CN202008491U

CN202008491U - 测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器

Info

Publication number: CN202008491U
Application number: CN2011200379147U
Authority: CN
Inventors: 张伟刚; 钟诚; 李晓兰; 尚佳彬; 颜爱东; 严肃源
Original assignee: Nankai University
Current assignee: Nankai University
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2021-02-14

Abstract

测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，包括流速管部分（流速管和双锥体分速装置）、传感圆筒部分（一个传感圆筒、铝箔管和等强度悬臂梁）和测量部分（光纤耦合器、光源、光探测器）。等强度悬臂梁分别连接传感圆筒和铝箔管，双光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁上下表面并通过光纤与测量部分相连。流速管壁上至少开有三个孔，其中一个孔位于双锥体对应区域以外并与铝箔管的外部连通，另外两个孔通过控制开关与铝箔管的内部连通，利用开关控制不同孔的导通实现对不同流速段流速的测量。当由流速产生的外力作用在等强度悬臂梁自由端时，两个光纤光栅反射谱中心波长随之漂移，而环境温度对两个光栅波长差不产生影响。

Description

测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅流速传感器，能够对流体的流速进行高灵敏度感测，并在一定程度上改变传感及测量范围，属于光纤传感技术领域。

背景技术

流速是工业生产过程、能源计量等实际应用中的重要参量，人们已开发出多种类型的流速传感器。其中，机械转子式流速器技术相对成熟，但测量误差较大，精度低；超声波流速仪、电磁流速仪和声学多普勒流速仪等具有良好的测量精度，但成本高，且易受电磁波干扰；光纤流速传感器一般是基于光纤的应变、干涉以及光栅中心波长的变化等原理设计而成，但现有技术尚无法同时提供测量范围可调且温度不敏感的解决方案。

光纤具有质量轻、柔韧性好、抗电磁干扰、易设计加工等优良特性，它是新型流速传感器设计和研制的优选材料。采用紫外曝光、激光刻蚀、化学腐蚀等技术，能够在光纤的纤芯或包层上产生周期性折射率分布，形成光纤光栅。这种周期性的结构可以改变或控制光波在光纤中的传播行为，并易于设计和研制精度高、适于恶劣环境工作的光纤光栅传感器。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，可使其对流速、温度、应力、应变、压力、位移、曲率、压强、速度、加速度等待测参量敏感，并通过光纤光栅波长及带宽的变化来感测这些待测参量的大小及方向，从而设计并研制各种工程所需的光纤光栅传感器。光纤光栅传感器已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测以及科学研究等诸多领域，属于一种新颖的光学检测技术。

检索结果表明，目前尚没有采用光纤布喇格光栅传感器，能对流体流速进行高灵敏度感测，并且具有测量范围可调特性的报道。

发明内容

本实用新型的目的旨在设计出一种能对流体的流速进行高灵敏度感测、测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器。

本实用新型提供的测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，包括流速管部分、传感圆筒部分和测量部分；流速管部分包括流速管和双锥体分速装置，待测流体由流速管中流过，并经由管内固定设置的双锥体分速装置进行分速；在与双锥体分速装置对应区域的不同截面处的流速管壁上至少开有两个孔，在与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上开有一个孔；所述的传感圆筒部分包括一个密闭传感圆筒，筒内固定设置有一个铝箔管；与双锥体分速装置对应区域的流速管壁上的两个孔分别通过管路经选择控制开关与铝箔管的内部连通，与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上的孔通过管路与铝箔管的外部连通；密闭传感圆筒另一端的端面上固定有一个等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的自由端与铝箔管封闭一侧的底面连接，沿等强度悬臂梁中线靠近固定端的上表面和下表面对应粘贴中心波长不同的两个光纤光栅，光栅轴向与直梁平行；所述的测量部分包括2×2光纤耦合器、光源和光探测器，2×2光纤耦合器一侧的两根光纤分别连接两个光纤光栅；光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根接光探测器（多波长计或光谱仪）。

所述的双锥体和等强度悬臂梁的材料为杨氏模量1000MPa～4000MPa的弹性材料（有机聚合物等）、金属或合金材料。

所述的光纤光栅为玻璃或塑料的光纤布喇格光栅。所述的光纤为单模光纤。

感测原理：

当某流速的流体流经流速管时，在固定设置的双锥体分速装置的两个不同横截面积的位置将产生不同的压强（如图1中的a、b处）；将这两个不同压强分别引入传感圆筒内铝箔管底面的两侧（如图2），则会对铝箔管底面产生一沿圆筒轴向的作用力；该力作用在与铝箔管底面相连的等强度梁上，带动粘贴其上下表面中心波长不同的两个光纤布喇格光栅的栅格周期发生变化，从而使两个光栅的谐振峰中心波长发生漂移。根据理论分析，流速可测范围取决于流速管开孔处对应的横截面积；流速管的一个开孔横截面积固定（如图1中的a处），另一开孔横截面积根据需要可作变动（如图1中的b、c处，由双锥体位置决定）。本流速管装置上设计了两个开孔，分别对应双锥体的大横截面积和小横截面积。理论分析表明：横截面较大处适合感测较小的流速（如选择图1中的b孔），反之则适合感测较大的流速（如选择图1中的c孔）。

