基于光纤阵列的气流传感方法研究

1 引 言

气体流量测量在各个工业部门中起着重要的作用。它为许多应用提供了重要的信息,如过程控制、化石燃料和核能发电、运输和环境监测。为了进行流量测量,开发了大量基于各种机械、电子和微机电系统(MEMS)结构的流量传感器[1]。最早使用并且得以广泛应用的是机械转子式[2]流量传感器,随着发展技术逐渐成熟,但受限于机械结构,测量误差较大。为进一步提高测量的精度,进行了电磁流量计[3]、超声波流量计[4]和声学多普勒流量计[5]的研制,其使用简便,但易受电磁干扰,且使用成本较高。光纤流量计[6]具有抗电磁干扰能力强、成本低等优点,但光纤流量计的设计理念是基于流量对光信号强度的改变以及相位调制的,光强受环境影响较大,在实际应用过程中很难实现准确的检测。光纤布拉格光栅(FBG)流量传感器通过对反射光波长的变化来实现对流量的监测,对外界环境的变化比较敏感,因此FBG流量传感器成为近几年业界研究的热点。

相较于传统传感技术而言,光纤布拉格光栅(FBG)传感技术具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰等优点[7]。FBG技术已被应用于各种各样的场景中,最常用于应变和温度测量。此外,近年来,FBG传感技术也应用于降雨和风速。然而,FBG传感技术在气流监测方面的应用却很少。

气体或液体流速的测量在各种行业中具有重要的实际意义,例如食品检验,制药,石油/天然气勘探,环境,高压电力系统,化学工厂和海洋研究。由于它们具有许多独特的有点,例如体积小,重量轻,抗电磁干扰,遥感能力强,环境耐受性差,以及分布式或准分布式测量光纤传感器的能力,如温度传感器,流量计,或风速计,已被证明是其传统机械或电磁对应物的有吸引力的替代品。

本文提出了一种实时气流监测方法,光纤光栅固定于简支梁两端,通过光纤光栅阵列可以实现应变的监测。本文提出的气流传感器可以进行温度补偿和拉伸应力的补偿,降低了温度对测量结果的交叉影响。简支梁和光纤光栅都是无源材料,不需要功率支撑。该系统可较好应用于管道气流监测之中。

2 传感器结构及原理

基于柔性可恢复的设计理念,多元光纤气流传感器的基体选用半径为2 mm的柱状硅胶,于基体外侧均匀布设三根光纤光栅,两两间成120°角。结合本传感器的特点,选用了Ecoflex 00-50硅胶进行传感器的封装(如图1(a)所示),该粘贴剂具有好的绝缘特性,同时固化后收缩形变量小,与光纤光栅的耦合性较高,除了能够抑制传感器的零点漂移和迟滞效应之外,也对增加光纤气流传感器的使用寿命有很大的帮助。为增加光纤气流传感器使用寿命,将对传感器的外置部分添置热缩管等以实现保护(如图1(c)所示)。传感器基础结构设计的优势是在于可实现多方向FBG测量点之间相互匹配补偿,从而减小温度对传感器精度的影响。

图1 气流传感基础结构设计

Fig.1 Basic design of airflow sensing infrastructure

所选传感器为光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,简称FBG),其传感原理为如图2所示。

图2 光纤布拉格光栅传感原理

Fig.2 Fiber Bragg grating sensing principle

宽带光在FBG中传输时,会产生模式耦合,光纤光栅中心波长λB满足如下公式:

λB=2neff·Λ

(1)

式中,FBG的中心波长用λB表示,也就是反射波的波长；光纤的有效折射率记为neff；Λ为光栅周期。由式(1)可知,光纤光栅中心波长λB的大小受neff和Λ的影响,即随着neff和Λ变化,λB的大小也会发生改变,而neff和Λ主要受温度和应变的影响。neff和Λ与温度和应变的相关函数改写如下:

λB=2neff·Λ=2neff(ε,T)·Λ(ε,T)

(2)

故在恒温的实验条件下,FBG中心波长漂移只受应变的影响。FBG在拉伸或压缩作用下,即只受到轴向应变ε作用,光纤光栅的周期Λ随之发生变化,光纤光栅的中心波长产生漂移,偏移量记为ΔλB。关系式对应如下:

ΔλB=λB·(1-Pε)·ε

(3)

风速提供的单位面积压力W0可表示为:

(4)

其中,ρ表示空气密度；v表示风速。

简支梁剪力图如图3所示。

图3 均布载荷简支梁剪力图

Fig.3 Shear force diagram of simply supported beam with uniformly distributed load

当外力作用只在铅垂方向时,支座A受到的水平约束力为零。此外,由于简支梁结构及受力都是对称的,故支座A与支座B处铅垂方向的约束力相同。

由平衡条件可得:

(5)

式中,q表示气流均布载荷,可由下式求解:

q=sq×W0×uq

(6)

其中,sq表示迎风面积;uq代表迎风系数。而传感器的迎风面积指的是与风速垂直的投影面积,可以表示为:

sq=D×h

(7)

