基于光纖光柵的一體式靶式流量傳感技術

張正義

(高新技術研究所教研室，山東青州 262500)

1 引 言

工業生產中常涉及流量檢測，機械轉子流量傳感器[1]的使用較頻繁，可是其精度不高;聲學原理流量計[2]、電磁原理流量計[3]和多普勒流速儀[4]，精度很高，可是價格昂貴，還可能被電磁場影響。最近20年以來，光纖布拉格光柵(Fiber Bragg grating，FBG)流量傳感技術迅速發展[5-6]，其原理是通過Bragg中心波長對于其他量的敏感，利用特定構造達到測量多個物理量的目的[7-8]。和以往電學傳感器比較，其具有靈敏度高、質量輕、體型小、抗干擾、能夠達到精準檢測以及安全可靠的優點[9-10]。

近年來，禹大寬[11]、王正方[12]、Wang[13]等把FBG和以往靶式流量傳感結合起來，設計了圓靶片以及懸臂梁，但其結構仍較為復雜，未能使光纖光柵傳感的優勢充分發揮出來。據此，本文設計了一種集阻流靶片和敏感元件于一體的等強度懸臂梁結構，測試了該傳感器的可靠性、可行性和靈敏度。

2 基本原理

2.1 FBG傳感基本原理

依據耦合模原理，只有符合下列公式的光波才被反射:

其中，λB表示中心波長，Λ表示周期，neff表示有效折射率。則λB由于應變以及溫度變化而造成的偏移為[14]:

其中，α、ζ分別是熱膨脹系數及熱光系數，Pe是有效彈光系數，ε是軸向應變，KT、Kε為靈敏度系數。

2.2 FBG靶式流量器傳感原理

設計結構如圖1所示，在軸線放置圓靶片，直接連接等強度懸臂梁，將流量沖力變成懸臂梁的變化。

令密度為ρ，靶片面積為A1，阻力系數為ζ，靶前流體速度為v0，壓力為p0，經靶片以及環隙的速度為v，壓力為p。通過伯努利方程可知[15]:

圖1 靶式流量傳感原理圖Fig.1 Target type flow sensing principle diagram

A1(p0-p)表示靶片靜壓力，用F1表示表示動壓力，用 F2表示;合力F=F1+F2。那么速度和沖擊作用力的方程為:

流體流動形成的力使兩個FBG發生相同形變，考慮溫度，則[16]:

波長變化總量與軸向應變的關系為:

公式(7)表示雙FBG差動構造避免了溫度應變交叉敏感現象。根據材料力學原理[6]:

其中，ε是梁表面應變，b、h是梁底寬度以及厚度，E是楊氏模量，L為固定端長度，F為梁自由端受力。結合公式(7)、(8)，可得Δλ與F的關系為:

設液體不能壓縮，令A2為內徑D以及靶徑d的環隙面積，通過公式(4)、(8)、(9)能夠計算出經A2的流量為:

測得波長變化，就能檢測流體參量。

3 結構設計

3.1 一體式靶式流量傳感器的結構設計

如圖2所示，傳感器主要由閥體、凸臺、端蓋、一體式靶片四部分組成，閥體與凸臺、端蓋與凸臺之間利用O型密封圈進行面密封，一對中心波長相等的FBG形成差動構造，貼在梁對稱兩邊的軸線處。流體沖擊使懸臂和FBG應變，達到流量測量目的。

圖2 一體式靶式流量計Fig.2 One-piece target flow sensor

3.2 一體式靶片的結構設計

靶式流量傳感器靈敏度的高低、性能的好壞，關鍵取決于一體式靶片的結構設計是否得當，其設計原則如下:

(1)管徑比的選用要適中，要兼顧靈敏度和壓力損失;

(2)等強度懸臂梁的尺寸要考慮到傳感器的測量范圍，并在量程范圍內滿足精度要求。

在管道直徑一定時，隨著靶片直徑的增加，壓差逐漸增大，即流體通過一體式靶式傳感器的壓力損失增大。這里結合實際應用，選用閥體管徑D=16 mm，選用靶片直徑為10 mm。流量傳感器量程的設計范圍為0～2 L/s，則得出流體流經管道與靶片之間空隙的流速范圍為0～16.3 m/s，則可以計算出流體對一體式靶片沖擊力的范圍，一體式靶片在設計過程中要在滿足強度要求的前提下，盡可能提高測量精度。設計的一體式靶片如圖3所示，圖3(a)為加工圖紙，圖3(b)為實物照片。材質為304#不銹鋼，厚度為1 mm，等強度懸臂梁長l=40 mm，底部寬度b=5 mm，圓形靶片直徑d=10 mm，靶心與懸臂梁頂點重合。靶片上方長方形區域長18 mm、寬5 mm，在安裝過程中，其卡在凸臺的細槽中，以實現一體式靶片的緊固，并保證靶片平面與流向垂直。

圖3 一體式靶式流量計。(a)加工圖紙;(b)實物照片。Fig.3 One-piece target.(a)Processing drawings.(b)Physical photos.