将上述两个开孔联合起来，并用一开关控制开孔的选择，则在测量时选择不同的开孔，就可测量不同流速段的流速，从而弥补了单一开孔结构可测范围受限的不足。另外，由于等强度梁是用同一材料制作，故其直梁上各点的热学性质是一致的。当环境温度变化时，由于光栅各点的热膨胀系数相同，因而温度变化引起的光栅栅格周期变化是相同的，因此温度效应仅使两个光栅的中心波长差整体漂移而不会导致其改变。通过光探测器（多波长计或光谱仪）测量该光栅的谐振峰漂移量，并根据需要控制开关选择不同流速管的开孔，就能实现测量范围可调且温度不敏感的高灵敏度流速感测。

测量方法：

光源发出的光经光纤耦合器进入光纤光栅发生反射，反射光再次经光纤光栅耦合器进入到光探测器进行检测，从光探测器中提取传感信号，经相关公式转换实现待测参量（流速）的感测。

等强度悬臂梁选用均质、等厚、杨氏模量（1000MPa ~4000MPa）的弹性材料制作。中心波长不同的两个光纤布喇格光栅（FBG）沿等强度悬臂梁的中线分别粘贴在上表面和下表面靠近固定端处（如图3）。光纤是单模光纤，光纤耦合器是2×2光纤耦合器；光源是宽带光源或可调谐光纤激光器；光探测器是多波长计或光纤光谱仪。传感器的工作环境温度为 -20℃～80℃之间。

对于本光纤光栅流速传感器，其受力分析如下：设流速管开口a处流速为

，压强为

，截面积

，其中

为流速管半径；设开口b处流速为

，压强为

，截面积

，其中r为锥型体底面半径。由流体连续性方程和伯努利方程可得

(1)

将长度为

、中心波长分别为、

（

）的两个光纤布喇格光栅FBG1、FBG2沿等强度悬臂梁的上表面和下表面中线粘贴在固定端附近。在恒温、外力F的作用下，上下表面两个光纤光栅FBG1、FBG2的中心波长漂移量之差为

(2)

式中L、b、h分别为梁长、梁固定端宽度和厚度,

为光纤的有效弹光系数，约为0.22，

为等强度梁的杨氏模量。

由于铝箔管弹性系数很小,等强度梁受到的压力

_，其中

为铝箔管的横截面积，为铝箔管内外压强差。综合(1)式和(2)式，得光纤布拉格光栅中心波长漂移量与流速的关系为

(3)

式中为修正系数，。从(3)式易知，

与流速成二次关系,即可通过测量中心波长差值的漂移量来测量流速的大小。对于实际测量而言，由于铝箔管和有机玻璃圆筒之间存在一定的摩擦力，相当于该传感器存在一微小的敏感阈值，则(3)式可修正为

(4)

其中

，常数

，

为修正系数。由(4)式可推得流速可测范围的上下限分别为

（下限） (5)

（上限） (6)

考虑到测量的下限和上限均为r的减函数，因此开孔处对应的锥形体横截面半径越大，

越小；半径越小，越大。对于单一开孔的传感器，不可兼得大的测量上限和小的测量下限。本实验装置在流速管上与双锥体对应区域开有两个孔，将它们联合起来，用一个开关控制开孔的选择，就可同时测量较大的流速和较小的流速，克服了单一开孔所带来的流速可测范围受限的缺点。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用流速管内两个不同横截面积对应位置处所产生的压强差实现对流速的测量；利用自行设计的双锥形状分速装置的变截面所对应的不同面积差，获得不同的压强差，进而得到不同的测量范围，实现测量范围可调的能对流速进行高灵敏度感测的光纤光栅流体传感器。

本实用新型传感基质为双光纤布喇格光栅，其结构简洁，易于系统集成；且具有温度自动补偿特性，可解决应力/应变与温度的交叉敏感问题。基于光纤光栅本身的优点，这种传感器具有测量精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、适合在恶劣环境下工作等特点。

附图说明

图1是测量范围可调的流速管部分结构图。

图2是传感圆筒部分结构图。

图3是等强度悬臂梁结构图。

图4是本实用新型的光纤光栅流速传感器测量装置图。

图5是本实用新型的典型测量值曲线。

图中，1．流速管；2．双锥体分速装置；3．选择控制开关；4．传感圆筒；5．铝箔管；6．等强度悬臂梁；6-1．固定端；6-2．自由端；7．光纤光栅；8．单模光纤；9．光纤耦合器；10．宽带光源；11．光探测器。

