基于FBG的明渠流量计的研究与应用

　　0　引言

　　目前井下排水流量测定方法一般为人工通过流量表测量获得。由于井下田间复杂多变,检测误差相对很大,不能累计流量读数,不能实现地面总控室的实时监测与报警处理。为此,设计研制了基于光纤Bragg光栅应变传感器的明渠流量计。

　　1　光纤光栅原理

　　光纤Bragg光栅传感器基于光栅周期和有效折射率受外界条件影响而使反射波长漂移的原理进行传感测量。温度导致反射波长变化是由于光纤的线性膨胀效应和热光效应,应力影响反射波长变化是由于光栅的弹光效应和光栅周期变化。

　　当一束宽光谱光经过光纤Bragg光栅时,被光栅反射回一单色光λB,相当于一个窄带的反射镜。反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期和纤芯有效折射率neff有关。当光纤光栅受应变和周围的温度发生变化时,将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率neff变化,从而产生光栅Bragg信号的波长漂移λB,通过监测Bragg波长λB的变化情况,即可获得测点上光纤光栅的应变和周围温度的变化状况。光纤光栅波长漂移λB应变和温度变化的关系为

式中:第一项表示光纤的应变效应;第二项表示温度对光纤的影响。

　　通过检测光纤光栅Bragg波长,可测得应变或环境温度。在所有引起光栅Bragg波长位移的外界因素中,最直接的就是应力、应变参量。因为无论是对光栅进行拉伸还是挤压,都将导致光栅周期的变化,并且光纤本身所具有的弹光效应使得有效折射率也随着外界应力状态的变化而变化。因此,波长的移位可以由式(2)统一描述

　　在每只应变传感器上都串联了一只温度补偿光纤FBG光栅传感器,温度对应变传感器的影响就可以相应地剔除,只有应力应变对传感器的作用改变中心波长的变化。光纤光栅监测系统主要包括传感部分、传输光纤和光纤光栅解调仪3部分。由于光纤光栅可以制作成不同的中心波长,因此多个光栅可以方便地串接在同一条光路上形成分布式测量系统。

　　2　菱形结构的有限元分析

　　菱形结构如图1所示,封装时采用环氧类胶将光栅两端分别粘接于A、B两点处。实际应用时,将被测物比昂面的形变量转换成为菱形结构对角线AB距离的变化量,进而变换为光栅波长的变化。为了清楚地了解这种菱形结构传感性能,用PROE软件的有限元分析方法对次结构进行了力学和热学分析。模拟了菱形传感器焊接到拉伸试验台上的结构。

　　首先,分析菱形结构的力学特性:拉伸实验台一段加轴向荷载,另一端为约束端,分析结果为拉伸受拉时,AB距离反而变小,光栅波长也随之减小。模拟了温度从90℃变化到-40℃时,菱形结构随着温度的降低,AB距离增大,因而光栅波长也增大。有限元模拟结果表明:菱形传感结构具有特殊的力学性能和热学性能,即受拉时光栅波长变小,受压时光栅波长变大;度升高时波长变小,温度降低时,波长变大。