基于光纤光栅的一体式靶式流量传感技术

张正义

(高新技术研究所教研室，山东青州 262500)

1 引 言

工业生产中常涉及流量检测，机械转子流量传感器[1]的使用较频繁，可是其精度不高;声学原理流量计[2]、电磁原理流量计[3]和多普勒流速仪[4]，精度很高，可是价格昂贵，还可能被电磁场影响。最近20年以来，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating，FBG)流量传感技术迅速发展[5-6]，其原理是通过Bragg中心波长对于其他量的敏感，利用特定构造达到测量多个物理量的目的[7-8]。和以往电学传感器比较，其具有灵敏度高、质量轻、体型小、抗干扰、能够达到精准检测以及安全可靠的优点[9-10]。

近年来，禹大宽[11]、王正方[12]、Wang[13]等把FBG和以往靶式流量传感结合起来，设计了圆靶片以及悬臂梁，但其结构仍较为复杂，未能使光纤光栅传感的优势充分发挥出来。据此，本文设计了一种集阻流靶片和敏感元件于一体的等强度悬臂梁结构，测试了该传感器的可靠性、可行性和灵敏度。

2 基本原理

2.1 FBG传感基本原理

依据耦合模原理，只有符合下列公式的光波才被反射:

其中，λB表示中心波长，Λ表示周期，neff表示有效折射率。则λB由于应变以及温度变化而造成的偏移为[14]:

其中，α、ζ分别是热膨胀系数及热光系数，Pe是有效弹光系数，ε是轴向应变，KT、Kε为灵敏度系数。

2.2 FBG靶式流量器传感原理

设计结构如图1所示，在轴线放置圆靶片，直接连接等强度悬臂梁，将流量冲力变成悬臂梁的变化。

令密度为ρ，靶片面积为A1，阻力系数为ζ，靶前流体速度为v0，压力为p0，经靶片以及环隙的速度为v，压力为p。通过伯努利方程可知[15]:

图1 靶式流量传感原理图Fig.1 Target type flow sensing principle diagram

A1(p0-p)表示靶片静压力，用F1表示表示动压力，用 F2表示;合力F=F1+F2。那么速度和冲击作用力的方程为:

流体流动形成的力使两个FBG发生相同形变，考虑温度，则[16]:

波长变化总量与轴向应变的关系为:

公式(7)表示双FBG差动构造避免了温度应变交叉敏感现象。根据材料力学原理[6]:

其中，ε是梁表面应变，b、h是梁底宽度以及厚度，E是杨氏模量，L为固定端长度，F为梁自由端受力。结合公式(7)、(8)，可得Δλ与F的关系为:

设液体不能压缩，令A2为内径D以及靶径d的环隙面积，通过公式(4)、(8)、(9)能够计算出经A2的流量为:

测得波长变化，就能检测流体参量。

3 结构设计

3.1 一体式靶式流量传感器的结构设计

如图2所示，传感器主要由阀体、凸台、端盖、一体式靶片四部分组成，阀体与凸台、端盖与凸台之间利用O型密封圈进行面密封，一对中心波长相等的FBG形成差动构造，贴在梁对称两边的轴线处。流体冲击使悬臂和FBG应变，达到流量测量目的。

图2 一体式靶式流量计Fig.2 One-piece target flow sensor

3.2 一体式靶片的结构设计

靶式流量传感器灵敏度的高低、性能的好坏，关键取决于一体式靶片的结构设计是否得当，其设计原则如下:

(1)管径比的选用要适中，要兼顾灵敏度和压力损失;

(2)等强度悬臂梁的尺寸要考虑到传感器的测量范围，并在量程范围内满足精度要求。

在管道直径一定时，随着靶片直径的增加，压差逐渐增大，即流体通过一体式靶式传感器的压力损失增大。这里结合实际应用，选用阀体管径D=16 mm，选用靶片直径为10 mm。流量传感器量程的设计范围为0～2 L/s，则得出流体流经管道与靶片之间空隙的流速范围为0～16.3 m/s，则可以计算出流体对一体式靶片冲击力的范围，一体式靶片在设计过程中要在满足强度要求的前提下，尽可能提高测量精度。设计的一体式靶片如图3所示，图3(a)为加工图纸，图3(b)为实物照片。材质为304#不锈钢，厚度为1 mm，等强度悬臂梁长l=40 mm，底部宽度b=5 mm，圆形靶片直径d=10 mm，靶心与悬臂梁顶点重合。靶片上方长方形区域长18 mm、宽5 mm，在安装过程中，其卡在凸台的细槽中，以实现一体式靶片的紧固，并保证靶片平面与流向垂直。

图3 一体式靶式流量计。(a)加工图纸;(b)实物照片。Fig.3 One-piece target.(a)Processing drawings.(b)Physical photos.

