基于光频率调制原理的光纤涡街流量计的研究

摘要

卡门涡街独有的流体振荡特性，使涡街流量计成为流量测量仪表家族中不可缺少的一员。而光纤涡街流量计集光纤传感器与涡街流量计的优点于一身，充分发挥光纤传感器质轻、耐用、抗干扰、适用于易燃易爆的环境中等优点，具有广阔的开发和应用前景。 本研究旨在研制一种新型的光纤涡街流量计，能适用于某些恶劣的环境，并能达到一定的测量精度要求。文章首先对光纤涡街流量计的特点、国内外的研究现状等问题进行了阐述，详细叙述了光纤传光的基本理论，并利用光纤作为敏感元件，从晶体物理学、流体力学以及波动光学等角度分别分析了流体对光纤的作用以及光波导光强损耗的机理；文章估算了待测的频率范围以及光电转换后电信号交流成分幅值的大小，分析了光纤受力的安全性；作者不仅介绍了频率测量的基本原理，还对如何采用单片机系统进行频率测量和流量计算进行了详细的阐述。在研究工作中，建立了振动信号产生和频率测量的系统模型，设计了流量计的机械结构、信号处理电路和流量积算仪，通过采用放大板、单片机系统和VB程序界面，实现了对电路频率信号的微机实时测量，同时对系统进行了低功耗设计。采用AFG320信号发生器输入标准微待测信号，测试了电路的频率测量精度及抗干扰特性。最后，分析了测量误差产生的原因，并提出了一些能有效减小误差的措施。 目前，关于光纤涡街流量计的研究，大多处于实验室试验阶段，但是，光纤涡街流量计各方面的性能特点决定了其极其广阔的开发和应用前景。本课题中从涡动力学、波动光学等角度来分析光纤传感器中光强损耗的原因，并采用W78E58B单片机系统来进行待测频率，具有一定的创新性，并能为以后研究开发实用化的新型光纤涡街流量计打下基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1涡街流量计的发展状况

1.2光纤涡街流量计的国内外研究现状

1.3光纤涡街流量计的优点和局限性

1.4课题的目的及意义

1.4.1课题的意义

1.4.2课题研究的主要内容

第2章光纤涡街流量计的特性分析

2.1光纤波导理论

2.1.1光纤及光纤传感器

2.1.2光纤特性

2.1.3光波导传光原理

2.1.4光纤损耗

2.2光纤涡街流量计工作原理

2.3流场中光纤的受力分析

2.3.1圆柱绕流的流场

2.3.2流体对光纤的作用

2.4光纤振动稳定性分析

2.4.1管道内的流速分析

2.4.2光纤受力弦振动分析

2.4.3层流状态下的稳定性分析

2.4.4紊流状态下的稳定性分析

2.5本章小结

第3章光纤涡街流量计的综合参数计算

3.1待测频率范围的估算

3.2光纤受力强度计算以及安全校验

3.3估算光电转换后的待测信号幅值变化

3.4流体工作状态物性参数的补偿

3.4.1液体密度的温度补偿

3.4.2气体的密度补偿

3.5本章小结

第4章光纤涡街流量计的设计

4.1光纤涡街流量计的机械结构设计

4.1.1总体结构设计

4.1.2旋涡发生体的设计

4.1.3壳体的设计

4.2实验电路硬件部分设计

4.2.1振动信号发生和频率测量系统模型

4.2.2电路设计

4.3积算仪部分的设计

4.3.1单片机的选择

4.3.2显示模块的选择

4.3.3系统的掉电保护

4.4补偿电路

4.4.1温度补偿

4.4.2压力补偿

4.5软件设计

4.5.1控制模块

4.5.2计算模块

4.6低功耗设计

4.7本章小结

第5章实验以及误差分析

5.1实验和测量结果

5.2误差分析

5.2.1测量原理性误差

5.2.2其他误差来源

5.3本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

作者简介