谈光纤光栅_超声技术测温原理(1)
光纤光栅原理及应用
光纤光栅传感器原理及应用（武汉理工大学）1光纤光栅传感原理光纤光栅就是利用紫外光曝光技术，在光纤中产生折射率的周期分布，这种光纤内部折射率分布的周期性结构就是光纤光栅。
光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating ，FBG ）在目前的应用和研究中最为广泛。
光纤布喇格光栅，周期0.1微米数量级。
FBG 是通过改变光纤芯区折射率，周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽带光波在光栅中传输时，入射光将在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样光纤光栅就起到了波长选择的作用，如图1。
图1 FBG 结构及其波长选择原理图在外力作用下，光弹效应导致折射率变化，形变则使光栅常数发生变化；温度变化时，热光效应导致折射率变化，而热膨胀系数则使光栅常数发生变化。
（1）光纤光栅应变传感原理光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况，在外力作用下，光弹效应导致光纤光栅折射率变化，形变则使光栅栅格发生变化，同时弹光效应还使得介质折射率发生改变，光纤光栅波长为1300nm ，则每个με将导致1.01pm 的波长改变量。
（2）光纤光栅温度传感原理光温度变化时，热光效应导致光纤光栅折射率变化，而热膨胀系数则使光栅栅格发生变化。
光纤光栅中心波长为1300nm ，当温度变化1摄氏度时，波长改变量为9.1pm 。
反射光谱入射光谱投射光谱入射光反射光投射光包层纤芯光栅光栅周期2光纤光栅传感器特点利用光敏元件或材料，将被测参量转换为相应光信号的新一代传感技术，最大特点就是一根光纤上能够刻多个光纤光栅，如图2所示。
光纤光栅传感器可测物理量：温度、应力/应变、压力、流量、位移等。
图2 光纤光栅传感器分布式测量原理光纤光栅的特点： ● 本质安全，抗电磁干扰● 一纤多点（20-30个点），动态多场：分布式、组网测量、远程监测 ● 尺寸小、重量轻； ● 寿命长: 寿命 20 年以上3目前我校已经开展的工作（部分）3.1 基于光纤光栅传感的旋转传动机械动态实时在线监测技术与系统利用光纤光栅传感技术的特性，实现转子运行状态的非接触直接测量。
光纤光栅在温度和应变双测量中的原理和应用
光纤光栅在温度和应变双测量中的原理和应用
光纤光栅是一种基于光学原理的传感器，利用光纤中构建的光栅结构来对温度和应变进行测量。
其原理是通过光纤中的光场与光栅之间的相互作用产生的衍射效应，通过测量光信号的相位或强度变化来反映温度或应变的变化。
光纤光栅在温度测量中主要应用在高温领域，例如火力发电、冶金等工业领域，以及航空、航天等高科技领域。
在应变测量中，光纤光栅可以应用于结构健康监测、地震监测等领域。
光纤光栅的优点是具有高灵敏度、高分辨率、高可靠性和强抗干扰能力等特点，可以在严苛的环境条件下进行长期稳定地测量。
超声光栅实验报告
超声光栅实验报告超声光栅实验报告引言：超声光栅是一种利用超声波与光波相互作用的技术，它可以实现高分辨率的光学成像。
本实验旨在研究超声光栅的原理、工作方式以及其在实际应用中的潜力。
一、超声光栅的原理超声光栅的原理基于声光效应和光栅效应的结合。
声光效应是指声波与光波之间的相互作用，当声波通过介质时，会引起介质中的折射率变化，从而改变光波的传播特性。
而光栅效应是指光波通过具有周期性折射率变化的介质时，会发生衍射现象，从而形成光栅图样。
超声光栅利用这两种效应的相互作用，实现了对光波的调制和控制。
二、超声光栅的工作方式超声光栅一般由超声发射器、介质和光探测器组成。
超声发射器产生超声波，将其传播到介质中。
介质中的声波通过声光效应改变了介质的折射率，从而形成了一个具有周期性折射率变化的光栅。
