CN103267547A - 一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器 - Google Patents

一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，属于光电子测量技术领域。本发明包括外壳、液缸、活塞、进水口、集成液控换向单元、联动装置、阀Ⅰ、阀Ⅱ、阀Ⅲ、阀Ⅳ、出水口、计数装置；其中位于传感器中部的液缸之上设有活塞、液缸右端基板上装有计数装置，位于外壳左侧的进水口与位于联动装置左侧的集成液控换向单元连通，位于液缸下边两端处与联动装置接合的阀Ⅰ、阀Ⅱ分别与位于外壳底部右侧的出水口连通，位于液缸上边两端处与联动装置接合的阀Ⅲ、阀Ⅳ分别与集成液控换向单元连通。本发明实现了对微流量的在线监测，同时抗干扰能力强。

Description

一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器
技术领域
本发明涉及一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，属于光电子测量技术领域。
背景技术
在水利工程中， 渗流和渗透控制是土石坝工程中的关键控制性参数，直接关系到工程的安全。水工建筑物的渗流，会对坝体造成渗透破坏，严重时会发生垮坝事故。通常，地表水的冲刷破坏常会引人注意，也比较容易发现和挽救；而地下水的冲刷则不易观测，常被忽视；长时间小的渗流达到一定程度会导致工程的破坏，不利于补救。因此，在水利工程中，有必要设计一种微流量传感器对渗流进行实时在线监测。
与本发明最接近的技术是李晓东，苏学利，赵仕俊，“液控活塞式小流量计的研制”《石油仪器》，2001年刊，第15卷第3期。文献中采用机械式计数器的液控活塞式小流量计，利用人工巡检的方法，但难以实现对渗流的远距离实时监测、并及时发现异常，监测结果受人为因素的影响也很大。此外，机械式计数器还易受外界电磁的干扰，造成测量误差。
发明内容
本发明提供了一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，以用于解决水利工程中渗流的实时在线监测问题。
本发明的技术方案是：一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，包括外壳1、液缸2、活塞3、进水口4、集成液控换向单元5、联动装置6、阀Ⅰ7、阀Ⅱ8、阀Ⅲ9、阀Ⅳ10、出水口11、计数装置；其中位于传感器中部的液缸2之上设有活塞3、液缸2右端基板上装有计数装置，位于外壳1左侧的进水口4与位于联动装置6左侧的集成液控换向单元5连通，位于液缸2下边两端处与联动装置6接合的阀Ⅰ7、阀Ⅱ8分别与位于外壳底部右侧的出水口11连通，位于液缸2上边两端处与联动装置6接合的阀Ⅲ9、阀Ⅳ10分别与集成液控换向单元5连通。
所述计数装置包括圆柱形压头12、等强度悬臂梁13、光纤Bragg光栅14、光纤引出孔15、光纤16、计数装置外壳17、固定螺丝18、弹簧19、限位槽20、限位基座21、固定基座22；其中圆柱形压头12卡在位于计数装置上边中部的限位槽20内，等强度悬臂梁13通过螺丝安装在焊接于计数装置外壳17右端底部的固定基座22上，光纤Bragg光栅14粘贴在等强度悬臂梁13上表面中心轴线上，位于光纤Bragg光栅14一侧的光纤16通过位于外壳1上边右侧的光纤引出孔15引出，弹簧19固定在限位槽20的内壁，等强度悬臂梁13自由端的底部与计数装置外壳17接合处焊接限位基座21，计数装置与液缸2右端基板通过计数装置上边两端的固定螺丝18连接。
所述光纤16用硅橡胶套管套装保护。
使用时，将计数装置安装在液缸2的右端基板上。
当液缸2内的活塞3在左死点时，由进水口4流入的高压液体使集成液控换向单元5通过联动装置6控制液控换向阀阀Ⅱ8、阀Ⅲ9通，阀Ⅰ7、阀Ⅳ10不通；水经过集成液控换向单元5通过管道由阀Ⅲ9流入液缸2注：由于阀Ⅳ10不通，此时水不能从阀Ⅳ10流入液缸2，推动活塞3向右运动，同时活塞3右端液缸2内的水由阀Ⅱ8经出水口11排出。
当液缸2内的活塞3行至右死点时，集成液控换向单元5通过联动装置6控制阀Ⅰ7、阀Ⅳ10通，阀Ⅱ8、阀Ⅲ9不通；水经过集成液控换向单元5通过管道由阀Ⅳ10流入液缸2注：由于阀Ⅲ9不通，此时水不能从阀Ⅲ9流入液缸2，推动活塞3向左运动，活塞3左端液缸2内的水由阀Ⅰ7经出水口11排出。
其中，当活塞3向右行至右死点时，活塞3撞击圆柱形压头12，并使与之接触的等强度悬臂梁13产生挠度变化，进而导致光纤Bragg光栅14中心波长发生移位，波长变化信号由光纤16传出，当波长变化量大于波长变化量的阈值100pm时计数一次，进行累加以实现计数功能，最后根据液缸2的容积计算出流量值。本发明技术的数学模型分析如下：
光纤Bragg光栅的反射峰值波长满足：
                                                                      
