CN112362115A - 一种基于光纤光栅的小型流量传感器及测量系统 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种基于光纤光栅的小型流量传感器，包括：具有相互垂直的第一通道和第二通道的四通接头；周向相对固定的设置在第一通道内两端的堵头，堵头具有用于容纳受力杆组件的安装孔；芯轴及套设在芯轴之外的套管形成的受力杆组件，受力杆组件沿着第一通道轴线方向延伸且设置于安装孔内，芯轴上设有对称的芯槽；对称的设置在芯槽内且位于第一通道与第二通道交汇处的光栅；以及用于轴向限位堵头于第一通道内的端盖；与被测管道连通的第二通道流入的流体流动时会导致交汇处的光栅发生变形，通过测量变形能够获得流过第二通道的流量。本申请所提供的流量传感器结构紧凑、尺寸小，同时可以克服温度变化对测量结果的影响，测量精度高、测量范围广。
Description
技术领域
本申请属于传感器技术领域，特别涉及一种基于光纤光栅的小型流量传感器。
背景技术
流量测量在工业生产过程中——特别是流体控制过程中是非常重要的，因此流量传感器是流体检测中不可或缺的装置。流量测量是通过监测流体流动引起某些参数的变化而得到的，例如航空发动机中气流流动所导致的涡轮频率的变化、涡旋脱落引起振动频率的变化、气流流动引起的压力变化或者引起的温度差变化等。目前流量测量的装置或仪表种类繁多，但大都存在测量范围小、测量误差大、精度低等。
为了克服上述问题，现有技术中存在一些测量精度能够有所提高的光纤流量计，例如光纤涡轮流量传感器、光纤涡街流量传感器、光纤多普勒超声流量传感器、靶式光纤光栅流量传感器等。
光纤涡轮流量传感器的原理是当被测流体流过光纤涡轮流量传感器时，流体通过导流器对涡轮叶片产生冲击，涡轮转动，将周期性的反射光脉冲变为周期性的电脉冲信号，测量出涡轮的旋转角速度而得到流量。此类流量传感器的特点是需要定期进行校准，不能长期保持稳定特性，且对被测流体的本质属性，如密度、粘度、清洁度等要求比较高。
光纤涡街流量传感器的测量结果是受旋涡脱离旋涡发生体的振荡频率影响，但低光弹性系数的硅玻璃纤维限制了这种传感器的敏感性，因此，长传感光纤如果要保证它的敏感程度，就会使得这个传感器极其不稳定。此外，脆弱的光纤必须被放置在通过管道横断面的地区，这使得光纤很难部署。
光纤多普勒超声流量传感器主要是利用多普勒效应原理进行流量测量的，当发射的超声波入射到流体中，流体中的运动粒子会产生散射波，接收换能器对散射波的多普勒频移进行检测。这种类型的流量传感器不能用于高密度的颗粒流体，难于进行比较准确的调校，且这类传感器通常是体积大，有一个复杂的信号处理系统。
靶式光纤光栅流量传感器是基于光纤光栅的传感原理和传统流量测量的原理相结合，主要测量元件为放置在流体管道中心的圆形靶，当流体流动冲击靶面，靶面受到流体力的作用会产生应变，通过检测靶面应变产生的光栅反射波长的变化量而得出流量。此类传感器由于靶片放置在管道中间，会形成较大的压力损失，且靶片体积较大，使得传感器的体积比较大。
然而上述种类的传感器在不同程度上均存在具有一定的缺点，为了克服上述缺点，需要一种适应范围广、流量测量范围大，同时可以对温度进行补偿，且尺寸和重量都较小的流量传感器。
发明内容
本申请的目的是提供了一种基于光纤光栅的小型流量传感器及测量系统，以解决或减轻背景技术中的至少一个问题。
在一方面，本申请的技术方案是：一种基于光纤光栅的小型流量传感器，所述小型流量传感器包括：
具有相互垂直的第一通道和第二通道的四通接头；
周向相对固定的设置在所述第一通道内两端的堵头，所述堵头具有用于容纳受力杆组件的安装孔；
