(diǎn)，故在傳感、光譜分析、過程控制及激光傳輸、激光醫(yī)療、測(cè)量技術(shù)、刑偵，信息傳輸和照明等領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛。 本設(shè)計(jì)中采用專門的傳感器用石英光纖，其光纖光透過率≥80%。光纖渦街流量計(jì)通過檢測(cè)在渦街作用下輸出光強(qiáng)度的變化，從而確定渦街產(chǎn)生的頻率，以達(dá)到流量檢測(cè)的目的，因此，該流量計(jì)屬于強(qiáng)度調(diào)制型光纖渦街流量計(jì)。 作為敏感元件的光纖橫向穿過管道。光纖輸入端加連續(xù)光源，在沒有流體作用的情況下，輸出端光強(qiáng)度不變。當(dāng)有流體通過光纖時(shí)，渦街會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生橫向作用力，使光纖微彎并受到周期性的振動(dòng)，從而引起輸出光強(qiáng)度的變化。 光纖受到振動(dòng)的強(qiáng)弱對(duì)于信號(hào)的檢測(cè)有著不可忽視的影響。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(duì)于減少噪聲和諧振效應(yīng)對(duì)測(cè)量的影響會(huì)有所幫助。因此在本設(shè)計(jì)中采用了加調(diào)節(jié)裝置調(diào)節(jié)張力的辦法來削弱噪聲的干擾。見圖2—3所示。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)推薦的經(jīng)驗(yàn)值，我們將光纖放置在旋渦發(fā)生體后10~15cm處，因?yàn)檫@里是旋渦發(fā)生最強(qiáng)烈的地方，由此獲取的振動(dòng)頻率值更精確。圖43 光纖渦街流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖在光接收機(jī)中，首先需要將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即對(duì)光進(jìn)行解調(diào)，這個(gè)過程是有光電探測(cè)器來完成的。由于光電探測(cè)器在光通信系統(tǒng)中起著十分重要的作用，因此對(duì)它的的性能有嚴(yán)格要求：（即光通信系統(tǒng)中所使用的光波波長）有較高的響應(yīng)度，即在一定的入射光信號(hào)功率條件，探測(cè)器輸出光電流要較大，這意味著探測(cè)器要具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率，或者有高的增益因子。，以滿足光通信系統(tǒng)告訴傳輸?shù)囊?。光信?hào)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(duì)較大。接收機(jī)的功能實(shí)際上是從噪聲中提取信號(hào)，而光電探測(cè)器在光——電轉(zhuǎn)換過程中不可避免地引入噪聲，這些噪聲會(huì)被探測(cè)器后面的放大電路進(jìn)一步放大而不可能被消除，這將嚴(yán)重劣化系統(tǒng)性能。因此，作為接收系統(tǒng)最前端的光電探測(cè)器的噪聲為題，就成為十分關(guān)鍵的問題。、體積小、功耗小、穩(wěn)定性好等。光纖通信系統(tǒng)使用的光電探測(cè)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(duì)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。 光源亮度是光源發(fā)光能力大小的綜合標(biāo)志，它定義為單位發(fā)光表面向空間單位立體角內(nèi)發(fā)射出的光功率大小，即 （42）其單位是。對(duì)普通光源而言，由于定向性極差(一般)，因此亮度極低。太陽亮度值大約為sr，其他光源的亮度值也接近或略高于此值.激光光源由于發(fā)光功率在空間(方向性好)和時(shí)間(脈沖可以壓縮得很短)上高度集中，即光功率可以很高，所以亮度值大大提高。激光的高亮度特性，意味著可將激光能量在時(shí)間上和空