光纤Bragg光栅流量传感器的研究及进展

光纤Bragg光栅流量传感器的研究及进展*禹大宽，贾振安，乔学光，刘钦朋（西安石油大学理学院，光电油气测井与检测教育部重点实验室,西安,710065）摘要：光纤Bragg光栅流量传感器是基于光信号的新型流量传感器。当光纤光栅受到流体的作用，其波长、相位都会发生变化，通过检测光信号的变化就可得到外界流量的变化。文章主要介绍了几种光纤光栅流量传感器的工作机理，分析了各种流量传感器的优缺点，对光纤光栅流量传感器的发展进行展望。关键词：光纤Bragg光栅；流量测量；传感器中图分类号：TN253文献标志码：AResearchanddevelopmentoffiberBragggratingflowmeterYudakuan,JiaZhen’an,QiaoXueguang,LiuQinpeng(KeyLaboratoryofPhotoelectricGas-oilLoggingandDetectingMinistryofEducation,Xi’anShiyouUniversitySchoolofScience,710065)Abstract:FiberBragggrating(FBG)isanewtypeofflowmeterbasedonopticalsignals.Thewavelength,phaseandotherparametersoftheFBGarechangedduetotheeffectsoftheflow.ThechangeofflowmetercanbemeasuredbymeasuringwavelengthrelativechangeoftheFBG.TheoperatingprinciplesofseveraltypesFBGflowmetersaredescribed,themeritsanddemeritsofthoseareanalysied，thedevelopmentandprospectofFBGflowmetersaresummarized.Keywords：fiberBragggrating;flowmeasurement;sensor1引言流量测量是生产过程、能源计量、环境保护监测等一个重要参量。使用最早、应用最广泛的流量传感器是机械转子式，其技术相对成熟，但由于受机械结构限制，测量误差大。随之发展的电磁流量计及超声波流量计和声学多普勒流量计，测量精度较高，使用简便，但易受电磁干扰，使用成本较高。光纤流量计具有抗电磁干扰、尺寸小、重量轻等优点，但光纤流量计[1]是利用流量对光信号的的强度、相位调制而设计的，而光强和相位受环境影响较大，实际应用中很难准确检测。而FBG流量传感器利用流量变化引起反射光波长变化，外界环境对波长的影响很小，故FBG流量传感器是近几年研究的热点。本文以光纤光栅为传感基元，对国内外研究的光纤光栅流量传感器进行总结分析。2.FBG的流量传感原理由耦合模理论可知，FBG）的中心波长B为：effBn2(1)式中，effn是FBG的有效折射率，是FBG的周期（栅距）。当FBG受到外力作用或当环境温度变化时，引起FBG有效折射率和FBG周期的改变，从而引起FBG反射波波长的改变。FBG反射波波长与外界应变和温度的关系为:TPeBB1/(2)其中,B为反射中心波长改变量，为光纤光栅的轴向应变变化量,T为温度变化量,eP为有效弹光系数,,分别为光纤光栅的热光系数和热膨胀系数。eP,,都是常量。*基金项目：国家863项目(2006AA06Z210),国家自然科学基金项目（60654001）,西安石油大学科技创新基金项目（Z07072）作者简介：禹大宽（1980－），男，河南驻马店人，西安石油大学教师，硕士，主要从事光纤传感及光纤通信技术研究。E-mali:[e-mail]反射波波长的改变与外界温度或应变的变化呈线性关系。