CN1758061A - 光纤光栅流速传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感装置，能对各种流体的流速、流量等参量进行高精度实时监控与测量，可以广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测及科学研究等诸多领域。传感机构主要由密闭伸缩管、光纤光栅、开口环、光纤等构成。特点是：设计的流速－压强管有两处流速不同，利用它把流速转换为压强，进行感测与监控。当流体通过流速－压强管时，密闭伸缩管内外存在压强差，从而将沿轴向方向伸长或缩短，进而带动开口环压缩或拉伸，最终导致光纤光栅中心波长的漂移。在恒定工作环境温度下，根据中心波长的漂移量，利用相应的公式，获得高灵敏度的流速、流量等参量的感测与监控。该装置以光纤光栅为传感基元，结构简便、方法新颖、测量精度高。

Description

光纤光栅流速传感装置

技术领域

本发明涉及一种传感装置，能对各种流体的流速、流量等参量进行高精度实时监控与测量，可以广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测及科学研究等诸多领域，属于一种新颖的无损检测技术。

背景技术

光纤光栅是近期出现的一种新兴光子器件，它是在光纤纤芯中形成的一种空间周期性折射率分布。这种周期结构可以改变和控制光波在光纤中的传播行为。光纤光栅传感器是通过把光纤光栅埋入衬底材料和结构内部或粘贴在其表面，使其对待测参量敏感，并通过光纤光栅波长及带宽的变化来感测待测参量的大小及方向。将光纤光栅传感器阵列化并与波分复用和时分复用系统相结合，可对材料的特性(如温度、应变、压力、位移、速度、加速度等)实现多点监测。光纤光栅传感技术已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测及科学研究等诸多领域，属于一种新颖的无损检测技术。

本发明是一种能对流速、流量等进行高精度感测的光纤光栅传感装置。检索结果表明，目前尚没有采用光纤光栅来实现流速、流量感测的专利报道。

发明内容

本发明的目的是公开一种光纤光栅传感装置的结构，它能对流体的流速、流量等参量进行高精度感测。本发明以光纤光栅为传感基元，具有精度高、抗电磁干扰、能远程及多点分布式测量监控等优点。

本发明的感测原理

首先，利用流速-压强管，通过它能把其管内的流速转化为压强；然后，设计相应的光纤光栅压强传感机构感测压强；根据测量的压强大小反推得到管内的流速值。其主要特征在于：利用流速-压强管把流速转换为压强，然后由光纤光栅压强传感机构感测与监控。

本发明的技术方案：光纤光栅流速传感装置，它包括流速-压强管，其特点征在于：导管7分别通过流速-压强管1上方的气孔a和密闭圆筒3的气孔c把两者连接起来，导管8分别通过流速-压强管上方的气孔b和密闭圆筒中央的气孔d把两者连接起来，并且和密闭圆筒中央的密闭伸缩管2相通，倒置的开口环5在密闭圆筒内部右侧，分别通过连杆9和10与密闭伸缩管和密闭圆筒连接固定，光纤光栅4写在光纤6上，并且粘贴于开口环的侧面，光纤6的一端悬空，另一端穿过密闭圆筒。

根据伯努利方程，管内压强与流速相关，流速越大，压强越小。流速-压强管管内存在两处不同流速V₁、V₂，这两处的压强P₁、P₂也不一样，存在一个压强差ΔP，即能用压强差ΔP来表征流速。由流体连续性方程和伯努利方程可得，流速V₁与流速V₂之间的压强差ΔP可表示为：

$\mathrm{\ΔP}=P_1-P_2=\mathrm{\κ\ρ}{V}_1^2+C=\mathrm{\κ\ρ}{V}^2+C\·\·\·\left(1\right)$

式中κ与流速-压强管结构相关的系数，ρ为流体的密度，C为常数，V＝V₁为流体的流速。从(1)式可以看流速V₁与流速V₂之间的压强差ΔP与流速V的平方成正比。即流速V测量能转换为压强差ΔP测量，而压强差ΔP则能通过光纤光栅压强传感机构测量。