芯轴及套设在芯轴之外的套管形成的受力杆组件，所述受力杆组件沿着所述第一通道轴线方向延伸且设置于所述安装孔内，其中，所述芯轴上设有对称的芯槽；
对称的设置在所述芯槽内且位于所述第一通道与第二通道交汇处的光栅；以及
用于轴向限位所述堵头于第一通道内的端盖；
与被测管道连通的第二通道流入的流体流动时会导致交汇处的光栅发生变形，通过测量所述变形能够获得流过所述第二通道的流量。
在本申请一实施方式中，所述四通接头的第一通道壁上设有沿轴线延伸的定位孔，所述堵头上设有与所述定位孔相匹配的定位孔，通过设置于定位孔内的定位销实现所述堵头与四通接头的周向固定。
在本申请一实施方式中，在所述堵头与四通接头之间设有密封圈，用于实现第一通道的密封。
在本申请一实施方式中，所述堵头远离第一通道的一端为凸出的锥形面，所述端盖具有与所述锥形面相匹配的凹形锥形面，通过端盖与堵头的配合锥形面实现堵头内的受力杆组件挤压密封。
在本申请一实施方式中，所述堵头采用相对于四通接头较软的材料制作而成。
在本申请一实施方式中，所述芯轴的芯槽连线平行于第二通道的轴线。
在本申请一实施方式中，所述受力杆组件具有垂直于芯槽连线的横向定位孔，通过设置在所述横向定位孔内的定位销实现所述芯轴的周向固定，防止转动。
在本申请一实施方式中，所述受力杆组件采用弹性材料制作而成。
在本申请一实施方式中，在所述端盖的外侧设有盖板，所述盖板上设有用于光纤穿出的通孔。
在另一方面，本申请的技术方案是、一种基于如上任一所述的小型流量传感器的测量系统，其特征在于，包括：
用于解析光栅的解调仪，所述解调仪通过光纤连接于所述光栅；以及
用于处理数据的计算机，所述计算机通过数据线连接于所述解调仪，通过对所述解调仪解析的数据进行处理，能够实时的获得流量传感器所测量的流量值。。
本申请所提供的流量传感器具有结构紧凑、尺寸小等优点，同时可以克服温度变化对测量结果的影响，克服了传统电类传感器容易受电磁干扰、长期工作稳定性差等缺点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本申请的一些实施例。
图1为本申请所提供的基于光纤光栅的小型流量传感器示意图。
图2为基于图1中的A-A剖面示意图。
图3为基于图1中的B-B剖面示意图。
图4为本申请的流量传感器局部放大图。
图5为本申请中的受力杆组件结构示意图。
图6为基于图5的C-C剖面示意图。
图7为本申请所提供的测量系统示意图。
附图标记：
1-堵头；
2-端盖；
3-盖板；
4-四通接头；
5-套管；
6-芯轴，61-芯槽；
7-密封圈；
8-螺钉；
9-定位销钉；
10-定位销；
11-被测管路；
12-流量传感器；
13-光纤；
14-解调仪；
15-数据线；
16-计算机。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
如图1至图6所示，本申请提供的基于光纤光栅的小型流量传感器主要包括四通接头4、堵头1、端盖2、芯轴6、套管5及光栅等。
四通接头4为流量传感器的主体结构，其具有相互垂直的第一通道 (横向)和第二通道(竖向)，第二通道的上下两端用来与待测管路通过卡套进行连接，第一管道的左右两端用堵头1及端盖2等进行密封。
堵头1设置在第一通道的两端，且两者在周向上能够相对固定，堵头 1内设有安装孔，安装孔可以原来安装受力杆组件。
芯轴6及套管5构成受力杆组件，受力杆组件在第一通道内沿着轴线方向延伸设置到堵头1的安装孔内，在受力杆组件中的芯轴5上设有以芯轴圆心对称设置的芯槽61，芯槽61内用来防止光栅和光纤，套管5套在芯轴6外实现光栅的固定。
