光纤Bragg光栅靶式流量传感器设计.pdf

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1、第３８卷第４期光学仪器Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．４２０１６年８月ＯＰＴＩＣＡＬＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳＡｕｇｕｓｔ，２０１６文章编号：１００５-５６３０（２０１６）０４-０３６８-０４光纤Ｂｒａｇｇ光栅靶式流量传感器设计刘均，李雨泽（东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆１６３３１８）摘要：基于工业流体流量测量技术、光纤布拉格光栅（ｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ，ＦＢＧ）传感检测技术与靶式流量计原理，针对单个光纤Ｂｒａｇｇ光栅传感系统对温度交叉敏感的问题，设计并且制作了一种基于双光纤Ｂｒａｇｇ光栅流量传感器。该传感器采用靶盘结

2、构作为光纤Ｂｒａｇｇ光栅流量传感器的受力元件，对温度起到了补偿作用，并且有效地提高了应变测量灵敏度。实验表明，该流量传感器的线性误差为０．３１％。关键词：光纤Ｂｒａｇｇ光栅；靶式流量计；温度补偿；传感器中图分类号：ＴＰ２１２文献标志码：Ａdoi：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５-５６３０．２０１６．０４．０１６FiberBragggratingsensordesignbasedonthetargetflowLIUJun，LIYuze（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

3、，ＮｏｒｔｈｅａｓｔＰｅｔｒｏｌｅｕｍＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｄａｑｉｎｇ１６３３１８，Ｃｈｉｎａ）Abstract：Ｂａｓｅｄｏｎｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｆｌｕｉｄｆｌｏｗｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）ｓｅｎｓｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｔａｒｇｅｔｔｙｐｅｆｌｏｗｍｅｔｅｒｆｏｒｏｖｅｒｃｏｍｉｎｇａｓｉｎｇｌｅｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｎｓｉｔｉｖｅｉｓｓｕｅｃｒｏｓｓ，ｗｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｒｏ

4、ｄｕｃｅａｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｂａｓｅｄｏｎｄｕａ-ｌｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｅｎｓｏｒｆｌｏｗｃｏｎｔｒｏｌ．Ｔｈｅｓｅｎｓｏｒｕｓｅｓｔｈｅｔａｒｇｅｔｄｉｓｋｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｓｆｏｒｃｅｅｌｅｍｅｎｔｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｔｒａｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｆｌｏｗｓｅｎｓｏｒｌｉｎｅａｒｉｔｙｅｒｒｏｒｉｓ０．３１％．Keyw

5、ords：ｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ；ｔａｒｇｅｔｆｌｏｗｍｅｔｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｓｅｎｓｏｒ引言随着光纤光栅写入技术的不断完善，应用成果日益增多，光纤光栅已成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源器件之一。在光纤传感方面，光纤布拉格光栅（ｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇ，ＦＢＧ）为光纤传感技术开辟了一个新的应用领域，采用适当的封装技术可以实现温度、震动、压力、应变、电压、位移、加速［１］度、电流、磁场、浓度等多种参量的测量。光纤传感器具有质量轻、体积小、无源操作、功耗小、抗

6、电磁干扰强、灵敏度高、带宽宽和环境耐受力强等优点。在多种参量同时测量时具有明显优势，因此可以在易燃易爆环境中进行流量检测。ＦＢＧ的传感器具有非常广阔的应用前景，本文采用了两根ＦＢＧ与悬臂梁结合为一体的设计方式，实现了一种由两个ＦＢＧ传感器组成的流量传感系统。１光纤光栅原理ＦＢＧ在紫外光照射下，光纤的折射率会产生变化，在纤芯上形成周期性的折射率分布，从而可以对入收稿日期：２０１５-１０-２０作者简介：刘均（１９７８—），男，副教授，主要从事光纤光栅测量技术等方面的研究。Ｅ-ｍａｉｌ：１３９３６８９４８２２＠１３９．ｃｏｍ通信作

7、者：李雨泽（１９８９—），男，硕士研究生，主要从事光纤光栅流量测量技术方面的研究。Ｅ-ｍａｉｌ：１３２６６４４５０５＠ｑｑ．ｃｏｍ第４期刘均，等：光纤Ｂｒａｇｇ光栅靶式流量传感器设计·３６９·［２-４］射光中相位匹配的频率产生相干反射，且形成中心反射峰。根据模耦合理论，宽带光在ＦＢＧ中传输［５］时，会引发模式耦合，由ＦＢＧ方程可知其中心波长λＢ为λＢ＝２nΛ（１）式中：λＢ为ＦＢＧ的中心波长，即反射波的波长；Λ为光栅周期；n为纤芯的有效折射率。假设ＦＢＧ仅受轴向应变作用，温度维持不变，则由式（１）得到轴向应变引起的ＦＢＧ波长

8、变化为ΔλＢ＝２ΛΔnｅｆｆ＋２neffΔΛ（２）式中：ΔΛ表示在应力作用下的光纤的弹光变性；nｅｆｆ表示光纤的弹光效应。外界不同的应力状态也将导致ΔΛ和nｅｆｆ的不同变化。光纤产生应变时，ＦＢＧ的栅距和折射率同时发生变化，引起后向反射光光波移位，因此有ΔλＢ＝［１－pe］Δε＋（αf＋ξ