当入射光波通过光栅时，会发生衍射现象，形成衍射光栅图样。
光探测器可以检测到衍射光栅的强度分布，并将其转化为电信号输出。
三、超声光栅的应用超声光栅在许多领域都有广泛的应用。
其中，最常见的应用是在光通信领域。
超声光栅可以用来实现光信号的调制和解调，从而提高光纤通信的传输速率和容量。
此外，超声光栅还可以应用于光学成像和光谱分析等领域。
通过调整超声波的频率和强度，可以实现对光波的调制和控制，从而获得高分辨率的光学成像结果。
四、超声光栅的优势与挑战超声光栅相比传统的光学技术具有许多优势。
首先，超声光栅可以实现对光波的高度可控性，可以调整超声波的频率和强度，从而实现对光波的高精度调制和控制。
其次，超声光栅具有高分辨率和高灵敏度的特点，可以实现对微小变化的检测和测量。
然而，超声光栅的应用还面临一些挑战。
例如，超声光栅的制备和调试过程较为复杂，需要较高的技术要求和设备支持。
此外，超声光栅在实际应用中还需要进一步解决光损耗、杂散光等问题。
结论：超声光栅作为一种新兴的光学技术，具有广阔的应用前景。
通过对超声光栅的原理、工作方式和应用进行研究，我们可以更好地理解超声光栅的特点和优势，并为其在实际应用中的进一步发展提供参考。
光纤光栅传感器原理
光纤光栅传感器原理光纤光栅传感器的原理基于光的衍射现象。
光在介质中传播时，由于介质的光密度的微小变化，会产生光的衍射现象。
在光纤光栅传感器中，将光纤中一小段纤芯的折射率进行周期性调制，形成了一个光栅结构。
这个光栅结构使得入射光束在光纤中进行了反射，从而产生了光的衍射。
当外界环境参数发生变化时，如温度、压力、拉伸等，会导致光纤中局部折射率发生变化。
这种变化会导致光栅的周期性调制发生改变，进而改变光的传播特性。
这种改变可以通过光栅传感器上的光谱分析来测量。
光纤光栅传感器利用了光的波长具有很高的稳定性和精确度的特点，能够实现对外界环境参数的灵敏测量。
光纤光栅传感器的测量原理可以通过布拉格衍射定律进行解释。
布拉格衍射定律通过描述入射光束和反射光束之间的波长关系来量化光的衍射现象。
根据布拉格衍射定律，入射光束的波长与光栅的周期之间存在一个关系，即2nλ=Λ，其中n为光栅中一段长度的折射率变化数目，λ为光的波长，Λ为光栅的周期。
光纤光栅传感器中的光栅可以通过直接脉冲照射或使用激光干涉法制作。
当光栅被制作完成后，可以将其嵌入到光纤中。
光纤光栅传感器的光栅通常是一个很长的光纤，用于扩大传感范围。
光纤光栅传感器可以通过固定一个端口并将光栅另一端暴露在外界环境中来实现测量。
光纤光栅传感器通过光纤线上的光栅对入射光束进行光谱分析，得到入射光的光谱特性。
通过分析光谱的参数变化，可以得到外界环境参数的测量结果。
这种测量方法可以实现对多种环境参数的测量，并且具有高精度和高灵敏度。
光纤光栅传感器的应用范围广泛，包括温度测量、压力测量、拉伸测量等。
总而言之，光纤光栅传感器是一种基于光的衍射现象利用光纤光栅实现光参数测量的传感器。
其测量原理基于光的波长与光栅的周期之间的关系，在入射光发生衍射时进行测量。
光纤光栅传感器具有高精度、高灵敏度等优点，并可应用于多种环境参数的测量。
随着材料科学和仪器技术的不断发展，相信光纤光栅传感器将有更广阔的应用前景。
光纤光栅测温原理
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
如果光栅处的温度发生变化，由于热胀冷缩， 光栅条纹周期也会跟随温度变化，光栅布喇格波长 也就跟着变化。这样通过检测光栅反射光的波长变 化，就可以知道光栅处的温度变化。 光纤光栅分布式传感系统基本原理如下图所示。
光纤光栅分布式传感系统中，一根光纤上串接 多个光栅（各光栅具有不同的光栅常数），宽带光 源所发射的宽带光经Y型分路器通过所有的光栅， 每个光栅反射不同中心波长的光，反射光经Y型分 路器的另一端口耦合进光纤光栅感温探测信号处理 器，通过光纤光栅感温探测信号处理器探测反射光 的波长及变化，就可以得到解调数据，再经过处理， 就得到对应各个光栅处环境的实际温度。