设置在芯槽61内的光栅大致的设置在受力杆组件的中部，该中部同时对应于第二通道的轴线位置处。
在四通接头4的第一通道的两端还连接有端盖2，端盖2通过螺纹与四通接头4固定连接，从而实现堵头1固定在第一通道内。
当与被测管道连通的第二通道内流入流体介质后，流体介质会冲击受力杆组件，从而使受力杆组件产生弯曲，受力杆组件的芯槽61内的光纤光栅随之变形，光纤光栅的应变发生变化，从而使光纤光栅的波长产生漂移。通过对波长漂移量进行解析即可获得与被测通道连通的第二通道内的流量，即获得了被测通道的流量。
在本申请中，由于芯轴6的芯槽61为对称设置的两处，两个光纤光栅对称的粘贴在芯轴的芯内槽处，可以对温度进行补偿。
在本申请中，四通接头4的第一通道壁上设有沿轴线延伸的轴向定位孔，堵头2上设有与轴向定位孔相匹配的定位孔，通过设置于定位孔内的定位销10可以实现堵头1与四通接头4的周向固定。
在本申请中，在堵头1上设有密封槽，密封槽内设置有密封圈7，通过在四通接头4与堵头1之间密封圈7可以实现第一通道的密封。在一些实施例中，所述密封圈7为O型。
进一步的，堵头1远离第一通道的一端为凸形锥形面，端盖2与之匹配的一侧为凹形锥形面，堵头1与端盖2之间采用的锥形面可以进行密封，同时可以挤压受力杆组件进行再次密封。从而实现小型流量传感器在装配完成后能够实现无任何液压油泄露。
在上述实施例中，堵头1采用相对软于四通接头4的材质制成，例如不锈钢、铜、镍等。需要说明的是，虽然上述材料均为金属材质，但当上述采用具有对比时，例如四通接头4采用更为硬质的材料时，上述的不锈钢、铜、镍等材料即相对较软。
在本申请中，光栅是主要的测量装置，其位置的设置对于测量来说至关重要，为了使对称的粘贴在芯轴的芯槽51内的光栅正面接收流体的冲击，受力杆组件安装后与流体流过的第二通道垂直，且芯轴内芯槽61 的连线与第二通道的轴向平行，同时确保光栅位于受力杆组件的中间部位，这样可使第二通道内的流体正面冲击到光栅。
在本申请中，受力杆组件具有垂直于芯槽61连线的横向定位孔，通过在横向定位孔内设置定位销钉9以实现芯轴6的周向固定，防止其转动，影响第二通道的流体冲击受力杆组件内的光栅。
在上述实施例中，受力杆组件采用弹性材料制作而成，所述弹性材料包括但不限于弹性金属材料和弹性非金属材料，例如弹性材料可以为不锈钢、铜、铝或塑料等。
在本申请中，在端盖2的外侧还设有盖板3，盖板3的中间设有用于光纤穿出的通孔。盖板3和端盖2通过螺钉8实现固定连接。
另外，在本申请中还提供了一种采用上述流量传感器结构的测量系统，如图7所示，本申请提供的测量系统包括：基于光纤光栅的小型流量传感器12、解调仪14及计算机16，其中，解调仪14通过光纤13连接流量传感器内的光栅，解调仪14通过数据线16连接计算机16，而流量传感器12与被测管路11之间则采用通过卡套进行连接。
流体流过四通接头1对受力杆组件造成冲击力，会带动粘贴在芯槽 61内的光纤布拉格光栅产生形变，从而根据光纤布拉格光栅中心反射波长的变化量，实现对被测管路内的流体流量大小进行测量。通过光纤解调仪14的应变大小与作用在受力杆组件处的流速大小之间的关系，可以得出被测管路中流速的大小，通过公式换算可以得出待测管路的流量大小。通过改变四通接头的内径、受力杆组件的长度和直径等可以实现不同范围的流量测量以及不同的灵敏度。
本申请的流量传感器及测量系统使用过程具体操作过程如下：
(1)将光纤布拉格光栅沿着芯轴6的芯槽61粘贴，保证光栅粘贴在芯轴6的中间部位，然后将芯轴6插入套管5之中，确保两者端部芯槽61位置对应；
(2)将密封圈7安装在堵头1上，然后将堵头1与四通接头4连接，将定位销10安装在定位孔中，确保堵头1与四通接头4之间没有转动；