光纤光栅压强传感机构主要由密闭伸缩管、密闭圆筒、光纤光栅、开口环、光纤组成。密闭伸缩管弹性系数很小，只能沿轴向方向伸缩，密闭伸缩管的一端粘贴于密闭圆筒的一端。开口环平放于密闭圆筒里，开口环的半圆拱分别通过连接杆与密闭伸缩管和密闭圆筒连接固定。光纤光栅粘贴于开口环侧面，并且光栅轴向与开口环侧面平行。光纤一端悬空，另一端穿过密闭圆筒。当密闭伸缩管内外存在压强差时，伸缩管将沿着轴向方向伸长或缩短，从而使开口环管半圆拱处受到压力或拉力，进而使光纤光栅拉伸或压缩，通过光栅中心波长的变化，能测得密闭伸缩管内外的压强差。一根导管分别通过流速-压强管上方的气孔a和密闭圆筒的气孔c把流速-压强管和密闭圆筒连接起来，另一根分别通过流速-压强管上方的气孔b和密闭圆筒中央的气孔d把两者连接起来，并且和密闭圆筒中央的密闭伸缩管2相通，此时密闭伸缩管轴向上内外的压强差等于流速V₁与流速V₂之间的压强差ΔP，而ΔP与流速相对应，因此能通过光栅中心波长的变化测得流速的大小。

在恒定温度下，开口环在拉力F作用下，光纤光栅中心波长将向短波漂移

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{12{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\λ}}_0(1-p_e)d}{E{a}^{3}b}\·(\frac{a}{2}-\frac{a^2}{12d})F\·\·\·\left(2\right)$

其中a为开口环直梁宽度，b为直梁厚度，开口环半圆拱半径为r，力矩作用距离d＝r+a/2为外力F与直梁中线间的距离，p_e为光纤的有效弹光系数，约为0.22，E为开口环材料的杨氏模量，λ₀为光纤光栅的中心波长，μ₁为开口环应变传递因子，它与衬底材料及粘贴情况等因素相关。而F＝ΔPS，ΔP为密闭伸缩管内外的压强差，S为伸缩管的横截面积。此时

$\mathrm{\Δ\λ}=\frac{12{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\λ}}_0(1-p_e)d}{E{a}^{3}b}(\frac{a}{2}-\frac{a^2}{12d})\mathrm{\ΔPS}=\frac{12{\mathrm{\κ\μ}}_1{\mathrm{\μ}}_2{\mathrm{\λ}}_0(1-p_e)\mathrm{\ρdS}}{E{a}^{3}b}(\frac{a}{2}-\frac{a^2}{12d})V^2+\mathrm{\Ω}\·\·\·\left(3\right)$

其中 $\mathrm{\Ω}=\frac{12{\mathrm{\μ}}_1{\mathrm{\λ}}_0(1-p_e)\mathrm{dCS}}{E{a}^{3}b}(\frac{a}{2}-\frac{a^2}{12d}),$ μ₂为该传感装置的修正系数。

从(3)式易知，光纤光栅中心波长漂移量Δλ与流速平方成线性关系，因此我们能利用光栅波长编码技术来测量流体的流速。另外，从上式可知，光纤光栅波长漂移量Δλ与力矩作用距离d、直梁宽度a、厚度b以及流速-压强管的结构有关。改进流速-压强管及开口环的参数能进一步提高传感灵敏度。

而流量W是流速V与流速-压强管横截面面积s的乘积，即W＝sV。

本发明的有益效果是，以光纤光栅为传感基元，结构简便、方法新颖、测量精度高。基于光纤光栅本身的优点，这种传感器还具有抗电磁干扰、耐腐蚀、适于易燃易爆高温高压等恶劣环境下工作以及能远程及多点分布式测量等优点。

附图说明

图1是光纤光栅流速传感装置结构示意图。

图2是本发明的测量装置图。

图3是本发明在一定流速范围内的典型光谱图。

图4是本发明中心波长漂移量与对应流速的关系图。

其中：1流速-压强管，2密闭伸缩管，3密闭圆筒，4光纤光栅，5开口环，6光纤，7导管，8导管，9连接杆，10连接杆，11流体入口，12流体出口，13光纤耦合器，14光源，15光探测器，V₁、V₂流速-压强管管内的流体的流速，a.气孔，b.气孔，c.气孔，d.气孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行进一步的具体说明：

图1是光纤光栅流速传感装置结构示意图，图2是测量装置图。

本发明的技术方案：光纤光栅流速传感装置，它包括流速-压强管，其特点征在于：导管7分别通过流速-压强管1上方的气孔a和密闭圆筒3的气孔c把两者连接起来，导管8分别通过流速-压强管上方的气孔b和密闭圆筒中央的气孔d把两者连接起来，并且和密闭圆筒中央的密闭伸缩管2相通，倒置的开口环5在密闭圆筒内部右侧，分别通过连接杆9和10与密闭伸缩管和密闭圆筒连接固定，光纤光栅4写在光纤6上，并且粘贴于开口环的侧面，光纤6的一端悬空，另一端穿过密闭圆筒。将流速-压强管1及密闭圆筒3水平放置。光纤光栅4粘贴于开口环5的侧面，开口环5和导管的连接方式如上所述。光源14发出的光经光纤耦合器13到达光纤光栅4而反射，反射光再次经光纤光栅耦合器13，入射到光探测器15。

