光纖Bragg光柵可變靈敏度液位傳感器設(shè)計(jì)*

李　凱, 蔡　陳, 趙振剛, 梁仕斌, 李　川

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院 研究生工作站,云南 昆明650217;3.云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司,云南 昆明 650217)

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光纖Bragg光柵可變靈敏度液位傳感器設(shè)計(jì)*

李凱1,2, 蔡陳1, 趙振剛1, 梁仕斌3, 李川1

(1.昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,云南 昆明 650500;2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院 研究生工作站,云南 昆明650217;3.云南電力試驗(yàn)研究院(集團(tuán))有限公司,云南 昆明 650217)

摘要:為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的多靈敏度狀態(tài)下監(jiān)測(cè)，設(shè)計(jì)了一種利用光纖Bragg光柵(FBG)的可變靈敏度液位傳感探頭。將薄膜片上的液體壓力通過傳壓桿傳送給懸臂梁，將FBG粘貼于懸臂梁上表面，利用靈敏度變換閥改變懸臂梁長(zhǎng)度而改變傳感器的靈敏度。對(duì)懸臂梁進(jìn)行有限元仿真優(yōu)化計(jì)算，得到懸臂梁的變形特性。懸臂梁長(zhǎng)度分別調(diào)節(jié)為100,90,80 mm狀態(tài)下，最大變形出現(xiàn)在懸臂梁尖端，分別為4.266,3.457，2.736 mm，裸光柵粘貼處，對(duì)應(yīng)的靈敏度分別為2.0,1.5,1.0 mm/m，實(shí)現(xiàn)靈敏度變換。

關(guān)鍵詞:液位; 傳感器; 有限元; 光纖Bragg光柵; 可變靈敏度

0引言

工業(yè)中如儲(chǔ)油罐等，對(duì)于液位的測(cè)定十分普遍，而由于工業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，所以，利用光纖Bragg光柵(FBG)進(jìn)行液位測(cè)定，不僅能夠抵抗外界的電磁和噪聲干擾，還可以有效避免帶電測(cè)定帶來的安全問題，因此，工業(yè)中可以利用FBG對(duì)液位進(jìn)行有效測(cè)定。殷小峰等人對(duì)彈性膜片進(jìn)行封裝，研制出了一種壓力增敏FBG傳感器，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，得到傳感器的參數(shù)特性[1]。王宏亮等人在設(shè)計(jì)了一種波紋管式FBG液位傳感探頭的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步利用溫度補(bǔ)償光柵補(bǔ)償溫度造成的影響，并對(duì)傳感探頭性能進(jìn)行了測(cè)試，此外,其設(shè)計(jì)的E膜片與懸臂梁相互組合的一種FBG液位傳感器，建立了FBG中心波長(zhǎng)隨液面發(fā)生變化的參考數(shù)學(xué)模型，并通過分析得出，通過調(diào)整懸臂梁等相關(guān)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)靈敏度和量程的調(diào)整[2,3]。楊淑連等人設(shè)計(jì)了一種新型的雙FBG液位傳感器，可以有效抵抗交叉敏感的問題。此外，他們?cè)趥鞲衅鞯幕A(chǔ)之上通過對(duì)反射譜帶寬的分析得到液位的高度，并驗(yàn)證了反射譜與貸款之間具有較好的線性關(guān)系[4,5]。張玉、童崢嶸等人也對(duì)光纖液位傳感器探頭的光學(xué)特性進(jìn)行了分離。論述了光纖傳感探頭和光源對(duì)傳感器性能的影響，并分析了相應(yīng)的光學(xué)和抗腐蝕特性[6,7]。

本文針對(duì)傳感器大量程與高靈敏度之間的矛盾，基于一種薄膜片與懸臂梁相連測(cè)試液位的FBG液位傳感器探頭結(jié)構(gòu)，增加靈敏度變換閥，通過改變懸臂梁長(zhǎng)度而改變傳感器探頭的靈敏度與量程，并利用ANSYS對(duì)懸臂梁仿真對(duì)其有效性加以驗(yàn)證。

1傳感器工作原理

對(duì)于液位的測(cè)試，設(shè)計(jì)了一種基于懸臂梁的可變靈敏度的FBG液位傳感器，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

將傳感器探頭放入液體之中，而液體對(duì)傳感器探頭上表面的薄膜片產(chǎn)生壓力，薄膜片能夠敏感地將壓力通過傳壓桿傳送給懸臂梁頂端，懸臂梁發(fā)生形變。由于將FBG粘貼于懸臂梁表面，所以，懸臂梁發(fā)生形變后會(huì)造成FBG的柵距發(fā)生變化，從而使Bragg中心波長(zhǎng)發(fā)生變化，根據(jù)Bragg中心波長(zhǎng)的變化量來計(jì)算液體的深度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的測(cè)定[8],工作原理如圖1所示。

圖1　FBG可變靈敏度液位傳感器原理圖Fig 1　Principle diagram of FBG variable sensitivity liquid level sensor