光纤光栅测温原理
光纤光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调 制，所谓调制就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率 产生大小起伏的变化。
光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对 芯层掺杂，使芯层折射率n1比包层折射率n2大，形成 波导，光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周 期性调制后，即成为光栅。光栅会对入射的宽带光进 行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制 相位相匹配的窄带光刺中心波长为布喇格波长。
光纤布拉格光栅的工作原理
光纤布拉格光栅的工作原理
嘿呀！今天咱们就来好好聊聊光纤布拉格光栅的工作原理！
首先呢，咱们得知道啥是光纤布拉格光栅呀？哇，简单来说，它就是一种在光纤芯内形成的周期性折射率调制结构。
哎呀呀，这听起来是不是有点复杂？
咱们来细细说说它咋工作的。
1 呀，当光进入光纤布拉格光栅的时候，会发生反射和透射。
这是为啥呢？因为光栅的周期性结构就像一道道“关卡”，对特定波长的光进行有选择的反射。
你说神奇不神奇？！
2 呢，这特定波长是咋确定的？哎呀，这就得看光栅的周期啦！周期越大，反射的光波长就越长；周期越小，反射的光波长就越短。
是不是很有趣呀？
3 还有啊，光纤布拉格光栅的反射率也很有讲究呢！它跟光栅的长度、折射率调制深度等等都有关系。
比如说，光栅越长，反射率就可能越高；折射率调制深度越大，反射率也会跟着上升。
4 哇塞，那它在实际应用中又有啥作用呢？哎呀呀，这可太多啦！在通信领域，它可以用来滤波，把不需要的波长过滤掉，只让我们想要的波长通过，这可大大提高了通信的质量和效率呀！在传感领域，它能感知温度、应变等物理量的变化，这对监测桥梁、建筑物的健康状况可太重要啦！
5 不过呢，要想让光纤布拉格光栅发挥出最大的作用，还得对它进行精确的设计和制造。
这可不是一件容易的事儿，需要高超的技术
和精密的设备呢！
总之呀，光纤布拉格光栅的工作原理虽然有点复杂，但是一旦搞明白了，就能发现它在很多领域都有着不可替代的作用！哇，是不是很厉害呀？。
超声光栅实验原理
超声光栅实验原理
超声光栅实验原理：
①声光效应当超声波在液体中传播时会形成一系列等间距平面波前使液体折射率呈现出周期性变化；
②光束入射将单色激光束垂直或倾斜入射到上述含有超声波的液体池中由于声光相互作用而发生衍射现象；
③衍射级次根据布拉格条件只有那些满足2nλ=2dSinθ的衍射角才能获得增强其余方向光强则大大减弱；
④衍射效率随着超声强度增大衍射角附近光强逐渐增强直到某个饱和值其余方向光则被极大抑制；
⑤波长选择通过改变超声频率可以连续调节衍射角从而实现对光波长的选择性滤波适用于光谱分析；
⑥强度调制若保持频率不变仅改变超声强度则可控制衍射效率实现对光强连续调制适用于通信显示；
⑦相位调控由于声光相互作用还会引起相位延迟效应因此可用于激光相位共轭光学信息处理等领域；
⑧温度影响实际应用中需注意温度变化会导致声速折射率波动进而影响调制性能需采取恒温措施补偿；
⑨压电驱动为产生稳定可控超声波通常采用压电换能器作为声源其特点是响应速度快频率范围广；
⑩集成优化近年来随着微机电系统技术发展出现了将声光池换能器驱动电路集成在同一芯片上的产品；
⑪多功能化除了基本调制功能外现代超声光栅还兼具偏振旋转模式转换等附加功能拓宽应用范围；
⑫发展趋势展望未来超声光栅将朝着小型化宽带化智能化方向发展以适应更多新兴领域需求。
光纤光栅原理及应用pdf
光纤光栅原理及应用pdf
抱歉，我无法提供具体的PDF文件。
但是，我可以向您解释光纤光栅的原理和应用。