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE002
                                 （1）
式中，
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE004
是光栅周期；
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE006
是有效折射率。
在光纤Bragg光栅的传感应用中，光纤光栅的Bragg方程式（1）确定了其Bragg波长与光栅周期
Figure 633953DEST_PATH_IMAGE004
和方向耦合模有效折射率
Figure 364143DEST_PATH_IMAGE006
的关系。
在所有引起光栅Bragg波长移位的外界因素中，最直接的是应力、应变参量。其中，应力引起的光栅Bragg波长的移位可表示为：
                  
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE010
                           （2）
式中，
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE012
是光纤本身在应力作用下的弹性形变；
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE014
是光纤的弹光效应。
当活塞撞击到圆柱形压头，并使与之接触的等强度悬臂梁产生挠度变化，光纤Bragg光栅受到均匀的轴向应力。求得在均匀轴向应力作用下的应变值，并将式（2）展开，得
                            （3）
式中，
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE018
是光纤的纵向伸缩量；是由纵向拉伸引起的光纤直径变化；
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE022
与光纤纵向拉伸的弹光效应有关；
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE024
与拉伸引起的光纤直径变化的波导效应有关。
通过光纤Bragg光栅计数装置，每次波长变化量大于100pm时，计数一次，从而获得活塞往复的次数n（t时间内的次数），根据液缸的容积V就可计算出流量
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE026
：
                        
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE028
                               （4）
式中，
Figure 767049DEST_PATH_IMAGE026
为体积流量，单位为
Figure 2013101519340100002DEST_PATH_IMAGE030
。
本发明的有益效果是：
1、实现了对微流量的在线监测：本发明采用粘贴有光纤Bragg光栅的等强度悬臂梁及圆柱形压头制作成计数装置，通过活塞的运动撞击圆柱形压头，并使与其接触的等强度悬臂梁的挠度变化转换为光纤Bragg光栅中心波长的移位变化量进行计数，以计算出流量值，实现了对微流量的远距离实时在线监测。
2、抗干扰能力强：采用光纤Bragg光栅手段进行测量，具有不受外界电磁的干扰的优点。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明计数装置的结构图；
图中各标号：1为外壳、2为液缸、3为活塞、4为进水口、5为集成液控换向单元、6为联动装置、7为阀Ⅰ、8为阀Ⅱ、9为阀Ⅲ、10为阀Ⅳ、11为出水口、12为圆柱形压头、13为等强度悬臂梁、14为光纤Bragg光栅、15为光纤引出孔、16为光纤、17为计数装置外壳、18为固定螺丝、19为弹簧、20为限位槽、21为限位基座、22为固定基座。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
实施例1：如图1-2所示，一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，包括外壳1、液缸2、活塞3、进水口4、集成液控换向单元5、联动装置6、阀Ⅰ7、阀Ⅱ8、阀Ⅲ9、阀Ⅳ10、出水口11、计数装置；其中位于传感器中部的液缸2之上设有活塞3、液缸2右端基板上装有计数装置，位于外壳1左侧的进水口4与位于联动装置6左侧的集成液控换向单元5连通，位于液缸2下边两端处与联动装置6接合的阀Ⅰ7、阀Ⅱ8分别与位于外壳底部右侧的出水口11连通，位于液缸2上边两端处与联动装置6接合的阀Ⅲ9、阀Ⅳ10分别与集成液控换向单元5连通。计数装置包括圆柱形压头12、等强度悬臂梁13、光纤Bragg光栅14、光纤引出孔15、光纤16、计数装置外壳17、固定螺丝18、弹簧19、限位槽20、限位基座21、固定基座22；其中圆柱形压头12卡在位于计数装置上边中部的限位槽20内，等强度悬臂梁13通过螺丝安装在焊接于计数装置外壳17右端底部的固定基座22上，光纤Bragg光栅14粘贴在等强度悬臂梁13上表面中心轴线上，位于光纤Bragg光栅14一侧的光纤16通过位于外壳1上边右侧的光纤引出孔15引出，弹簧19固定在限位槽20的内壁，等强度悬臂梁13自由端的底部与计数装置外壳17接合处焊接限位基座21，计数装置与液缸2右端基板通过计数装置上边两端的固定螺丝18连接。此外，光纤16用硅橡胶套管套装保护。
实施例2：如图1-2所示，一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，包括外壳1、液缸2、活塞3、进水口4、集成液控换向单元5、联动装置6、阀Ⅰ7、阀Ⅱ8、阀Ⅲ9、阀Ⅳ10、出水口11、计数装置；其中位于传感器中部的液缸2之上设有活塞3、液缸2右端基板上装有计数装置，位于外壳1左侧的进水口4与位于联动装置6左侧的集成液控换向单元5连通，位于液缸2下边两端处与联动装置6接合的阀Ⅰ7、阀Ⅱ8分别与位于外壳底部右侧的出水口11连通，位于液缸2上边两端处与联动装置6接合的阀Ⅲ9、阀Ⅳ10分别与集成液控换向单元5连通。计数装置包括圆柱形压头12、等强度悬臂梁13、光纤Bragg光栅14、光纤引出孔15、光纤16、计数装置外壳17、固定螺丝18、弹簧19、限位槽20、限位基座21、固定基座22；其中圆柱形压头12卡在位于计数装置上边中部的限位槽20内，等强度悬臂梁13通过螺丝安装在焊接于计数装置外壳17右端底部的固定基座22上，光纤Bragg光栅14粘贴在等强度悬臂梁13上表面中心轴线上，位于光纤Bragg光栅14一侧的光纤16通过位于外壳1上边右侧的光纤引出孔15引出，弹簧19固定在限位槽20的内壁，等强度悬臂梁13自由端的底部与计数装置外壳17接合处焊接限位基座21，计数装置与液缸2右端基板通过计数装置上边两端的固定螺丝18连接。
实施例3：如图1-2所示，一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，包括外壳1、液缸2、活塞3、进水口4、集成液控换向单元5、联动装置6、阀Ⅰ7、阀Ⅱ8、阀Ⅲ9、阀Ⅳ10、出水口11、计数装置；其中位于传感器中部的液缸2之上设有活塞3、液缸2右端基板上装有计数装置，位于外壳1左侧的进水口4与位于联动装置6左侧的集成液控换向单元5连通，位于液缸2下边两端处与联动装置6接合的阀Ⅰ7、阀Ⅱ8分别与位于外壳底部右侧的出水口11连通，位于液缸2上边两端处与联动装置6接合的阀Ⅲ9、阀Ⅳ10分别与集成液控换向单元5连通。计数装置包括圆柱形压头12、等强度悬臂梁13、光纤Bragg光栅14、光纤引出孔15、光纤16、计数装置外壳17、固定螺丝18、弹簧19、限位槽20、限位基座21、固定基座22。

