流量传感器的结构设计

    流量的测量在石油化工、医药、能源计量、环境监测等工业生产过程中是非常重要的。流量传感器是流体检测和控制过程中不可或缺的装置。人类对流体的测量具有悠久的历史。流量测量仪表种类繁多,传统的机械式流量传感器测量误差大、精度低。

 

    光纤布拉格光栅(FBG)传感器除具有普通光纤传感器重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰及使用安全等优点外,还具有结构简单、灵敏度高、频带宽、波分和时分复用及波长编码等优点,具有广泛的应用前景。光纤布拉格光栅实质上是紫外光利用光纤的光敏性在纤芯中形成的反射率分布。

 

    光纤光栅中光波的传输规律等理论以及光纤光栅的光学、机械和热衰退等性质是其在通信、传感领域应用的基础,研究这些理论和性质对于我们根据不同的应用要求更好的发挥光纤光栅器件的效能等有着重要的指导意义。本课题首先以Bragg光栅原理为基础利用光纤光栅模拟器(FOGS-BG)对光纤光栅的反射特性进行理论分析,系统考查温度、应变以及光纤光栅有效折射率、光栅长度、折射率调制等相关参数对反射特性的影响规律。

 

    然后,设计一种靶式结构的光纤布拉格光栅技术的新型流速传感器,采用一种耐高温胶将光纤光栅封装在三角形金属片上,液体冲击使等腰三角形悬臂梁发生变形,从而导致安装在悬臂梁上的光纤光栅的中心波长发生漂移。搭建实验装置,通过光谱仪观测波长的变化,确定流体流速与光纤光栅中心波长偏移量之间的函数关系,建立二者的内在联系,即可通过观测光纤光栅波长的变化量得到被测液体的流速。

 

    为了减小误差,文中研究了温度交叉敏感效应的消除方法。通过室内实验,测量不同流量作用下以及不同应力作用下光纤布拉格光栅流量传感器中心波长的偏移行为。实验结果表明,光纤布拉格光栅中心波长的偏移量随着水流量的增大而增大,波长偏移量与流量之间呈非线性关系;光纤布拉格光栅在外力作用下发生形变,其中心波长的偏移量随着外应力的增大而增加,呈线性关系。