所述的V₁、V₂是流速-压强管管内不同的流速，流速-压强管由玻璃、聚合物、金属、合金等材料制作。

所述的密闭伸缩管只能沿轴向伸缩，它由有机聚合物、铝箔材料制作。

所述的光纤光栅为玻璃、塑料的光纤布拉格光栅或长周期光纤光栅。

所述的开口环由中等杨氏模量1000MPa～4000MPa的有机聚合物或金属材料制作。

所述的光纤为单模光纤。

光纤光栅流速传感装置的工作环境温度是-20℃～70℃之间。

实施例

流速-压强管选用玻璃制作。

密闭伸缩管选用铝箔管制作。

密闭圆筒及开口环选用有机玻璃(杨氏模量约为2500Mpa)制作。

光纤光栅是选用石英单模光纤、采用紫外曝光技术和相位掩膜法写制而成的光纤布拉格光栅或采用振幅掩膜法写制而成的长周期光纤光栅。光纤光栅粘贴在开口环直梁侧面。光纤为石英单模光纤；光纤耦合器是2×2或1×2光纤耦合器。

光源选用宽带光源或可调谐光纤激光器；光探测器选用光纤光谱仪。

实际制作的流速-压强管的内径26.5mm，喉部内径11.0mm。伸缩管的有效横截面积S＝9.5×10^-3m²，所用的光纤光栅为光纤布拉格光栅，其长度约为12mm，中心波长约为1562nm，峰值大于7dB。开口环由有机玻璃(杨氏模量约为2500Mpa)制作，其半径为r＝60.0mm，直梁长L＝40.0mm，直梁宽度a＝4.42mm，厚度b＝2.60mm，力矩作用距离d＝62.2mm。

在恒定室温下，对该传感装置进行流速传感测试，其测量装置示意图如图3所示。图4是该传感装置在一定流速范围的典型光谱图。经多次实验表明，该传感装置的流速感测动态范围为0.051～0.147m/s，且至少可分辨0.0003m/s的流速。据我们所知，这是目前所报道的最优值。改进流速-压强管及光纤光栅压强传感机构的参数，能进一步提高流速感测的灵敏度。

如前面所述，通过相应公式，还能进行流体流量的高精度感测。实际应用中，通过光电转换器将光信号转换为电信号，再用计算机进行数据处理，能实时感测监控流速、流量。

Claims (7)

1、一种光纤光栅流速传感装置，它包括流速-压强管，其特征在于：导管(7)分别通过流速-压强管(1)上方的气孔a和密闭圆筒(3)的气孔c把两者连接起来，导管(8)分别通过流速-压强管上方的气孔b和密闭圆筒中央的气孔d把两者连接起来，并且和密闭圆筒中央的密闭伸缩管(2)相通，倒置的开口环(5)在密闭圆筒内部右侧，分别通过连杆(9)和(10)与密闭伸缩管和密闭圆筒连接固定，光纤光栅(4)写在光纤(6)上，并且粘贴于开口环的侧面，光纤(6)的一端悬空，另一端穿过密闭圆筒。

2、根据权利要求1所述的光纤光栅流速传感装置，其特征在于：所述的V1、V2是流速-压强管管内不同的流速，流速-压强管由玻璃、聚合物、金属、合金等材料制作。

3、根据权利要求1所述的光纤光栅流速传感装置，其特征在于：所述的密闭伸缩管只能沿轴向伸缩，它由有机聚合物、铝箔材料制作。

4、根据权利要求1所述的光纤光栅流速传感装置，其特征在于：所述的光纤光栅为玻璃、塑料的光纤布拉格光栅或长周期光纤光栅。

5、根据权利要求1所述的光纤光栅流速传感装置，其特征在于：所述的开口环由中等杨氏模量1000MPa～4000MPa的有机聚合物或金属材料制作。

6、根据权利要求1所述的光纤光栅流速传感装置，其特征在于：所述的光纤为单模光纤。

7、根据权利要求1所述的光纤光栅流速传感装置，其特征在于：所述的传感装置的工作环境温度是-20℃～70℃之间。

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