光纤光栅是一种光学器件，通过周期性修改光纤中的折射率分布来操控光的传输和反射。
光栅的周期性结构会引起光的干涉效应，从而改变光的频率或波长。
光纤光栅的工作原理基于两个主要现象：布拉格散射和折射率调制。
在布拉格散射中，入射光与光栅中的周期性折射率相互作用，只有当入射光的波长等于光栅的周期时，散射光才会被反射回来。
而折射率调制则是通过改变光纤中不同位置的折射率来实现对光的操控。
光纤光栅的应用非常广泛。
以下是一些常见的应用场景：
1. 光纤传感器：光纤光栅可以用作传感器，用于检测和测量温度、应变、压力、化学物质等物理和化学参数。
2. 光纤通信：光纤光栅可用于调制和分析光信号，在光纤通信系统中起到滤波和增强特定信号的作用。
3. 激光器和放大器：光纤光栅可用于调谐和稳定激光器的输出频率，以及增强和调谐光纤放大器的性能。
4. 光学仪器：光纤光栅可以用于光谱分析、衍射和干涉测量等光学仪器中，用于改变光的频率、波长和幅度。
总之，光纤光栅是一种重要的光学器件，其原理基于布拉格散
射和折射率调制效应。
它在传感、通信、激光和光学仪器等领域中具有广泛的应用。
光纤光栅传感器的原理
光纤光栅传感器的原理
光纤光栅传感器是一种利用光纤光栅作为传感元件的传感器。
通过在光纤中引入周期性的折射率调制结构，形成光栅，可以实现对光的干涉和耦合。
光纤光栅传感器的工作原理是利用光的干涉效应。
当入射光经过光纤光栅时，会发生光的折射、反射和散射现象，这些现象会改变光的传播状态和幅度。
通过测量入射光和反射光之间的干涉效应，可以间接地获取待测参数的信息。
光纤光栅传感器的工作过程如下：首先，入射光进入光纤光栅，当入射光与光栅中的周期性结构相互作用时，会发生光的耦合和反射。
然后，经过光栅调制后的反射光将重新耦合回光纤中，并沿光纤传输到接收器。
最后，接收器检测到反射光的干涉效应，并将其转化为电信号。
光纤光栅传感器具有很多优点，如高精度、高灵敏度、快速响应、抗干扰能力强等。
它被广泛应用于测量温度、压力、应变、振动等物理量，以及检测液体浓度、气体成分等化学参数。
在工业自动化、能源、医疗、环境监测等领域有着重要的应用价值。
光纤分布式测温光纤光栅
光纤分布式测温光纤光栅1.引言1.1 概述光纤分布式测温光纤光栅是一种新型的测温技术，采用光纤传感器和光栅技术相结合，能够在光纤上实现实时、连续和分布式的温度监测。
光纤分布式测温技术在工业生产、能源开发、交通运输等领域具有广泛的应用前景。
光纤分布式测温技术通过在光纤上布置一定的光栅结构，实现对光的频率或相位的测量，从而间接测量出光纤所处位置的温度。
相比传统的点式温度传感器，光纤分布式测温技术具有以下优势：首先，光纤分布式测温技术可以实现对大范围区域的温度监测。
传统的点式温度传感器只能在特定的位置进行测量，而光纤分布式测温技术可以在整个光纤传感区域内进行连续的温度监测，从而实现对整个区域的温度分布进行实时监测。
其次，光纤分布式测温技术具有高精度的优势。
光纤传感器的传感元件通常采用光纤光栅，可以对光的频率或相位进行高精度的测量，从而实现对温度的精准测量。
同时，光纤的传输性能良好，不易受到外界干扰，可以保证测温的准确性和稳定性。
此外，光纤分布式测温技术还具有快速响应和实时监测的特点。
由于光纤传感器的测量原理是基于光的传输特性，具有传输速度快的特点，可以实时监测温度变化，对温度异常进行及时响应。
综上所述，光纤分布式测温光纤光栅是一种具有广泛应用前景的测温技术。
它的分布式测温能力、高精度测量、快速响应和实时监测等优势，使其在工业生产、能源开发、交通运输等领域都有很大的潜力。
本文将详细介绍光纤分布式测温光纤光栅的工作原理、应用领域以及发展趋势，并对其未来的发展进行展望。
1.2 文章结构文章结构部分应该包括整篇文章的组成和章节划分的介绍。
以下是文章结构部分的内容建议：文章结构：本文总共包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要概述了光纤分布式测温光纤光栅的背景和意义。
