光纤光栅内锥式流量计的研究

1　光纤光栅传感系统

    光纤光栅是一排高度平行的条纹或槽,一般分布在反射性表面通过一特殊的紫外光波照射裸光纤而破坏光纤纤芯材料中的原子键而形成。光纤光栅常采用相位掩模板法制做,即使紫外线通过相位掩模板后在两个方向上发生衍射,而产生干涉条纹覆盖在光纤上,使得光的强度在纤芯上发生周期性的变化,高强度区域的紫外光改变部分纤芯折射率。折射率沿光纤光栅长度方向周期性变化,使光栅有选择性反射某些波长。光纤光栅的制作如图1所示。

光纤光栅内锥式流量计内应用的是光纤拉格光栅传感系统,光线拉格光栅传感系统如图2所示。

    宽带光源BBS覆盖了光纤光栅的整个波长范围, BBS发出宽带光,经过耦合器分成两路,一路为光纤布拉格光栅FBG(传感);另一路打结以防止入射光在光纤端面进行反射而带来测量误差, FBG感受被测量变化,使FBG中心波长发生偏移,反射回来的FBG光信号又通过同一耦合器耦合进入解调系统,解调系统接受光信号并读出光信号中心波长,转化为电信号经测量电路输出得到被测量大小。

2　光纤布拉格光栅测量原理

    光纤布拉格光栅的反射中心波长可以用以下公式来表达[1]

    λ_B=2n_effΛ                     (1)

式中,λ_B———布拉格波长,即被反射光的波长,nm;

    n_eff———纤芯有效折射率;

    Λ———光纤光栅的周期,nm。

    式(1)表明,光线布拉格光栅的反射波长随着纤芯的有效折射率和光栅周期的变化而变化,因之,当外界条件变化引起这两个参数变化,通过测得反射波长的变化可以测量外界物理量。

    据式(1)Briagg方程,外界随光纤轴向应变产生的光纤光栅中心波长的变化可以表示为:

式中,ε———光纤光栅所感受的轴向应变,με

    据式(2)可得到中心波长随轴向应变的变化率

3　内锥式流量传感器

    差压式流量计是目前使用的最广泛的流量计之一,它具有耐高温高压,不必实流标定等优点,但也有量程比低,例如孔板流量计,安装大前后直管段长度长,压损大等显而易见的缺点,本文所说的内锥式流量传感器也是基于流经管道流体的能量守恒定律原理的差压式流量传感器。它由一放置在管道中央尖圆锥体(简称内锥)和上下游取压口组成。流体流经内锥式流量传感器时,在内锥的上下游产生压力差,上游取压孔位于内锥上方,下游取压孔与内锥下游表面相连。工作原理如图3所示[2]-[4]。