式中,D表示传感器直径;h表示传感器的长度。

简支梁的剪力方程和弯矩方程为:

(8)

在温度恒定的条件下,FBG受轴向应变量ε的表达式为:

(9)

综上各式可知,FBG波长漂移量ΔλB与传感器轴向应变量之间的关系为:

(10)

光纤阵列气流传感原理如图4所示。

图4 气流特性测量原理

Fig.4 Principle of air flow characteristic measurement

图中,l0表示栅区的长度;l1表示传感器硅胶基体的长度,在施加均匀气流场的作用下,传感器沿如图4所示方向弯曲。

3 传感器测试

为了验证多元光纤气流传感器的气流传感特性,搭建了如图5所示的实验系统。在实验中使用变频管道风机提供外加气流场,风机的最大风量为710 cfm(1205 m3/h),最大转速为3800 rpm,通过调节风扇的转速,系统中气流流速变化范围为0～13 m/s。气流流速以1 m/s递增,测得传感器光纤光栅中心波长漂移量,每次气流流速的调节通过皮托管进行校准。传感器置于角位移平台上方且保证传感器表面受到均匀的气流压力,角位移平台的精度可达到1°。调节角位移平台,使得气流流向与传感器中心轴角度在0°～360°变化。

将传感器结构置于探头固定端,连接宽带光源和光谱仪构成气流监测实验系统,且整个结构放在所搭建的气流检测平台内。宽谱光经单模光纤到达传感器内部,其中传感器位于固定支架中心位置,通过改变探头基体的长度以及气流场流速的大小,进一步获取传感阵列中心波长漂移的信息,完成传感器气流传感特性的验证。

图5 气流特性检测系统

Fig.5 Airflow characteristics test system

为分析传感器的传感特性,现进行以下研究。当施加相同流速的气流场时,基体长度不同,其传感效果也不相同。实验所获取的相应的传感器中心波长漂移情况如图6所示。

图6 同一流速下,不同基体长度光栅阵列

中心波长漂移情况

Fig.6 The center wavelength drift of the grating array with different substrate lengths at the same velocity

通过图6分析可知,当基体长度为9.5 cm时,传感器的中心波长漂移相对明显且适用于本实验系统进行进一步研究。

同一流速下,不同基体长度所对应的传感器中心波长漂移量如表1所示。

表1 不同基体长度对应传感阵列中心波长漂移量

Tab.1 Different matrix lengths correspond to the central wavelength drift of the sensor array

在恒温状态下,光纤气流传感器在外界应力等参量的变化下,光纤光栅的中心波长也会随之发生漂移。如图6所示,光纤光栅阵列布设位置的不同导致其在气流冲击状态下受到拉伸或是压缩的情况也不相同,在气流测试实验中,光纤光栅b处于压缩状态,其中心波长向着波长减小的方向漂移,在表一中通过负号体现。光纤光栅a、c处于拉伸状态,其中心波长向波长增大的方向漂移。

在传感器基体长度保持一致的情况下,对传感阵列施加不同流速的均匀气流场,其光栅阵列中心波长漂移情况如图7所示,可知该传感器可适用于稳定气流场的监测。

图7 相同基体长度,不同流速下光栅阵列中心波长漂移情况

Fig.7 The center wavelength drift of the grating array at different flow rates with the same matrix length

在确定适合本实验系统的传感器大小后,光纤气流传感器在不同流速的冲击作用下,光纤光栅中心波长漂移量与气流流速之间的关系如图8所示。

图8 不同流速下,中心波长漂移量拟合曲线

Fig.8 Center wavelength drift fitted curves at different velocities

由图8分析可知,光纤光栅的中心波长漂移量与流速间有着较好的二次函数关系,进一步验证了公式(10)的推导。

为进一步验证光纤气流传感器的方向传感器特性,设计了如下实验。在保持气流流速不变的前提下,通过改变冲击气流的方向来达到方向传感监测的目的。气流冲击方向可通过调节角位移平台来实现,角度可从0°逐渐变化到360°。提取每一次在气流冲击下光纤光栅中心波长漂移量的最大值作为纵坐标,使用冲击角度作为横坐标,在坐标系中完成两者关系图的绘制,结果如图9所示。在极坐标中,光纤光栅中心波长漂移量和角度呈明显的“8”字形,表明传感器具有方向传感特性。

图9 极坐标下,FBG中心波长漂移量与角度之间的关系

Fig.9 The relationship between the wavelength drift of FBG center and the angle in polar coordinates

4 结 语

本文提出了一种基于光纤光栅阵列的光纤气流传感器,所搭建实验平台可实现传感器的外加均匀气流场的气流监测。通过对不同长度基体的比较分析,针对本实验系统,选取了合适的传感器基体长度。通过气流冲击实验可知,传感器光栅阵列中心波长的漂移量与气流场流速成二次函数关系,拟合曲线方差为0.9742。实验研究表明,光纤气流传感器可实现对气流传感的监测。相较于其他传统气流传感器,该结构生产工艺简单,结构紧凑并且拥有较高的可靠性。