正文部分主要介绍了光纤分布式测温技术和光纤光栅的原理、应用等相关内容。
结论部分对全文进行总结，并展望了未来的研究方向。
章节划分：引言部分：首先介绍了光纤分布式测温光纤光栅的背景和意义，引发读者对该领域的兴趣，然后概述了整篇文章的结构和各个章节的内容。
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谈光纤光栅、超声技术测温原理
Talk about Fiber Grating,U ltrasonic Technology Temperature Measuring Principle
马晓春 梁 芳
(新疆计量测试研究院,新疆乌鲁木齐830011)
摘 要:介绍了光纤光栅和超声波温度传感器的工作原理和研究现状,综述了光纤光栅和超声波温度传感器的发展状况和应用,并举例说明其测量方法的优势。
关键词:温度;测量;光纤光栅;超声
1 光纤光栅温度传感器
光纤光栅是利用掺杂光纤(如掺锗、掺磷等)的光敏特性,使光纤折射率沿轴向周期或非周期变化。
光纤光栅的作用可等效为纤芯内形成一个窄带的(透射或反射)滤光器或发射镜。
光纤光栅种类很多,折射率沿轴向周期均匀变化的光栅称为光纤布拉格光栅(FB G)。
图1表示FBG
传感器原理。
图1 FBG 原理示意图
反射光波波长与栅距 的关系式如下: B =2n eff
式中:n eff 为光栅的等效折射率。
当温度被测量作用于光栅时,则引起 或n eff 变化,从而调制反射光波波长。
同时,由于热膨胀也引起栅距的变化,不考虑波导效应,光纤光栅具有以下温度响应特性如下式。
B
B
=(a +!) T 其中:a 光纤的热膨胀系数,一般为0 55!10
-6
/∀;! 光纤光栅的热光系数,常温下约6 3!
10-6/∀, T 温度变化 所以,光纤光栅波长的变化与环境温度的变化呈线性变化关系。
光纤光栅温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的许多优点外,还有一些明显优于光纤温度传感器的地方,其中最重要的就是它的传感信号为波长调制。
这一传感机制的好处在于能方便地使用波分复用技术在一根
光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式温度测量。
如图
2另外,光纤光栅很容易埋入材料中对其内部的应变和温度进行高分辨率和大范围地测量,光纤光栅传感器被认为是实现#光纤灵巧结构∃的理想器件。
图2 分布式FBG 温度传感器原理
2 超声温度传感器
牛顿在300年前就从理论上推导出了声速和温度之间的关系,120年以前,当时著名的声学专家Mayer 就测量出了1000K 以上高温气体中的声速,并发现了声速与介质温度的平方根成正比。
现在要求越来越多的测量材
料制造在高温过程的温度,例如,在铸件或成型工艺对金属和聚合物内部温度分布的监控有着强烈的要求,实际上某一位置内部温度可以在生产过程中有效地进行质量控制。
超声波,能灵敏的探测到材料内部的温度,现在有很多的工作需要测量材料内部的温度,超声波的优势在于可以为大家提供一种非侵入性的测量方法,一种温度测量速度比热电偶更快的技术。
如果声波发射装置和接收装置之间的距离是己知的,又通过某种测量方法,测量出声波由发射端到接收端的飞行时间,则利用声波的传播速度与气体介质温度之间的关系,可以将声波飞行路径上的平均温度表示为声波飞行时间的函数,声波的传播速度与绝对温度之间有如下关系:
c =
∀R T
m =Z T
其中:Z 是气体的绝热指数,等于定压比热和定容比热之比,与气体的成分和状态有关;R 是气体常数,通用数值为8314 3J/(Kmol K);了是气体的热力学温度,单位
(下转第41页)
39
马晓春等:谈光纤光栅、超声技术测温原理
u(F)=0 05N
3
=0 0289N
4 3 输入量标准不确定度u(L)的评定