FBG流量测量的原理就是将液体或气体流动形成的力直接或间接的作用到FBG上，引起FBG发生形变，从而使FBG的反射波波长发生改变，通过检测FBG反射波波长改变的大小即可计算外界流速的大小，进而测得流量的大小。由于FBG同时对温度和应变敏感，因此，在测试流量时，要通过温度补偿措施消除温度对FBG波长带来的影响，从而准确的测量流量。3．FBG流量传感器3.1基于汾丘里管结构的FBG流量传感器[2]波长检测装置12ⅠⅡ光纤光源FBG流量传感器探头3dB耦合器图1基于汾丘里管光纤光栅流量传感测量装置原理图Fig.1SchematicdiagramofFBGVenturistubeflowmeter基于汾丘里管的FBG流量传感测试系统如图1所示，管道中大圆管的内径为d1，小圆管的内径为d2，流体分别流过截面1和截面2，且截面1和截面2上的流速、压强、高度分别为（v1,P1,Z1）和（v2,P2,Z2），汾丘里管平放时，Z1＝Z2,由流体连续性方程和伯努利方程，得到截面1和截面2的压强差222121221121212vddvddPPP（3）其中，为液体的密度，v=v1为液体流速。从（3）式可看出截面1和截面2的压强差和流速成二次关系，流速测量可转换为压强测量，又流量和流速满足421vtdQ（4）通过设计光纤光栅传感器结构测量两个截面的压差，得到光纤光栅传感器的波长与压差的关系，从而得到每个时刻液体流速的大小，进而求得流量。此种结构的流量传感系统结构简单，灵敏度较高，且可实现光纤光栅流量传感器多点准分布式测量。但由于要测量两个截面的压强差，必须合理的设计管道尺寸，才能使光纤光纤光栅传感器探头的波长发生改变。3.2基于涡街结构的FBG流量传感器基于涡街结构的FBG流量传感检测系统[3]如图2所示，被测流体经过涡街发生体后，当流速超过一定阈值时，涡街发生体的下游会产生两列旋转方向相反的并排漩涡，漩涡的产生频率与流速成正比。fSdvi（5）FBG流量传感探头置于漩涡发生体后，并与管道形成一个悬臂梁结构来测量涡街发生频率。漩涡在行进过程中，会在漩涡发生体的下游产生一个垂直于管道轴线的升力，由于漩涡在漩涡发生体两侧交替产生，且旋转方向相反，因此作用于漩涡发生体上的升力也是交替变化，从而使悬臂梁产生振动，悬臂梁就产生垂直于轴线方向的受迫振动。交替作用在漩涡发生体声的升力变化频率等于旋涡频率，而升力变化频率等于旋涡频率，可以通过检测悬臂梁的振动频率来探测旋涡频率，进而由公式（5）得到流体的流速，从而测得流量大小。图2基于涡街的光纤光栅流量传感测量装置装置原理图Fig.2SchematicofFBGvortexflowmeter基于涡街结构的FBG流量传感器只要能够准确的检测悬臂梁的振动频率，就能准确的测量流量，因此该流量传感器结构简单，而且该传感器也能实现光纤光栅的多点准分布式测量。但由于该传感器的频率受漩涡发生体的限制，它的信号检测较为困难，必须要求信号有较高的信噪比，且随着流速增大，流量传感器的振动频率与悬臂梁的振动频率会相同，此时不会输出信号；另外，当流速较小时，振动信号太弱会被噪声淹没而不能准确的检测振动信号。为了比较准确的检测振动信号，日本的ShoichiTakashima等人利用双光栅和互相关技术[4]，设计了涡街结构的双FBG传感器的流量传感器。在涡街发生体的后面，距离涡街发生体的不同距离处放置了两个FBG流量传感器，当流体流过涡街发生体时，会在涡街发生体后面的管道产生漩涡，漩涡会引起两个FBG传感器产生振动，利用漩涡经过两个FBG传感器的时间不同，两个采用M-Z干涉法检测两个FBG流量传感器的每一个漩涡经过的时间，而两个FBG流量传感器的距离可以准确测量，就可以得到流速。此种方案能比较准确的测量流量，且该流量传感器在流速0－1.0m/s范围内有很好的线性，可测量的最小流速为0.05m/s。然而由于对时延信号的检测需要一个M-Z干涉仪及6个光电探测器等，信号检测比较复杂。