4 FLUENT仿真分析

選用FLUENT軟件進行流體分析，通過仿真實驗，觀察流體狀態，并與傳統靶式流量傳感器的流體狀態進行對比研究，以確定一體式靶片結構的設計是否可行。

在GAMBIT軟件中建立三維幾何模型，流量傳感器閥體部分設計為一個三通模型，管徑皆為16 mm，水平管道長150 mm，垂直管道長40 mm，油液在水平管道中沿X軸正方向流動。方案一為一體式靶式結構，方案二是傳統靶式結構，除去靶片結構不同外，兩個方案中的其他條件皆一致。網格劃分采用Tet/Hybrid(以四面體網格形式為主，在適當位置上包括六面體、錐形和楔形網格)和Tgrid(將體劃分為四面體網格單元，在適當的位置可以包含錐體、六面體和楔形單元)類型，網格大小設置為0.5。靶片周圍采用網格加密處理，管壁劃分邊界網格。網格劃分之后的模型圖如圖4所示，圖4(a)、(b)分別為一體式靶式結構和傳統靶式結構的模型。

圖4 一體式靶式流量傳感器結構模型圖。(a)一體式靶式結構;(b)傳統靶式結構。Fig.4 One-piece target type flow sensor structure model diagram.(a)One-piece target type.(b)Traditional target type.

模型建立之后，從GAMBIT中將劃分好的網格文件導出，打開FLUENT軟件，選用三維單精度解算體，導入網格文件，并檢查網格劃分情況。根據實際情況對求解器的參數進行設定，求解器選用分離式求解器和隱式求解器，黏性模型選用kepsilion模型，流體設置為油，邊界條件設置入口流速為10 m/s，其他條件默認 FLUENT的初始設定。

在解算初始化(Solution initialization)中Compute from選擇inlet。設置收斂精度k和epsilon都為0.001，然后開始求解，待求解完畢，設置3個截面XOZ(主視圖)、XOY(俯視圖)、YOZ(左視圖)。

圖5顯示了兩種方案的動壓力云圖的俯視圖(平面XOY)。得到兩種方案流速等值線的主視圖(平面XOZ)，如圖6所示。得到流線圖的俯視圖(平面XOY)，如圖7所示。

通過以上仿真結果可以看出，一體式靶式流量傳感器對流體狀態的影響比傳統靶式小，流體通過靶片后，能夠在較短的距離內恢復平穩狀態。由此可以看出，一體式靶式流量傳感器的結構設計是合理可行的。

圖5 動壓力云圖。(a)方案一:一體式靶式結構;(b)方案二:傳統靶式結構。Fig.5 Dynamic stress nephogram.(a)Option 1:integrated target structure.(b)Option 2:traditional target structure.

圖6 流速等值線。(a)方案一:一體式靶式結構;(b)方案二:傳統靶式結構。Fig.6 Velocity isoline.(a)Option 1:integrated target structure.(b)Option 2:traditional target structure.

圖7 流線圖。(a)方案一:一體式靶式結構;(b)方案二:傳統靶式結構。Fig.7 Motoin pattern.(a)Option 1:integrated target structure.(b)Option 2:traditional target structure.

5 FBG流量傳感實驗

為了再一次檢測光纖光柵一體式靶式流量傳感器的使用性能，設計了液壓回路，如圖8所示，渦輪流量計只能單向通過，安裝使用時油液流向要正確。

圖8 流量測試系統油路圖Fig.8 Flow test system circuit diagram

圖9 靶式流量傳感器實物圖Fig.9 Good one-piece flow sensor target type

圖9為一體式靶式流量傳感器，λB=1 550 nm，利用熔接機實現連接，光纖在夾板以及壓力膜片中伸出，通過熔接機連接FC插頭。圖10為實驗照片，光纖光柵解調設備可解調出中心波長。

圖10 流量傳感器測試系統實驗照片Fig.10 Flow sensor test system experimental photos

實驗中記錄不同流量時中心波長的數值，如表1所示。

通過最小二乘法分析，得到圖11。

根據公式(10)可知Δλ與Q2成正比，對圖11中曲線進行擬合，得到擬合曲線方程如下:

擬合曲線顯示，Δλ與Q2成正比，雙FBG中心波長偏移總量為單個FBG偏移量的兩倍，與此同時，差動特殊結構將靈敏度提高到兩倍。根據二次項系數0.423、解調分辨率1 pm，得出傳感器分辨率是0.049 L/s。

表1 流量傳感實驗Tab.1 Flow sensing experiment

圖11 流量傳感器實驗數據擬合Fig.11 Flow sensor experimental data fitting

6 結 論

本文根據光纖光柵靶式流量計傳感理論，構建阻流靶片敏感元件一體化結構，簡化傳導裝置，將等強度懸臂梁當作承力機構，沿中心軸放置兩個中心波長一致的FBG，用以感知應變量。通過FLUENT軟件進行模擬，分析出一體式靶片結構對流體狀態影響比傳統結構更小;流量實驗驗證了該傳感器設計方案的可行性、穩定性，很大程度上增強了傳感靈敏度，并且傳感器可進行反復測量。該FBG靶式流量傳感器構造精巧、容易封裝，特別是可以實現強電磁、易燃爆、遠程以及分布檢測，因而應用前景較好。