新型光纖光柵風(fēng)速傳感器的研究

時月佳 蔣立洲

摘 要：基于光纖光柵的傳感器是光纖光柵做敏感元件的功能型光纖傳感器，光纖傳感技術(shù)是將外界參數(shù)轉(zhuǎn)換成光學(xué)信號后進(jìn)行測量的一種方法，這種方法精度高、頻率范圍廣、電氣絕緣、與機(jī)械式和電氣式相比具有很多的優(yōu)點(diǎn)。

因此，本篇論文主要設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了一種新型光纖光柵風(fēng)速傳感器，該傳感器以光纖布拉格光柵為敏感元件，通過懸臂梁結(jié)構(gòu)，將壓力轉(zhuǎn)換為懸臂梁應(yīng)變，通過將光纖光柵粘于懸臂梁上，可將壓力轉(zhuǎn)換為光纖光柵軸向應(yīng)變，通過解調(diào)光柵的中心波長漂移即可得到壓力大小。

關(guān)鍵詞：光纖光柵，風(fēng)速傳感器，懸臂梁，溫度應(yīng)變交叉敏感

1引言

光纖光柵傳感器是一種新型光感傳感器，它通過利用光纖光柵反射或透射波中心波長的漂移量來計算所監(jiān)測的物理量和化學(xué)量，包括溫度、應(yīng)力和與之相關(guān)的濕度、壓力等。光纖光柵傳感器具有精度高、體積小、量程大、抗干擾性強(qiáng)和可植入性等優(yōu)點(diǎn)。

目前對光纖光柵增敏的結(jié)構(gòu)主要分為三類：彈簧管式，平面膜式，懸臂梁式。彈簧管式壓力傳感器是將光纖光柵的光柵區(qū)放于彈簧管，彈簧管受壓力產(chǎn)生形變，進(jìn)而傳遞給光纖光柵，此類傳感器體積大，損耗高。平面膜片式壓力傳感器是將光纖光柵粘于膜片表面，由于材料和結(jié)構(gòu)的限制，目前使用的膜片式光纖光柵傳感器精度不高，量程較小。懸臂梁式壓力傳感器是把光纖光柵固定在懸臂梁一端，懸臂梁起到增敏效果。本文采用的是懸臂梁式，通過對懸臂梁的應(yīng)變測量從而測量出風(fēng)速的大小。

2風(fēng)速傳感器的分類

目前，市面上的風(fēng)速傳感器主要分為，機(jī)械式風(fēng)速儀、超聲波測速儀、多普勒測速儀、熱線熱膜風(fēng)速儀等

機(jī)械式風(fēng)速儀，空氣的流動使機(jī)械式風(fēng)速儀發(fā)生轉(zhuǎn)動，測量出角速度，然后根據(jù)角速度可以推導(dǎo)出空氣流速。它的體積比較大，對空間狀態(tài)中的風(fēng)速影響較大，為了減少對風(fēng)場的影響，所以應(yīng)當(dāng)在空曠的平原等地方進(jìn)行測量，機(jī)械式風(fēng)速儀也可以用來測量風(fēng)向。

超聲波風(fēng)速儀的原理：流體在靜止和流動兩種條件下都可以傳遞超聲波，但是此時由于流體運(yùn)動狀態(tài)的不同會導(dǎo)致超聲波在兩者運(yùn)動時的速度差異。當(dāng)超聲波傳播速度和流體運(yùn)動速度方向一致時，超聲波速度會增大，用兩組超聲波測速儀進(jìn)行測量就可以測量出速度差。

多普勒測速儀原理：當(dāng)觀察者和波源存在著相對運(yùn)動時，波源發(fā)出的頻率和觀察者接收到的頻率存在差異，這種現(xiàn)象就是多普勒效應(yīng)。多普勒測速儀測量風(fēng)速時，在流場中加入示蹤粒子，此時會對流場產(chǎn)生一些影響，此時激光或者超聲波就會產(chǎn)生反射，通過他們對流體速度進(jìn)行測量。

熱線熱膜風(fēng)速儀運(yùn)用到的原理是熱傳遞原理，測量敏感元件的熱傳遞速率來得到流體速度。自發(fā)熱式敏感元件在流體中會自身發(fā)出熱量，通過測量熱量被帶走的情況來得到流體的速度。被動加熱式熱敏感元件自身不能發(fā)出熱量，熱量通過流體的流動時熱敏感元件發(fā)熱，這里可以測量流體溫度的變化和溫度變化梯度來反應(yīng)流體的速度。

與這些風(fēng)速傳感器相比，光纖光柵風(fēng)速傳感器因為光纖光柵本身就是在光纖上曝光形成的，所以具有光纖的諸多優(yōu)點(diǎn)。如體積小、質(zhì)量輕、損耗低、非測量區(qū)域可彎曲程度大等特點(diǎn)。非常適合監(jiān)測大型工程結(jié)構(gòu)健康程度。光纖布拉格光柵采用波長編碼，它將監(jiān)測到的物理信息變化轉(zhuǎn)化成光信號波長的變化，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且易于組網(wǎng)和串接復(fù)用，適用于大多數(shù)較為復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