具体实施方式

图4为本实用新型提供的测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，包括流速管部分、传感圆筒部分和测量部分。流速管部分包括流速管1（塑料管或金属管），待测流体由流速管中流过，流速管内固定设置有一个双锥体分速装置2，在与双锥体分速装置对应区域的不同截面处的流速管壁上至少开有两个孔，在与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上开有一个孔，这三个孔相对于流速管轴线为相同高度（见图1）。

传感圆筒部分包括一个密闭传感圆筒4（有机玻璃圆筒或金属圆筒），密闭传感圆筒内固定设置有一个铝箔管5（见图2），流速管管壁上的开口a通过管路和有机玻璃制密闭传感圆筒4的一个小孔相连，并与铝箔管5的外部连通。流速管管壁上的开口b和c与一个选择控制开关3连接，此开关和密闭传感圆筒4的另一小孔连接，并连通密闭传感圆筒内设置的铝箔管的内部。

密闭传感圆筒另一端的端面上固定有一个等强度悬臂梁6，等强度悬臂梁的自由端6-2与铝箔管封闭一侧的底面连接，沿等强度悬臂梁中线靠近固定端6-1的上表面和下表面对应粘贴中心波长不同的两个光纤光栅7（见图3），光栅轴向与直梁平行并分别通过光纤8连接测量部分。

测量部分包括2×2光纤耦合器9、光源10、光探测器11，光纤耦合器9一侧的两根光纤8分别连接两个光纤光栅7；而光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源10，另一根接光探测器11。

测量过程：

光源发出的光经光纤耦合器进入光纤光栅发生反射，反射光再次经光纤光栅耦合器进入到光探测器进行检测，从光探测器中提取传感信号，经相关公式转换实现待测参量的感测。根据实际测量需要，通过调节控制开关3，使开孔b或c导通，即可测量不同流速段的流速。

等强度悬臂梁选用有机玻璃（本例杨氏模量约为2500Mpa）制作。光纤光栅为石英光纤布喇格光栅。

粘贴方式：中心波长不同的两个光纤布喇格光栅沿等强度悬臂梁的中线分别粘贴在上表面和下表面靠近固定端处。

光纤为石英单模光纤。

光源是宽带光源或可调谐光纤激光器；光探测器是光纤光谱仪。

传感器的工作环境温度为 -20℃～80℃之间。

具体测量实例：

在图5中，实施例中的流速管内径为31.0mm，双锥体最大横截面半径为10.0mm；传感用的两个光纤布喇格光栅长度均为10mm，其自由状态下谐振峰的中心波长分别为1532.3nm和1527.4nm。等强度悬臂梁由有机玻璃（杨氏模量约为2500Mpa）制作，形状为厚度一致的等腰三角形，梁长

mm，梁固定端宽度mm，厚度

mm；铝箔管的横截面积为

_。

在 -20℃～80℃之间，对该传感器进行传感测试，测得中心波长漂移量与流速的关系式为

，而理论计算光纤光栅中心波长漂移量与流速的关系为，由此得到该传感器修正系数μ=0.68。并且，在上述温度范围内，该传感器等强度悬臂梁上下表面两个光纤光栅FBG1、FBG2的中心波长漂移量之差只与流速变化有关，几乎不受温度变化的影响。因此，该传感器能够实现温度不敏感、高灵敏度的流速感测。

当开孔b导通开孔c闭合时，理论计算其测量范围为92.5mm/s～273.5mm/s；当开孔b闭合开孔c导通时，理论计算其测量范围为272.1mm/s～802.3mm/s。因此，二者配合应用，可将流速测量范围拓展至92.5mm/s～802.3mm/s。实际测量时，流速可测范围约为100mm/s～780mm/s 。

Claims

1.一种测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，其特征在于：该传感器包括流速管部分、传感圆筒部分和测量部分；流速管部分包括流速管和双锥体分速装置，待测流体由流速管中流过，并经由管内固定设置的双锥体分速装置进行分速；在与双锥体分速装置对应区域的不同截面处的流速管壁上至少开有两个孔，在与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上开有一个孔；所述的传感圆筒部分包括一个密闭传感圆筒，筒内固定设置有一个铝箔管；与双锥体分速装置对应区域的流速管壁上的两个孔分别通过管路经选择控制开关与铝箔管的内部连通，与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上的孔通过管路与铝箔管的外部连通；密闭传感圆筒另一端的端面上固定有一个等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的自由端与铝箔管封闭一侧的底面连接，沿等强度悬臂梁中线靠近固定端的上表面和下表面对应粘贴中心波长不同的两个光纤光栅，光栅轴向与直梁平行；所述的测量部分包括2×2光纤耦合器、光源和光探测器，2×2光纤耦合器一侧的两根光纤分别连接两个光纤光栅；光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根接光探测器。

2.根据权利要求1所述的测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，其特征在于：所述的光纤为单模光纤。

3.根据权利要求1所述的测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，其特征在于：所述的光源是宽带光源或可调谐光纤激光器；所述的光探测器是多波长计或光纤光谱仪。