1000m钢直尺的最大允许误差为%0 2m m,加之读数等误差,估计L值的测量误差为%1mm。
按均匀分布
u(L)=1mm
3
=0 577!10-3m
4 4 标准不确定度u(M)的计算
u(M)=c21u2(F)+c22u2(L)=0 566(N m)
u rel(M)=0 566
F L
=0 06%
5 测功器制动力测量结果的不确定度分析
5 1 数学模型F=F i-F
u2(F)=c21u2(F i)+c22u2(F)
c1=1 c2=-1
5 2 输入量标准不确定度u(F i)的评定
u(F i)的不确定度主要由测量重复性u1(F i)和分辨力u2(F i)引起的。
(1)u1(F i)的来源主要是测功器的测量重复性,选择最大量程1000N作为测量点,在相同条件下重复测量10次,其测量列如表1:
表1
n12345678910
F i(N)996994995993998996994996994998
F i=995 4N s=1 71N u1(F i)=1 71N
3=0 57N
(2)u2(F i)的来源是测功器的分辨力,其分辨力为
1N,则
u2(F i)=0 289N
(3)因为u1(F i)>u2(F i),故
u(F i)=u1(F i)=0 57N
5 3 输入量标准不确定度u(F)的评定
其主要来源是测功器的校准装置,经前面分析可知其u=0 06%,即1000N测量点
u(F)=1000N!0 06%=0 6N
5 4 合成不确定度的评定
u c=c21u21(F i)+c22u22(F)
=(0 3249+0 360)N=0 83N
5 5 扩展不确定度的评定
U=2!0 83N=1 66N(k=2)
U rel=
1 66
1000
!100%=0 17%
6 结束语
通过上述分析可知,利用水力测功器制造方提供的力值杠秤器具,采用该方法进行测功器制动力值的校准,
经实践证明其校准结果准确可靠,满足企业的预期使用
要求。
作者简介:谢清群,男,高级工程师。
工作单位:福建省龙岩市计量所。
通
讯地址:364400福建省龙岩市新罗区溪南路40号。
收稿时间:2010-05-26
(上接第39页)
是K;m是气体的平均摩尔质量,单位是Kg/Kmol;Z是对
某种特定气体的唯一常数,T=c
Z
2
如果声波发射装置和接收装置之间的距离是已知的,则该条路径上的平均温度表示成声波飞行时间的函数关系式如下:
T=d
tZ
2
其中:d是声波发射和接收装置之间的距离,单位是m;t是声波飞行时间,单位是s。
从上面的分析可知,声学测温方法需要确定的基本物理量有:
(l)声波发射和接受装置之间的距离。
(2)被测气体的组成成分,状态参数,从而确定绝热指数和气体常数。
(3)声波发射端和接收端的声学信号采集,从而计算出声波飞行时间。
近年来国内也有一些癌热疗超声无损测温方面的报导。
在超声无损测温技术中,己有各种方法被采用:与频率相关的衰减分析,背向散射功率,声速和热澎胀。
超声测温其基本原理就是利用超声波的某些声特性参数与温度的相关性来获取组织温度信息。
归结起来有利用诊断超声的背向散射谱的频移鱿与温度的相关性,利用超声反射系数的温度相关性,利用背向散射超声波时移的温度相关性等几种。
经过多年的研究,光纤光栅、超声测温技术已经开始应用于工业生产与实验室中,成为有发展前途的温度检测新方法。
参考文献
[1]姜德生.光纤光栅传感器的应用概况[J].光电子激光,2002.4.
[2]赵勇.光纤传感原理与应用技术.北京:清华大学出版社,2007:145 ~153.
[3]米小兵,张淑仪,张俊杰,杨跃涛.超声波自动测温技术[J].南京大学学报,2003.7.
作者简介:马晓春,男,工程师。
工作单位:新疆计量测试研究院。
通讯地址:830011新疆乌鲁木齐市北京南路40号附9号。
梁芳,新疆计量测试研究院(乌鲁木齐830011)。
收稿时间:2010-06-24
41
谢清群:水力测功器的校准方法探讨。