基于光电通信原理对气态流体状态的判定

孟祥忠

摘 要：该设计构想是基于光通信原理来测非透明管道内的气态流体流速状态。本设计构思主要介绍通过透明管道气态流体内部的流体紊乱变动，形成不同程度的折射率，再由激光照射，经过紊乱气态流体的折射，其激光就会因紊乱气态流体的流动而频繁改变传播路径或过滤程度，形成被调制的光信号，再由光电调制器转换成音频信号而判别气态流体状态。

关键词：光通信原理；光信号；光电调制器；气态流体

引言

在很多大学实验室测定流体状态的方法大多是采用观察有色流体在非同色流体中的状态来判定层流和紊流。这种方法虽然直观，但准确率差，有时候所获得的数据并不准确。本设计构思是基于光通信原理一种新颖的测试法，解决了实验室内采用通过透明管道来观察管中有色流体细小流线的变化而判断流体状态的不足，具有更好地实践性和实用性。本设计实验可以实现对流体状态的实时监控，再配合报警装置可以应用于生活中的诸多方面。

实验原理：

本实验的主要原理是光通信原理与管道内流体状态随流速的变化而变化的构成。

对于气态流体（本实验采用空气），由于气态流体属于可压缩性流体，其密度会发生改变。由其气体一元流动连续性方程pvA=常量（質量流量），可知对于任意两断面内的质量流量是相等的。对其微分得：

由此公式可知，当流速小于音速时即马赫数M<1，速度增加，密度就会减小，从而可知气态流体流速的变化会导致管道气体的密度的变化，从而导致不同的折射率，判断其流体状态。被调制的光信号可有各种方法实现，基于本实验的目的，就是通过管道内部气态流体的紊乱变化或气态流体密度变化导致水的折射率发生变化，继而产生变化的光信号。产生的被调制的光信号的照射在硅光电池上，利用硅光电池能够使光信号转化成电信号的能力，将产生不同的电信号，再有导线连接入放大器。通过放大器的放大作用，接入示波器中，在示波器的屏幕上将产生不同幅度不同的波形，通过观察波形来判断流体状态。（实验设计如图1）

实验过程与结果：

当气态流体流量较大时，气态流体处于紊流状态，那么通过的激光信号的波动情况比较复杂和频繁，相应形成的电信号也将产生较大的变化，通过在示波器的显示器上可以看出波动比较复杂（如图2）；而当气态流体处于层流状态时，水体的波动不是太大，那么通过管道形成的光信号就比较平稳，相应形成的电信号也比较平稳，显示在示波器上的波动情况也是总体平稳的。由此可以得出，气态流体从紊流状态到层流状态的波动情况不一样，那么由紊流到层流的转变就会在示波器上形成不一样的波形，在紊流波形与层流波形之间的过渡点就是临界点，即雷诺数时的气态流体状态。（如图2所示）

展望与前景：

本实验设计不仅直观的展现出层流到紊流的变化过程，而且对待测定流体无污染，对一些要求较高的流体能够进行非接触，非污染的测量，不扰动原有的流体流场。本实验设计可以替换现在用有色细小水流判断流体状态的实验，克服了原有实验不准确，不宜观察的缺点。如果加以改进，可以运用到一些流体报警装置中。

参考文献

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[3]周平，冯庆.大学物理（下）[M].科学出版社，2012，12.

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