一種基于應力敏感的光纖布拉格光柵流量計

利用光纖布拉格光柵( fiber Bragg grating,FBG) 對應力敏感,設計了一種流量傳感裝置。置于流體中的靶片感受到流體的沖擊力,使 FBG 發生軸向應變,從而引起 FBG 反射譜發生變化,可用于一定范圍內對液體流量的實時測量。理論分析和實驗結果顯示 Bragg 波長改變量與流量呈現良好的平方關系,進行二項式擬合,其相關系數為 0. 996。該 FBG 流量計結構簡單,操作方便,在***大流量處的靈敏系數為 5. 31 L·min1 /nm,-1 , 1精度系數為 0. 11 L·min 測量范圍為 4. 5 L·min.

光纖光柵是近年來出現的一種性能優良的光學無源器件,具有柔軟性好、精度高、抗電磁干擾強和易于加工等優良物理性能。它是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布,其作用在于改變或控制光在光纖中的傳播行為和方式。其中光纖布拉格光柵 ( fiber Bragg grating,FBG)對溫度和應力極為敏感,通過檢測 FBG 反射波長的變化反映外界溫度和應力的變化,能夠有效地監測溫度、應力、形變等物理量。其工作原理是在滿足相位匹配的條件下,使共振波長模式之間發生耦合來達到波長的選擇。光纖光柵傳感器就是依此原理發展起來的一種波長調制型光學傳感器,光纖光柵傳感技術已經被廣泛應用于建筑結構、航空航天以及科學研究等諸多領域,特別適合在易燃易爆等復雜環境下的實時監測,具有廣闊的應用前景.

流量是工業生產、環境監測、運輸計量中的一個非常重要的指標。使用***早、應用***廣的流量計是機械式的和電磁式的,但往往會受到環境、體積的限制,有測量誤差較大、易受電磁干擾、使用成本較高、測量范圍小等缺點。FBG 流量計則是利用流量的變化使 FBG 反射光波長發生變化,它不受電磁干擾、環境對波長的影響很小、尺寸小、重量輕,使得光纖光柵流量計成為近幾年的研究熱點 。目前國內外學者對光纖光柵流量傳感器作了大量研究,但大多結構較為復雜,信號提取較為困難。本文提出一種基于應力敏感的光纖布拉格光柵流量計,它是利用 FBG 對應力敏感設計而成,將圓形靶片置于流體中,感受與流體流量成確定關系的水流的沖擊力,引起光纖光柵的 Bragg 波長發生位移,通過測量 FBG 的波長變化來檢測液體的流量信號。該流量計結構簡單,操作方便,光纖光柵探頭體積小、防水性能好,可實現的實時監測。

1.光纖布拉格光柵流量計原理

根據光纖耦合模理論,FBG 的中心波長滿足

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 2.光纖布拉格光柵流量計的制作

2.1光纖光柵探頭的制作

普通單模光纖( Corning SMF  28) 經高壓載氫 天,利用準分子激光器 ( 德國 ATL 公司,ATLEX  300SI) 和自行研制的光纖光柵刻寫系統,采用相位掩模法在載氫光纖上刻寫一個光纖布拉格光柵( FBG) ,選取的相位掩模板周期為 1066. 41 nm,柵區長度為 1 cm,光纖光柵的 Bragg 波長為 1541. 0 nm,其 3 dB 帶寬為 0. 18 nm,反射率為 0. 9,將刻好的 FBG 置于 110℃ 烘箱中作退火處理以確保實驗時有較好的穩定性。

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光纖光柵探頭的結構如圖所示,它是由裸 FBG和圓形靶片組成。其中裸 FBG 的外表面用彈性透明中性硅酮密封膠均勻涂覆,以避免其在流動液體的沖擊下可能發生的斷裂。FBG 的末端連接一塊圓形金屬靶片,采用 502 膠粘接放置天讓其徹底固化。連接時使圓形靶片垂直于光纖光傳導方向。

2. 2 實驗系統

基于應力敏感的光纖布拉格光柵流量計實驗系統如圖所示,由測試用 ASE 寬帶光源、AQ6370C 光譜分析儀、光纖光柵探頭、光環行器、水泵、流量調節器和管道等組成。光環行器的端口 ASE 寬帶光源,端口接光纖光柵探頭,經 FBG 反射的光返回到端口后,光環行器的端口 AQ6370C 光譜分析儀輸入端,顯示 FBG 的反射光譜。ASE 寬帶光源的波段為 1525nm  1605 nm,AQ6370C 光譜分析儀 ( 日本 Yokogawa 公司) 的分辨率為 0. 02 nm。

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將光纖光柵探頭放置于待測液體的管道中,使圓形靶片與流經的液體流速方向垂直,液體管道豎直放置,管道的內徑為 10 mm,由流速等于流量除以橫截面積,可對流量和流速兩個物理量之間進行換算。為得到穩定的流速,將 12 V 直流功率 30 W 的微型潛水泵浸沒于水槽中,液體由潛水泵壓入管道中。由流量調節器控制液體流量的大小,流量的值由量筒和秒表測出: 在保持流量調節器位置不變的情況下,讀出量筒刻度的變化,則量筒中液體體積的變化除以時間即為流量的值。

3.流量測試及結果分析

按圖搭建光路和裝置,保持水槽溫度 26℃ 不變,在 標準大氣壓下的蒸餾水中,將水泵完全浸沒于液體中,打開測試用的 ASE 寬帶光源,由 AQ6370C 光譜分析儀監測在不同流量下的 FBG 反射光譜。發現當管道中的流量逐漸增大時,光纖光柵的 Bragg 波長不斷向長波方向移動,圖給出流量分別為 4. 5 L·min下的 FBG 反射光譜,可見 FBG 反射光譜有明顯的移動,流量越大,Bragg 波長越大。按照 3dB 讀數法,可直接在光譜分析儀上讀出不同流量下 FBG 反射譜的 Bragg 波長,實驗數據見表 1。

 

根據表實驗數據作出該 FBG 流量計的 Bragg 波長隨液體流量的變化曲線如圖所示,經二項式曲線擬合,Bragg 波長與流量之間的關系式為:

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其相關系數 0. 996。造成誤差的原因有流量計的機械尺寸誤差、量筒讀數誤差、流量調節器的穩定性以及靶片置于流體中導致振動等造成的誤差。實驗結果與液體的密度、圓形靶片的尺寸、液體管道內徑以及環境溫度等因素有關,該流量計的測量范圍為 4. 5 L ·min,在***大流量處的靈敏系數為

 5. 31 L·min1 /nm。由光譜分析儀的分辨率為 0. 02 nm,得到精度為 0. 11 L·min。

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4.結語

設計了一種基于應力敏感的光纖布拉格光柵流量計,通過置于流體中的靶片感受到不同流量下的沖擊力,使 FBG 發生軸向應變,從而引起光纖光柵的 Bragg 波長發生變化,可對一定范圍內的液體流量進行實時測量。理論分析和實驗結果顯示 Bragg 波長與流量成平方關系,對曲線進行了二項式擬合,其相關系數為 0. 996。該流量計的測量精度為 0. 11 L ·min。

測量范圍為 4. 5 L·min。對流量調節器、水泵的功率等作出適當改進后可以增大其測量范圍。該流量計結構簡單,操作方便,具有靈敏度高、尺寸小、重量輕、抗電磁干擾等特點。

 

 

 

 

 

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