一种基于应力敏感的光纤布拉格光栅流量计

利用光纤布拉格光栅( fiber Bragg grating，FBG) 对应力敏感，设计了一种流量传感装置。置于流体中的靶片感受到流体的冲击力，使 FBG 发生轴向应变，从而引起 FBG 反射谱发生变化，可用于一定范围内对液体流量的实时测量。理论分析和实验结果显示 Bragg 波长改变量与流量呈现良好的平方关系，进行二项式拟合，其相关系数为 0. 996。该 FBG 流量计结构简单，操作方便，在***大流量处的灵敏系数为 5. 31 L·min－1 /nm，－1 ， －1精度系数为 0. 11 L·min 测量范围为 0 ～ 4. 5 L·min.

光纤光栅是近年来出现的一种性能优良的光学无源器件，具有柔软性好、精度高、抗电磁干扰强和易于加工等优良物理性能。它是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在光纤中的传播行为和方式。其中光纤布拉格光栅 ( fiber Bragg grating，FBG)对温度和应力极为敏感，通过检测 FBG 反射波长的变化反映外界温度和应力的变化，能够有效地监测温度、应力、形变等物理量。其工作原理是在满足相位匹配的条件下，使共振波长模式之间发生耦合来达到波长的选择。光纤光栅传感器就是依此原理发展起来的一种波长调制型光学传感器，光纤光栅传感技术已经被广泛应用于建筑结构、航空航天以及科学研究等诸多领域，特别适合在易燃易爆等复杂环境下的实时监测，具有广阔的应用前景.

流量是工业生产、环境监测、运输计量中的一个非常重要的指标。使用***早、应用***广的流量计是机械式的和电磁式的，但往往会受到环境、体积的限制，有测量误差较大、易受电磁干扰、使用成本较高、测量范围小等缺点。FBG 流量计则是利用流量的变化使 FBG 反射光波长发生变化，它不受电磁干扰、环境对波长的影响很小、尺寸小、重量轻，使得光纤光栅流量计成为近几年的研究热点 。目前国内外学者对光纤光栅流量传感器作了大量研究，但大多结构较为复杂，信号提取较为困难。本文提出一种基于应力敏感的光纤布拉格光栅流量计，它是利用 FBG 对应力敏感设计而成，将圆形靶片置于流体中，感受与流体流量成确定关系的水流的冲击力，引起光纤光栅的 Bragg 波长发生位移，通过测量 FBG 的波长变化来检测液体的流量信号。该流量计结构简单，操作方便，光纤光栅探头体积小、防水性能好，可实现的实时监测。

1.光纤布拉格光栅流量计原理

根据光纤耦合模理论,FBG 的中心波长满足

 2.光纤布拉格光栅流量计的制作

2.1光纤光栅探头的制作

普通单模光纤( Corning SMF － 28) 经高压载氢 7 天，利用准分子激光器 ( 德国 ATL 公司，ATLEX － 300SI) 和自行研制的光纤光栅刻写系统，采用相位掩模法在载氢光纤上刻写一个光纤布拉格光栅( FBG) ，选取的相位掩模板周期为 1066. 41 nm，栅区长度为 1 cm，光纤光栅的 Bragg 波长为 1541. 0 nm，其 3 dB 带宽为 0. 18 nm，反射率为 0. 9，将刻好的 FBG 置于 110℃ 烘箱中作退火处理以确保实验时有较好的稳定性。

光纤光栅探头的结构如图 1 所示，它是由裸 FBG和圆形靶片组成。其中裸 FBG 的外表面用弹性透明中性硅酮密封胶均匀涂覆，以避免其在流动液体的冲击下可能发生的断裂。FBG 的末端连接一块圆形金属靶片，采用 502 胶粘接放置 1 天让其彻底固化。连接时使圆形靶片垂直于光纤光传导方向。

2. 2 实验系统

基于应力敏感的光纤布拉格光栅流量计实验系统如图 2 所示，由测试用 ASE 宽带光源、AQ6370C 光谱分析仪、光纤光栅探头、光环行器、水泵、流量调节器和管道等组成。光环行器的端口 1 接 ASE 宽带光源，端口 2 接光纤光栅探头，经 FBG 反射的光返回到端口 2 后，光环行器的端口 3 接 AQ6370C 光谱分析仪输入端，显示 FBG 的反射光谱。ASE 宽带光源的波段为 1525nm 至 1605 nm，AQ6370C 光谱分析仪 ( 日本 Yokogawa 公司) 的分辨率为 0. 02 nm。

将光纤光栅探头放置于待测液体的管道中，使圆形靶片与流经的液体流速方向垂直，液体管道竖直放置，管道的内径为 10 mm，由流速等于流量除以横截面积，可对流量和流速两个物理量之间进行换算。为得到稳定的流速，将 12 V 直流功率 30 W 的微型潜水泵浸没于水槽中，液体由潜水泵压入管道中。由流量调节器控制液体流量的大小，流量的值由量筒和秒表测出: 在保持流量调节器位置不变的情况下，读出量筒刻度的变化，则量筒中液体体积的变化除以时间即为流量的值。

3.流量测试及结果分析

按图 2 搭建光路和装置，保持水槽温度 26℃ 不变，在 1 标准大气压下的蒸馏水中，将水泵完全浸没于液体中，打开测试用的 ASE 宽带光源，由 AQ6370C 光谱分析仪监测在不同流量下的 FBG 反射光谱。发现当管道中的流量逐渐增大时，光纤光栅的 Bragg 波长不断向长波方向移动，图 3 给出流量分别为 0 和 4. 5 L·min－1 下的 FBG 反射光谱，可见 FBG 反射光谱有明显的移动，流量越大，Bragg 波长越大。按照 3dB 读数法，可直接在光谱分析仪上读出不同流量下 FBG 反射谱的 Bragg 波长，实验数据见表 1。

根据表 1 实验数据作出该 FBG 流量计的 Bragg 波长随液体流量的变化曲线如图 4 所示，经二项式曲线拟合，Bragg 波长与流量 q 之间的关系式为:

其相关系数 Ｒ2 为 0. 996。造成误差的原因有流量计的机械尺寸误差、量筒读数误差、流量调节器的稳定性以及靶片置于流体中导致振动等造成的误差。实验结果与液体的密度、圆形靶片的尺寸、液体管道内径以及环境温度等因素有关，该流量计的测量范围为 0 至 4. 5 L ·min－1 ，在***大流量处的灵敏系数为

 5. 31 L·min－1 /nm。由光谱分析仪的分辨率为 0. 02 nm，得到精度为 0. 11 L·min－1 。

4.结语

设计了一种基于应力敏感的光纤布拉格光栅流量计，通过置于流体中的靶片感受到不同流量下的冲击力，使 FBG 发生轴向应变，从而引起光纤光栅的 Bragg 波长发生变化，可对一定范围内的液体流量进行实时测量。理论分析和实验结果显示 Bragg 波长与流量成平方关系，对曲线进行了二项式拟合，其相关系数为 0. 996。该流量计的测量精度为 0. 11 L ·min－1 。

测量范围为 0 至 4. 5 L·min－1 。对流量调节器、水泵的功率等作出适当改进后可以增大其测量范围。该流量计结构简单，操作方便，具有灵敏度高、尺寸小、重量轻、抗电磁干扰等特点。