變寬度懸臂梁的FBG流速傳感器*

黃鳳勤， 江 陽， 田 晶， 白光富， 吳廷偉

(貴州大學(xué) 物理學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

變寬度懸臂梁的FBG流速傳感器*

黃鳳勤， 江 陽， 田 晶， 白光富， 吳廷偉

(貴州大學(xué) 物理學(xué)院,貴州 貴陽 550025)

通過對光纖傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了一種基于變寬度懸臂梁的光纖(Bragg)光柵(FBG)流速傳感器。傳感部分由不銹鋼材質(zhì)的懸臂梁和粘貼在其特定位置上的FBG構(gòu)成，懸臂梁采用等腰梯形和矩形相結(jié)合的外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，傳感頭兩部分之間的銜接不需要用銷子固定, 整個(gè)傳感頭渾然一體，無額外附加重量，制作方法簡易，且實(shí)驗(yàn)設(shè)置參考光柵，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受溫度變化的影響。實(shí)驗(yàn)表明:傳感器的Bragg波長漂移量與流速變化有很好的線性關(guān)系，傳感器的靈敏度為0.025 m/s。可測流速范圍為0～2 m/s，傳感器不僅實(shí)現(xiàn)了對溫度的補(bǔ)償，而且提高了測量精度、靈敏度。

光纖Bragg光柵(FBG)； 懸臂梁； 流速傳感器

0 引 言

在石油化工、航空航天、醫(yī)藥、能源計(jì)量、環(huán)境監(jiān)測等工業(yè)生產(chǎn)過程以及人們的日常生活中，流速和流量都是重要的參量。流速、流量傳感器是流體參量檢測過程中不可缺少的裝置。使用最早的流速傳感器是機(jī)械轉(zhuǎn)子式[1]的，這種傳感器技術(shù)較為成熟，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，其測量結(jié)果誤差大、精度低。后續(xù)出現(xiàn)了采用超聲波技術(shù)的流速測量儀[2]、采用電磁波技術(shù)的流速測量儀[3]以及采用聲學(xué)多普勒效應(yīng)的流速測量儀等，雖然這些裝置測量精度相對較高，但由于其制造成本也比較高，而且很容易受到電磁干擾的影響。光纖Bragg光柵(fiber Bragg grating,FBG)廣泛應(yīng)用于傳感領(lǐng)域[4～6],楊淑連[7]等人利用雙FBG設(shè)計(jì)了流速傳感器，很好地實(shí)現(xiàn)了溫度補(bǔ)償，但是其設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，且傳感頭用銷子固定存在附加重量。蔣善超[8]利用FBG設(shè)計(jì)了流速和溫度共采的渦輪流速傳感器，該傳感器實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)同時(shí)測量，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作條件要求高。

本文以FBG為敏感元件，提出一種基于變寬度懸臂梁的FBG流速傳感器，懸臂梁的設(shè)計(jì)采用梯形和矩形相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，整個(gè)組合懸臂梁是一個(gè)整體，矩形和梯形之間不需要用銷子固定，無附加重量。采用懸臂梁組合結(jié)構(gòu)，將懸臂梁的矩形大面積端置于待測流體中時(shí)，流體流速的沖擊力作用在流體中懸臂梁的這一端，對矩形迎流面的沖擊力將轉(zhuǎn)換成等腰梯形等強(qiáng)度懸臂梁自由端的撓度變形，使得粘貼在懸臂梁中軸線的FBG波長產(chǎn)生漂移，根據(jù)Bragg波長漂移量，可得流速信息，測得流速信號。傳感探頭體積小，防水性能好，制作簡易，基于全光信號設(shè)計(jì)，可對管道、裂隙等不同環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

