传感器课程设计报告

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1、基于光纤光栅传感器的——液体流速测量方案设计学院：电子与电气工程学院班级：电子091班学号：0903741021姓名：石楚雄指导老师：汪胜祥完成日期：2012年04月24日摘要光纤光栅作为一种新型光纤无源器件，因其具有抗电磁干扰性强，耐腐蚀，重量轻，无连接损耗，可实现多点准分布式测量等优点，国内外的研究者对其进行了深入地研究，使光纤光栅在光传感领域的应用越来越广泛。近几年来，随着对光纤光栅的进一步深入研究，国内外已出现利用光纤光栅实现对液位、位移、变形、流速等物理量的测量。本文提出了一种基于光纤光栅传感器对液体流速的测量方案。一．方案设计与论证方案一：利用涡轮流

2、量计来测液体流速。它先将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号。这种方案比较传统，在测量过程中可能会存在一些问题。所以没有考虑这个方案。方案二：利用应变式传感器，采用全桥差动电路。根据冲量定理F*t=mv，当液体流速较大时，冲击比较大，应变片发生很大形变，使电桥失去平衡，产生压差就可以通过后级调理电路可以反过来计算流速。理论上没有什么问题，但算法比较复杂。方案三：采用新型光纤光栅传感器，不同的流速的液体作用在传感器上引起铝片发生形变，铝片的形变又带动光纤光栅波长变化，最后通过光谱仪可以测出波长的变化。由于光纤光栅作为一种新型光纤无源器件，具有抗

3、电磁干扰性强，耐腐蚀，重量轻，无连接损耗，可实现多点准分布式测量等优点。故选择方案三。二．基本原理2.1光纤光栅传感器的工作原理光纤光栅传感器（FiberBraggGratingSensor）属于光纤传感器的一种，基于光纤的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格（Bragg）波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。（忽略温度的影响）由耦合模理论可知，光纤光栅（FBG）的中心波长为λ=2nΛ(1)式中，n是光纤纤芯的折射率；Λ是光栅周期（栅距）。当光纤光栅受到外力作用时引起光栅波长的变化，应变引起光栅波长漂移为Δλ/λ=（1-P）*ε（2）式中，ε为

4、光纤光栅的轴向应变，P为有效弹光系数。对于纯石英光纤，通常有P=0.22。当FBG粘贴在基底材料上时，基底材料的变形会传递到FBG上，使光纤布拉格（Bragg）波长发生漂移。2.2流速测量原理测量原理框图如图一所示，铝封装的光纤光栅传感器安装在水管中。管道中不同的流速的液体作用在传感器上引起铝片发生形变，铝片的形变又带动光纤光栅波长变化，最后通过光谱仪可以测出波长的变化。水管宽带光源光谱分析仪3dB耦合器图一流速测量原理框图液体流动时，冲击铝封装的光纤光栅传感器，传感器受到的合力作用为F=k*ρ*v²*A/2（3）式中，F为铝片受到的力，A为铝的迎流面积；v为铝

5、片上的液体的平均流速；ρ为液体密度，k为阻力系数。通过测量铝片变化引起的光栅波长漂移可以推出流速的大小。三．总结首先，要感谢汪老师严谨的教学态度，通过《传感器与检测技术》这门课程的学习，汪老师带领我们进入了传感器领域，了解各种传感器的组成和原理。通过此次课程设计的，进一步加深了对传感器这门课程的学习。通过看书和网上查阅资料，最终设计出了一个基于光纤光栅传感器的液体流速的测量方案。四．参考文献【1】徐科军主编.传感器与检测技术.北京：电子工业出版社，2011