3光纖光柵風(fēng)速傳感器傳感原理

當(dāng)一束光經(jīng)過FBG時，波長滿足布拉格反射條件的一部分光會發(fā)生反射。未經(jīng)光柵反射的光繼續(xù)沿光纖向前傳播。由 FBG本身物理特性可知，若光柵周圍的溫度、應(yīng)變等物理量發(fā)生變化， 光柵周期及纖芯折射率也會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生布拉格反射峰值波長漂移。通過檢測布喇格反射峰值波長漂移，對返回波長信息進(jìn)行解調(diào)可測得傳感器所在環(huán)境溫度、應(yīng)變的變化量。

3.1 FBG溫度傳感

由光纖光柵耦合模理論可知，光纖光柵的布拉格波長為

（1）

其中：neff為光纖芯區(qū)的有效折射率， 為光柵周期。

設(shè)環(huán)境溫度變化為dT，則對應(yīng)的布拉格波長變化為：

（2）

設(shè) ； 則式（2）可簡化為：

（3）

其中 為布拉格光柵的熱光系數(shù)； 為其熱膨脹系數(shù)；

為光纖光柵的溫度靈敏度系數(shù)。由式（3）可以看出，對于確定材料的光纖光柵，其熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)也為確定的常數(shù)，而且溫度變化和波長變化對應(yīng)呈線性關(guān)系。

3.2 FBG應(yīng)變傳感

在僅考慮應(yīng)變的情況下，光纖光柵的布拉格波長漂移量 和縱向應(yīng)變 的關(guān)系為：

（4）

其中， 為光纖的彈光系數(shù)， 為光柵應(yīng)變靈敏度

3.3溫度與應(yīng)變交叉敏感處理

由于溫度和應(yīng)力對光纖光柵的光柵周期都有重要的影響，因此，在設(shè)計風(fēng)速傳感器的時候，如何處理交叉敏感問題變得尤為重要。本文采用的方法是設(shè)置參考光纖光柵，將相同的光纖光柵放置在同一個溫度下，從而通過二者的差別，計算出應(yīng)力對光纖光柵的影響。這種方法簡單易實(shí)施，而且能取得很好的效果。

4光纖光柵風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的光纖光柵風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)是基于機(jī)械式風(fēng)速傳感器的基本結(jié)構(gòu)上，對其進(jìn)行再設(shè)計，從而使得風(fēng)速的大小轉(zhuǎn)化為對光纖光柵光柵周期的影響。風(fēng)杯：承受外界風(fēng)力。均勻等間距的磁鐵：通過磁鐵把風(fēng)速的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的擾動傳遞到等強(qiáng)度懸臂梁的自由端。等強(qiáng)度懸臂梁：把自由端的位移轉(zhuǎn)換成光纖布拉格光柵的中心波長漂移。光纖布拉格光柵：作為傳感元件，通過光纖布拉格光柵波長移位量變化情況來反映出風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速以及風(fēng)向旋轉(zhuǎn)的角度。

光纖布拉格光柵風(fēng)速傳感器測量風(fēng)速的原理為：風(fēng)場內(nèi)的風(fēng)對風(fēng)杯產(chǎn)生扭力矩，帶動轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)動，風(fēng)速越大，轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速越快。轉(zhuǎn)輪和均勻等間隔分布磁鐵固定在一起，轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動帶動均勻等間隔分布磁鐵轉(zhuǎn)動，磁鐵每轉(zhuǎn)動一周，等強(qiáng)度懸臂梁就會產(chǎn)生一定的撓度變化進(jìn)而導(dǎo)致粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁的表面光纖布拉格光柵中心波長發(fā)生移位，波長變化由光纖傳出，根據(jù)光纖布拉格光柵中心波長的變化次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，從而可以計算出風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速，根據(jù)風(fēng)杯的轉(zhuǎn)速與風(fēng)速成正比關(guān)系，便可得到風(fēng)場內(nèi)的風(fēng)速。

5總結(jié)

本文利用傳統(tǒng)的機(jī)械式風(fēng)速傳感器的結(jié)構(gòu)，在其基礎(chǔ)上設(shè)計了光纖布拉格光柵風(fēng)速傳感器，并對該傳感器的工作原理、結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。在光纖布拉格光柵風(fēng)速傳感器的風(fēng)洞實(shí)驗中，記錄光纖布拉格光柵中心波長變化的情況，根據(jù)實(shí)驗所得數(shù)據(jù)得到波長變化頻率與風(fēng)速的關(guān)系。光纖光柵風(fēng)速傳感器對于風(fēng)速的測量可以適用于諸多復(fù)雜環(huán)境如電力系統(tǒng)，橋梁結(jié)構(gòu)，這也是該類傳感器與其他傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)勢之處。

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*基金項目：本文系江蘇大學(xué)2017年度大學(xué)生科研立項項目