1 FBG流速傳感器結(jié)構(gòu)與原理

本設(shè)計(jì)流速傳感器由不銹鋼材質(zhì)的懸臂梁和粘貼在懸臂梁上的FBG組成，其結(jié)構(gòu)的剖面如圖1(a)所示。FBG1用高性能丙烯酸酯結(jié)構(gòu)膠粘劑粘貼在距梁自由端軸心3.5 cm處，F(xiàn)BG2一端不粘貼自由放置，其敏感部件是基于不銹鋼材質(zhì)的等強(qiáng)度等腰梯形懸臂梁結(jié)構(gòu)與矩形結(jié)構(gòu)迎流面組成，整個(gè)傳感結(jié)構(gòu)鋼材是一個(gè)整體，不需要任何銜接部分，實(shí)驗(yàn)中,懸臂梁參量為：長L2為3.0 cm，寬L1為1.7 cm，矩形的面積S為5.1 cm2，梯形的上底x為0.4 cm，下底y為0.6 cm，兩腰的長度z為3.5 cm，懸臂梁的厚度b為0.05 cm。不銹鋼材質(zhì)的懸臂梁抗老化性能好，價(jià)格低廉，可長期使用，其性能穩(wěn)定，材質(zhì)較薄，自身重量對懸臂梁的影響小；懸臂梁的等腰設(shè)計(jì)部分又避免了由于光纖光柵啁啾展寬使反射譜帶展寬而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 流速傳感剖面圖和傳感測試方法簡圖(側(cè)視圖)

傳感器測試簡圖如圖1(b)所示，應(yīng)變FBG粘貼在距離A點(diǎn)一定距離x(0≤x≤L)處的梁上表面，若在自由端點(diǎn)O施加一載荷P或通過流體受到?jīng)_擊力F，距離A點(diǎn)x處的位移應(yīng)變、壓力應(yīng)變表達(dá)式分別為

(1)

式中 fc(常數(shù))為在O點(diǎn)產(chǎn)生的撓度，Io為O點(diǎn)的慣性矩(常數(shù))，Ix為考察點(diǎn)的慣性矩。由式(1)，若在O點(diǎn)處施加變化的壓力或者位移，在x處均能得到與之呈線性變化的應(yīng)變。作用在懸臂梁矩形上的沖擊力為F，且力F與流體流速的關(guān)系為

(2)

式中 P為流體壓強(qiáng)，S為傳感器迎流面面積，ρ為流體的密度，qV 1為流體的流速，qV 2為流體在迎流面表面的流速，其中迎流面表面qV 2流速為0。由于水泵和水管的流速不容易控制，流速不穩(wěn)定，因此，實(shí)驗(yàn)中用砝碼的重量mg替代水流作用在懸臂梁矩形迎流面上的沖擊力F的大小，即

(3)

根據(jù)耦合模理論[9，10]，當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，光柵的Bragg波長為

λB=2neffΛ

(4)

式中 neff為纖芯的有效折射率；Λ為光柵周期。由光纖光柵的傳感原理，外界溫度變化ΔT及應(yīng)變?chǔ)乓鸬腇BG波長的漂移量為

ΔλB=Kεε+KTT

(5)

式中 Kε為光柵應(yīng)變靈敏度，KT為光柵溫度靈敏度。

根據(jù)材料力學(xué)理論[11]，當(dāng)把砝碼置于懸臂梁矩形上時(shí)，懸臂梁中性層的縱向應(yīng)變?chǔ)艦?/p>

ε(m)=K0mg

(6)

式中 K為常系數(shù)。由式(5)、式(6)得

ΔλB=Kεmg+KTT

(7)

在溫度已得到補(bǔ)償?shù)那闆r下，式(7)可化為

ΔλB=Kεmg

(8)

將式(3)和式(8)聯(lián)立，得到FBG波長的變化與流體流速qV1的關(guān)系為

(9)

由此可見，F(xiàn)BG反射波長的漂移量與流體流速的二次方成正比。只要測得Bragg反射波長的漂移量，就可以確定流體流速的大小。

2 實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

2.1 實(shí) 驗(yàn)