Claims (3)

1.一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，其特征在于：包括外壳（1）、液缸（2）、活塞（3）、进水口（4）、集成液控换向单元（5）、联动装置（6）、阀Ⅰ（7）、阀Ⅱ（8）、阀Ⅲ（9）、阀Ⅳ（10）、出水口（11）、计数装置；其中位于传感器中部的液缸（2）之上设有活塞（3）、液缸（2）右端基板上装有计数装置，位于外壳（1）左侧的进水口（4）与位于联动装置（6）左侧的集成液控换向单元（5）连通，位于液缸（2）下边两端处与联动装置（6）接合的阀Ⅰ（7）、阀Ⅱ（8）分别与位于外壳底部右侧的出水口（11）连通，位于液缸（2）上边两端处与联动装置（6）接合的阀Ⅲ（9）、阀Ⅳ（10）分别与集成液控换向单元（5）连通。
2.根据权利要求1所述的基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，其特征在于：所述计数装置包括圆柱形压头（12）、等强度悬臂梁（13）、光纤Bragg光栅（14）、光纤引出孔（15）、光纤（16）、计数装置外壳（17）、固定螺丝（18）、弹簧（19）、限位槽（20）、限位基座（21）、固定基座（22）；其中圆柱形压头（12）卡在位于计数装置上边中部的限位槽（20）内，等强度悬臂梁（13）通过螺丝安装在焊接于计数装置外壳（17）右端底部的固定基座（22）上，光纤Bragg光栅（14）粘贴在等强度悬臂梁（13）上表面中心轴线上，位于光纤Bragg光栅（14）一侧的光纤（16）通过位于外壳（1）上边右侧的光纤引出孔（15）引出，弹簧（19）固定在限位槽（20）的内壁，等强度悬臂梁（13）自由端的底部与计数装置外壳（17）接合处焊接限位基座（21），计数装置与液缸（2）右端基板通过计数装置上边两端的固定螺丝（18）连接。
3.根据权利要求2所述的基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，其特征在于：所述光纤（16）用硅橡胶套管套装保护。
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