CN101995485A

CN101995485A - 靶式光纤光栅流速计

Info

Publication number: CN101995485A
Application number: CN 201010530074
Authority: CN
Inventors: 隋青美; 王正方; 王静; 李术才; 张庆松; 张宵; 贾磊
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2010-11-03
Filing date: 2010-11-03
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2030-11-03
Also published as: CN101995485B

Abstract

本发明涉及一种靶式光纤光栅流速计。它测量体积小，精度高，防水性能好，抗电磁干扰，并且可对管道、夹缝等不同环境下进行实时监测，它包括壳体，壳体一端连接测量接头，壳体的另一端设有端盖；端盖上安装固定金属片，固定金属片与悬臂梁连接，悬臂梁上设有测量光栅，测量光栅与光纤连接，光纤穿过端盖；悬臂梁的末端设有金属靶片，金属靶片置于测量接头内，在悬臂梁上设有密封装置。

Description

靶式光纤光栅流速计

技术领域

本发明涉及一种具有温度补偿功能的光纤光栅流速传感器，特别是一种能测量内径或宽窄可变的管道或者夹缝中流速的靶式光纤光栅流速计。

背景技术

光纤光栅是一种对温度和应变敏感的光学无源器件，它不仅继承了普通光纤传感器的许多优点：如灵敏度高、响应速度快、动态范围宽、重量轻、结构紧凑、使用灵活、抗腐蚀、耐高温、不受电磁干扰、可在矿井、油田以及油罐等恶劣、易爆、高危险环境中工作。同时，光纤光栅传感器还有一些明显优于普通光纤传感器的特点：如带宽范围大、附加损耗小；传感头结构简单、体积小、重量轻、器件微型化；与光纤兼容，易与光纤系统连接，耦合性好测量信息采用波长编码，不受光强波动、损耗等因素的影响，抗干扰能力强；便于复用、可构成光纤传感网络，实现多点、分布式传感等，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，具有良好的实用性。

目前在需要测量管道流速、坡面径流流速等工程应用中，多采用电类流速传感器。传统的电类流速传感器精度低，体积大，防水性能差，易受电磁干扰，而且大多仅限于对管道内部的流速测量，无法对测量细小夹缝以及坡面的径流流速进行在线监测。而利用超声波的流速测量仪及利用声学多普勒效应的流速仪等，其测量精度虽然较高，但其成本高且易受电磁波干扰，严重限制了其在工程中的广泛应用。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明提供一种测量体积小，精度高，防水性能好，抗电磁干扰，并且可对管道、夹缝等不同环境下进行实时监测的靶式光纤光栅流速计。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种靶式光纤光栅流速计，它包括壳体，壳体一端连接测量接头，壳体的另一端设有端盖；端盖上安装固定金属片，固定金属片与悬臂梁连接，悬臂梁上设有测量光栅，测量光栅与光纤连接，光纤穿过端盖；悬臂梁的末端设有金属靶片，金属靶片置于测量接头内，在悬臂梁上设有密封装置。

所述测量接头为内径可变的可拆卸三通，它与壳体螺纹连接，连接处设有O型密封圈。

所述端盖上设有十字形孔和螺丝孔，固定金属片设置在十字形孔内，光纤也从其中穿出；同时固定金属片通过螺丝孔用螺丝固定在端盖上，端盖与壳体间螺纹连接，连接处设有O型密封圈。

所述悬臂梁为等强度悬臂梁。

所述测量光栅为双光纤光栅，它们对称的粘贴在悬臂梁的两侧中部。

所述密封装置为锥形软橡胶膜，橡胶膜的一端与壳体连接，另一端套在悬臂梁上并密封。

本发明的靶式光纤光栅流速计，包括壳体，壳体一端连接内径可变的可拆卸三通，壳体的另一端设有带十字形孔和螺丝孔的端盖，十字形孔内设有固定金属片，金属片上连接有等强度悬臂梁。双光纤光栅对称的粘贴在悬臂梁的两侧，悬臂梁的另一端直接与圆形金属靶片固定连接，靶片大小可根据测量需要更换。在悬臂梁上套有锥形软橡胶膜，橡胶膜的一端与壳体内部的卡槽密封连接，另一端套在悬臂梁上并密封。测量光栅通过光纤从端盖的十字形孔中引出。

在使用时，靶片正对水流方向，直接感受与水流流速成确定关系冲击力，并将该力转化成集中力作用于等强度悬臂梁，使等强度悬臂梁产生形变，带动粘贴于悬臂梁上的光纤光栅发生变化，使光纤光栅在拉压力作用下中心波长发生漂移。采用差分形式的双光纤布拉格光栅结构，改善敏感度并且进行温度补偿。使用波长解调仪检测光纤光栅的中心波长，并由软件采集存储数据，得到与流速变化成对应关系的波长的变化量。

本发明的有益效果是：它基于全光信号设计，无电子器件，不存在电火花隐患，抗电磁干扰，结构简单，防水性能良好。本发明采用等强度悬臂梁和双测量光栅，提高了测量精度并实现温度补偿。本发明便于组网，可以实现准分布式实时监测。