4 FLUENT仿真分析

选用FLUENT软件进行流体分析，通过仿真实验，观察流体状态，并与传统靶式流量传感器的流体状态进行对比研究，以确定一体式靶片结构的设计是否可行。

在GAMBIT软件中建立三维几何模型，流量传感器阀体部分设计为一个三通模型，管径皆为16 mm，水平管道长150 mm，垂直管道长40 mm，油液在水平管道中沿X轴正方向流动。方案一为一体式靶式结构，方案二是传统靶式结构，除去靶片结构不同外，两个方案中的其他条件皆一致。网格划分采用Tet/Hybrid(以四面体网格形式为主，在适当位置上包括六面体、锥形和楔形网格)和Tgrid(将体划分为四面体网格单元，在适当的位置可以包含锥体、六面体和楔形单元)类型，网格大小设置为0.5。靶片周围采用网格加密处理，管壁划分边界网格。网格划分之后的模型图如图4所示，图4(a)、(b)分别为一体式靶式结构和传统靶式结构的模型。

图4 一体式靶式流量传感器结构模型图。(a)一体式靶式结构;(b)传统靶式结构。Fig.4 One-piece target type flow sensor structure model diagram.(a)One-piece target type.(b)Traditional target type.

模型建立之后，从GAMBIT中将划分好的网格文件导出，打开FLUENT软件，选用三维单精度解算体，导入网格文件，并检查网格划分情况。根据实际情况对求解器的参数进行设定，求解器选用分离式求解器和隐式求解器，黏性模型选用kepsilion模型，流体设置为油，边界条件设置入口流速为10 m/s，其他条件默认 FLUENT的初始设定。

在解算初始化(Solution initialization)中Compute from选择inlet。设置收敛精度k和epsilon都为0.001，然后开始求解，待求解完毕，设置3个截面XOZ(主视图)、XOY(俯视图)、YOZ(左视图)。

图5显示了两种方案的动压力云图的俯视图(平面XOY)。得到两种方案流速等值线的主视图(平面XOZ)，如图6所示。得到流线图的俯视图(平面XOY)，如图7所示。

通过以上仿真结果可以看出，一体式靶式流量传感器对流体状态的影响比传统靶式小，流体通过靶片后，能够在较短的距离内恢复平稳状态。由此可以看出，一体式靶式流量传感器的结构设计是合理可行的。

图5 动压力云图。(a)方案一:一体式靶式结构;(b)方案二:传统靶式结构。Fig.5 Dynamic stress nephogram.(a)Option 1:integrated target structure.(b)Option 2:traditional target structure.

图6 流速等值线。(a)方案一:一体式靶式结构;(b)方案二:传统靶式结构。Fig.6 Velocity isoline.(a)Option 1:integrated target structure.(b)Option 2:traditional target structure.

图7 流线图。(a)方案一:一体式靶式结构;(b)方案二:传统靶式结构。Fig.7 Motoin pattern.(a)Option 1:integrated target structure.(b)Option 2:traditional target structure.

5 FBG流量传感实验

为了再一次检测光纤光栅一体式靶式流量传感器的使用性能，设计了液压回路，如图8所示，涡轮流量计只能单向通过，安装使用时油液流向要正确。

图8 流量测试系统油路图Fig.8 Flow test system circuit diagram

图9 靶式流量传感器实物图Fig.9 Good one-piece flow sensor target type

图9为一体式靶式流量传感器，λB=1 550 nm，利用熔接机实现连接，光纤在夹板以及压力膜片中伸出，通过熔接机连接FC插头。图10为实验照片，光纤光栅解调设备可解调出中心波长。

图10 流量传感器测试系统实验照片Fig.10 Flow sensor test system experimental photos

实验中记录不同流量时中心波长的数值，如表1所示。

通过最小二乘法分析，得到图11。

根据公式(10)可知Δλ与Q2成正比，对图11中曲线进行拟合，得到拟合曲线方程如下:

拟合曲线显示，Δλ与Q2成正比，双FBG中心波长偏移总量为单个FBG偏移量的两倍，与此同时，差动特殊结构将灵敏度提高到两倍。根据二次项系数0.423、解调分辨率1 pm，得出传感器分辨率是0.049 L/s。

表1 流量传感实验Tab.1 Flow sensing experiment

图11 流量传感器实验数据拟合Fig.11 Flow sensor experimental data fitting

6 结 论

本文根据光纤光栅靶式流量计传感理论，构建阻流靶片敏感元件一体化结构，简化传导装置，将等强度悬臂梁当作承力机构，沿中心轴放置两个中心波长一致的FBG，用以感知应变量。通过FLUENT软件进行模拟，分析出一体式靶片结构对流体状态影响比传统结构更小;流量实验验证了该传感器设计方案的可行性、稳定性，很大程度上增强了传感灵敏度，并且传感器可进行反复测量。该FBG靶式流量传感器构造精巧、容易封装，特别是可以实现强电磁、易燃爆、远程以及分布检测，因而应用前景较好。