(3)将受力杆组件插入堵头1的安装孔中，并将定位销钉9插入定位销孔中进行定位，防止受力杆组件转动；
(4)端盖2与四通接头4采用螺纹连接，拧紧后确保锥面密封可靠；
(5)用螺钉9连接并安装盖板3，将光纤13从盖板3中间的通孔中穿出；
(6)将流量传感器用卡套与待测管路11进行连接；
(7)将流量传感器中测量应变信号的FBG(FiberBraggGrating，光纤布拉格光栅)接到解调仪14上，将解调仪14连接到计算机16上，通过计算机16解调出FBG波长漂移量，即可获得被测管路内的流量。
本申请所提供的基于光纤光栅的小型流量传感器结构简单、便于拆装及维护，充分利用了光纤布拉格光栅的优点，结构紧凑尺寸小，同时可以克服温度变化对测量结果的影响，相比于传统电类传感器容易受电磁干扰、稳定性差等问题具有显著的改进效果。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于光纤光栅的小型流量传感器，其特征在于，所述小型流量传感器包括：
具有相互垂直的第一通道和第二通道的四通接头；
周向相对固定的设置在所述第一通道内两端的堵头，所述堵头具有用于容纳受力杆组件的安装孔；
芯轴及套设在芯轴之外的套管形成的受力杆组件，所述受力杆组件沿着所述第一通道轴线方向延伸且设置于所述安装孔内，其中，所述芯轴上设有对称的芯槽；
对称的设置在所述芯槽内且位于所述第一通道与第二通道交汇处的光栅；以及
用于轴向限位所述堵头于第一通道内的端盖；
与被测管道连通的第二通道流入的流体流动时会导致交汇处的光栅发生变形，通过测量所述变形能够获得流过所述第二通道的流量。
2.如权利要求1所述的基于光纤光栅的小型流量传感器，其特征在于，所述四通接头的第一通道壁上设有沿轴线延伸的定位孔，所述堵头上设有与所述定位孔相匹配的定位孔，通过设置于定位孔内的定位销实现所述堵头与四通接头的周向固定。
3.如权利要求1所述的基于光纤光栅的小型流量传感器，其特征在于，在所述堵头与四通接头之间设有密封圈，用于实现第一通道的密封。
4.如权利要求1任一所述的基于光纤光栅的小型流量传感器，其特征在于，所述堵头远离第一通道的一端为凸出的锥形面，所述端盖具有与所述锥形面相匹配的凹形锥形面，通过端盖与堵头的配合锥形面实现堵头内的受力杆组件挤压密封。
5.如权利要求1至4任一所述的基于光纤光栅的小型流量传感器，其特征在于，所述堵头采用相对于四通接头较软的材料制作而成。
6.如权利要求1所述的基于光纤光栅的小型流量传感器，其特征在于，所述芯轴的芯槽连线平行于第二通道的轴线。
7.如权利要求5所述的基于光纤光栅的小型流量传感器，其特征在于，所述受力杆组件具有垂直于芯槽连线的横向定位孔，通过设置在所述横向定位孔内的定位销实现所述芯轴的周向固定，防止转动。
8.如权利要求1或7任一所述的基于光纤光栅的小型流量传感器，其特征在于，所述受力杆组件采用弹性材料制作而成。
9.如权利要求1所述的基于光纤光栅的小型流量传感器，其特征在于，在所述端盖的外侧设有盖板，所述盖板上设有用于光纤穿出的通孔。
10.一种基于如权利要求1至9任一所述的小型流量传感器的测量系统，其特征在于，包括：
基于光纤光栅的小型流量传感器；
用于解析光栅的解调仪，所述解调仪通过光纤连接于流量传感器的光栅；以及
用于处理数据的计算机，所述计算机通过数据线连接于所述解调仪，通过对所述解调仪解析的数据进行处理，能够实时的获得流量传感器所测量的流量值。
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