附图说明

图1为本发明光纤光栅流速计的正视剖面图；

图2为本发明光纤光栅流速计的侧视剖面图；

图3a为本发明所测的流速平方与测量光栅中心波长关系曲线图；

图3b为本发明所测的流速平方与测量光栅中心波长关系曲线图；

图4为本发明所测的流速平方与测量光栅中心波长关系曲线图；

图5为本发明所测的流速拟合曲线与实际流速拟合曲线图。

其中1.壳体，2.螺丝孔，3.端盖，4.三通，5.金属靶片，6.锥形橡胶膜，7.悬臂梁，8.测量光栅，9.固定金属片。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

图1、图2中，壳体1一端连接内径可变的可拆卸三通4，壳体1的另一端设有带十字形孔和螺丝孔的端盖3，十字形孔内设有固定金属片9，固定金属片9上连接有等强度悬臂梁7。双光纤光栅的测量光栅8通过粘结剂均匀粘贴在悬臂梁7的两侧，悬臂梁7的另一端直接与圆形金属靶片5固定连接，金属靶片5置于三通4内，感受与流速成对应关系的力，并将该力集中传给等强度悬臂梁7。悬臂梁7上套有锥形软橡胶膜6，橡胶膜6的一端与壳体1内部的卡槽密封连接，另一端套在悬臂梁7上并密封。测量光栅8通过光纤从端盖3的十字形孔中引出。

端盖3和三通4与壳体1之间均为螺纹连接，连接处均设有O型密封圈。

等强度悬臂梁7垂直放置，确保测量光栅8在传感过程中不出现啁啾现象，又避免了自身重量对测量结果的影响。

测量光栅8通过粘结剂均匀粘贴在等强度悬臂梁7两侧中部。

当水流流过，金属靶片5受到水流冲击，感受并集中与水流成确定关系的冲击力F，作用于等强度悬臂梁7，导致等强度悬臂梁7发生形变，从而对粘贴在悬臂梁7上的测量光栅8产生拉压作用，引起测量光栅8中心波长发生漂移。

本发明的具体制作过程为：首先，将等强度悬臂梁7插入固定金属片9中，并将固定金属片9插入端盖3中的十字孔固定，保证悬臂梁7与端盖面垂直，选定两根测量光栅8，并将测量光栅8均匀对称的粘贴在悬臂梁7的两侧中部，测量光栅8通过光纤从端盖3的十字孔中引出，并用粘结剂固定。然后，将壳体1与端盖3拧紧，把锥形橡胶膜6前端剪开合适大小，套入悬臂梁7，另一端塞入壳体1的卡槽并密封。最后，将金属靶片5固定在悬臂梁7前端，在壳体另一端套上三通4并拧紧。

对光纤光栅流速计进行标定，得到其中一个测量光栅8的中心波长(nm)随的流速平方(m/s)²的变化关系为y＝-0.1683x+1532.8，如图3a所示，线性度R²为0.9939。测量光栅8的中心波长(nm)与流速(m/s)²的对应关系为y＝-0.1878x²+0.0408x+1532.8，如图3b所示，R²为0.9946，可见本发明线性度良好。

对测得数据进行处理后，得到测量光栅8测得的流速平方与流速的拟合曲线，如图4，其对应关系为y＝1.1089x²-0.2409x+0.1157，R²＝0.9946。图5为相同流速下，测量光栅8测得流速平方和实际流速平方与流速的拟合曲线。

在现场检测时，首先将靶式光纤光栅流速计靶片5正对水流方向放置，然后对两根测量光栅8的数据同时进行监测，最后经过数据处理，消除温度影响，并将测得的波长变化转化为相应的流速变化量。

Claims

1.一种靶式光纤光栅流速计，其特征是，它包括壳体，壳体一端连接测量接头，壳体的另一端设有端盖；端盖上安装固定金属片，固定金属片与悬臂梁连接，悬臂梁上设有测量光栅，测量光栅与光纤连接，光纤穿过端盖；悬臂梁的末端设有金属靶片，金属靶片置于测量接头内，在悬臂梁上设有密封装置。

2.如权利要求1所述的靶式光纤光栅流速计，其特征是，所述测量接头为内径可变的可拆卸三通，它与壳体螺纹连接，连接处设有O型密封圈。

3.如权利要求1所述的靶式光纤光栅流速计，其特征是，所述端盖上设有十字形孔和螺丝孔，固定金属片设置在十字形孔内，光纤也从其中穿出；同时固定金属片通过螺丝孔用螺丝固定在端盖上，端盖与壳体间螺纹连接，连接处设有O型密封圈。

4.如权利要求1所述的靶式光纤光栅流速计，其特征是，所述悬臂梁为等强度悬臂梁。

5.如权利要求1所述的靶式光纤光栅流速计，其特征是，所述测量光栅为双光纤光栅，它们对称的粘贴在悬臂梁的两侧中部。

6.如权利要求1所述的靶式光纤光栅流速计，其特征是，所述密封装置为锥形软橡胶膜，橡胶膜的一端与壳体连接，另一端套在悬臂梁上并密封。