光源采用ASE寬帶光源波長范圍1 524～1 599 nm，從寬帶光源(ASE)發(fā)出的光經(jīng)3 dB耦合器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置,與光柵中心波長一致的光被反射，從耦合器的另一端輸出，輸出光信號用光譜儀(OSA)進(jìn)行監(jiān)測和測量，為抑制光纖的斷面反射，F(xiàn)BG的另一端浸入匹配液中。此實(shí)驗(yàn)裝置可通過OSA測定不同壓力或流速下光柵的反射波長。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，把壓力傳感裝置水平放置于自制的架子上并固定。將FBG1均勻粘貼在等腰梯形懸臂梁的軸心。FBG2亦粘于等腰梯形懸臂梁軸上同一側(cè)，此柵采用一端粘貼另一端不粘貼的方式，用于測量溫度變化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，向懸臂梁矩形部分加載應(yīng)力,實(shí)驗(yàn)中，F(xiàn)BG1和FBG2中心波長分別為1 549.848 0,1 544.996 0 nm，F(xiàn)BG解調(diào)儀波長解調(diào)范圍為1 520～1 620 nm，精度為0.02 nm，實(shí)驗(yàn)在室溫條件下進(jìn)行，溫度前后變化不足1 ℃，其由溫度引起的波長漂移小于OSA的精度0.02 nm。

圖2為FBG中心波長的漂移與砝碼質(zhì)量的擬合曲線圖，由圖2可知， 與加載砝碼質(zhì)量m的關(guān)系為ΔλB=0.054 12m-0.001 554，擬合度為99.9 %。該擬合曲線與理論分析的式(8)一致，即質(zhì)量與Bragg波長的漂移成正比線性關(guān)系。

圖2 FBG中心波長的漂移與砝碼質(zhì)量的擬合曲線

圖3 FBG中心波長的漂移與流速的擬合曲線

3 結(jié) 論

采用變寬度懸臂梁的傳感裝置，研制出一種溫度不敏感FBG流速傳感器,其動(dòng)態(tài)感測范圍可達(dá)到0～2 m/s,可分辨0.025 m/s流速的變化。理論研究和實(shí)驗(yàn)測量表明:利用此變寬度懸臂梁的傳感裝置可有效提高傳感裝置的探測靈敏度。同時(shí)懸臂梁的等腰設(shè)計(jì)部分又避免了由于FBG啁啾使反射譜展寬而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度。矩形和等腰梯形之間不需要用銷子固定，傳感頭無附加重量，本設(shè)計(jì)可大幅提高傳感器的靈敏度、測量精度。

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[11] 隋允康.材料力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2014.

FBG flow velocity sensor based on cantilever with variable width*

HUANG Feng-qin, JIANG Yang, TIAN Jing, BAI Guang-fu, WU Ting-wei

(Institute of Technology Physics,Guizhou University,Guiyang 550025,China)

A fiber Bragg grating(FBG)flow velocity sensor based on cantilever with variable width is proposed.By design,the flow velocity sensor which induces the cantilever structure which is made of stainless steel materials and FBG which is tied in the special space of the cantilever.The cantilever structure consists of rectangle and trapezoid and the two parts do not need peg to fix them on,the head of the designed sensor do not need to add any other weight,and the fabrication method is easy.These is a reference FBG,and the experimental results are not affected by temperature changes.Experimental results indicate that there exist a good linear relationship between the drifting of the wavelength of the FBG and flow velocity.Sensitivity of the proposed sensor is,and the measuring range of flow velocity sensor is 0～2 m/s approximately.The sensor not only realize compensation of temperature,but also improve measurement precision and sensitivity.

fiber Bragg grating(FBG); cantilever; flow velocity sensor

10.13873/J.1000—9787(2017)04—0078—02

2016—06—21

貴州省光子科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目[(2015)4017]；貴州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(2016014)；貴州省社會(huì)發(fā)展公關(guān)項(xiàng)目[(2013)3125]；貴州省科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合LH字[2016]7426號)

TN 043

A

1000—9787(2017)04—0078—02

黃鳳勤(1990-)，女，碩士研究生，主要從事高速光纖通信系統(tǒng)和光纖傳感技術(shù)方面的研究。

江 陽(1975-)，男，通訊作者，博士，教授，主要從事高速光纖通信系統(tǒng)和微波光子技術(shù)方面的研究工作,E—mail:jiangyang415@163.com。