3.3基于靶式结构的FBG流量传感器[5]基于靶式结构的光纤光栅流量传感器测试原理图如图3所示。当满管的水流流过管道时，流体作用在圆形靶式上，使靶产生形变，靶的作用力作用到与之相连的悬臂梁上，悬臂梁是等强度量，沿梁的上下表面中轴线对称位置粘贴光纤光栅，梁的形变导致粘贴在其上的光纤光栅发生形变，引起光纤光栅反射波中心波长的移动，设光纤光栅发生的形变与悬臂梁上的形变相同。设管中水的平均流速为u（r），则])(1[2)(2RrVru（6）其中R为管道半径，r为管道半径内的任意长度。假设流体是理想的不可压缩的稳定的流动，流体密度为，则流体在靶上产生的压力增加，作用在靶上的总的力为)1248(9622)(6422442202ddRdRRVdrrruFd（7）其中，d是圆形靶的直径，由等强度悬臂梁轴向应变与自由端应力的关系得到3dB耦合器流体流向宽带光源高双折射光纤PIN光电转换计算机涡街发生体悬臂梁FBG206hbELF＝（8）其中L、h是悬臂梁的长度和厚度，E是悬臂梁材料的杨氏模量，b0是悬臂梁固定端的长度。设悬臂梁和光纤光栅的形变相同，再根据公式（2）就可以算出FBG的波长漂移量与流速的关系，只要准确的测出光纤光栅的波长改变量，就可以准确的测出流速，进而得到流量。流体FBG管道靶式圆盘传力杆悬臂梁宽带光源波长检测装置计算机系统图3基于靶式结构的FBG流量传感测量装置原理图Fig.3StructureofFBGtargettypeflowmeter此种结构的FBG流量传感器可以对0－1000cm3/s的流速进行测量，而且克服了FBG温度、应变的交叉敏感问题，可以实现温度和流量的同时区分测量，而且由于检测的是FBG的波长漂移，避免光强度变化带来的影响，通过改变悬臂梁的材料或尺寸以及靶的半径，可以改变传感器的灵敏度和测量范围，同时可以充分利用FBG的波分复用、易于构建传感网络等优点，该测量方法可以和比较成熟的光纤光栅温度、压力、应变等构成多点、多参量的网络系统，实现光纤光栅传感系统的网络化。4结束语将FBG传感原理与传统的流量测量机理相结合，使流量传感器采用检测FBG波长、频率等，同时通过信号处理的方法，进而检测液体的流量十分可行。而且FBG流量传感器具有本征安全、耐腐蚀、体积小等优点，因此适用于各种管道的流量检测。同时由于FBG利用的是对波长编码，易于构成准分布式测量。但基于各种结构的光纤光栅流量传感器都有各自的优势和不足，需要再进一步的研究，以进一步发挥自身的优势。如何利用光纤光栅的自身优势，实现光纤光栅温度、压力、流量等多参量的同时检测，如何利用光纤光栅传感复用技术，将多个光纤光栅流量传感器组成传感网络，实现远程监测、控制等，将是今后的研究中重点研究的方向。随着光纤光栅传感技术的成熟以及对光纤光栅流量传感技术研究的不断深入，光纤光栅流量传感器必将在石油开采、长输管线、石油储运、水利等各个领域发挥巨大的优势，为现代化建设更好的服务。参考文献：[1]张倩，乔学光，傅海威.光纤流量传感器的进展[J].光通信研究，2007，141（3）：58-61.[2]陈建军，张伟刚，涂勤昌等.基于光纤光栅的高灵敏度流速传感器[J].光学学报，2006，26（8）：1136-1139.[3]李红民，高宏伟，刘波，等.一种新型的光纤光栅涡街流量传感器[J].传感技术学报，2006，19（4）：1195-1197.[4]ShoichiTakashima,HiroshiAsanuma,HiroakiNiitsuma.AwaterflowmeterusingdualfiberBragggratingsensorsandcross-correlationtechnique[J].SensorsandActualatorsA:physical,2004,116(1):66-74.[5]ZhaoYong,ChenKun,Y