在傳感器的使用過程中，當(dāng)深度較淺時(shí)，需要較高的靈敏度對(duì)液位進(jìn)行測(cè)試，而這時(shí)傳感器中的懸臂梁長(zhǎng)度較短，可以提高其靈敏度。當(dāng)傳感器需要對(duì)較深液位進(jìn)行測(cè)試時(shí)，可以降低靈敏度以獲得較大的量程，而這時(shí)需要懸臂梁較長(zhǎng)。通過改變靈敏度變換閥，隨著懸臂梁下方鐵塊在軌道上的位置變化，可以改變懸臂梁的長(zhǎng)度，從而改變傳感器的靈敏度和量程，實(shí)現(xiàn)對(duì)于不同深度的液位的高靈敏度測(cè)定。

2傳感器仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于FBG液位傳感器主要將液體對(duì)傳感器探頭頂部薄膜片的壓力通過傳壓桿傳給懸臂梁，然后通過懸臂梁帶動(dòng)裸光柵，再通過光柵的波長(zhǎng)移位來反映液體壓力的不同，從而反映液位的深度。而可變靈敏度的實(shí)現(xiàn)正是通過靈敏度變換閥來改變懸臂梁的長(zhǎng)度來實(shí)現(xiàn)改變整個(gè)傳感器的靈敏度的，所以，對(duì)懸臂梁進(jìn)行有限元仿真分析。

懸臂梁材料Q235碳素鋼，Q235基本材料特性如下：彈性模量：E=206 GPa=206×109 Pa=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.25，屈服極限σs= 235 MPa，安全因數(shù)ns=1.5 ，密度ρ=7.8×103kg/m3。所設(shè)計(jì)的懸臂梁尺寸如圖2所示，懸臂梁厚2 mm，寬20 mm，初始長(zhǎng)度100 mm。

圖2　懸臂梁的尺寸Fig 2　Size of cantilever

根據(jù)液體壓強(qiáng)公式：p=ρgh，壓力公式F=pA的特點(diǎn)，由于頂部表面積A為0.1 m2，液體密度ρ為1 000 kg/m3，液面h為1 m，g=10 m/s2，經(jīng)過計(jì)算，壓力F為100 N，通過傳壓桿在懸臂梁尖端施加y(垂直向下)方向100 N的力，對(duì)原始長(zhǎng)度100 mm的懸臂梁進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3　懸臂梁的仿真變形Fig 3　Simulation deformation of cantilever

通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，越接近懸臂梁尖端的方向，發(fā)生變形越大。首先，由于傳壓桿的力作用在懸臂梁尖端，而另一端被約束，所以懸臂梁尖端作為自由端，在力的作用下，必然發(fā)生更大的變形。其次，由于尖端形狀細(xì)尖的特點(diǎn)，也會(huì)造成其在力的作用下變形較大。

在x方向上，通過靈敏度變換閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，懸臂梁長(zhǎng)度分別為100,90,80 mm。假設(shè)液面為高度為1 m，在懸臂梁尖端施加y(垂直向下)方向100 N的力，選取圖2中的虛線作(懸臂梁中軸)為坐標(biāo)橫軸，如圖4(a)，(b)，(c)所示，分別畫出懸臂梁長(zhǎng)度分別調(diào)節(jié)為100,90,80 mm時(shí)的懸臂梁中軸上的路徑的變形圖。懸臂梁分別為100,90,80 mm長(zhǎng)度且液面深度為1 m的情況下，最大變形量均出現(xiàn)在懸臂梁尖端，分別為4.266，3.457，2.736 mm。

圖4　不同長(zhǎng)度懸臂梁表面中線變形圖Fig 4　Midline deformation in surface of 100,90,80 mm cantilever

將FBG粘貼于距尖端30 mm處，對(duì)于長(zhǎng)度分別為100,90,80 mm的懸臂梁，在1 m的液位下，此處對(duì)應(yīng)變形分別為2.07,1.55,1.01 mm。利用有限元分析軟件，分別模擬不同長(zhǎng)度的懸臂梁在不同的液位深度下所受到的力及相應(yīng)的變形情況，見表1，并繪制懸臂梁在不同長(zhǎng)度下的液位—變形量圖，見圖5。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在每個(gè)懸臂梁長(zhǎng)度下，傳感器都具有很好的線性度，當(dāng)懸臂梁分別為100,90,80 mm長(zhǎng)度下，靈敏度分別為2.0,1.5,1.0 mm/m，通過靈敏度變換閥，變換懸臂梁的長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于傳感器探頭靈敏度的變換。

3結(jié)論

針對(duì)工業(yè)中對(duì)于液位測(cè)定的復(fù)雜環(huán)境，避免帶電測(cè)定的干擾、材料腐蝕等問題，本文設(shè)計(jì)了一種FBG可變靈敏度液位傳感器。所設(shè)計(jì)的FBG可變靈敏度液位傳感器探頭，利用液體對(duì)傳感器探頭表面的壓力，通過傳壓桿將壓力傳遞給懸臂梁，懸臂梁發(fā)生變形從而帶動(dòng)光柵柵距變化來對(duì)液位進(jìn)行測(cè)定。有限元計(jì)算發(fā)現(xiàn)：懸臂梁尖端變形較大，分析由于尖端沒有進(jìn)行約束，在壓力作用下必然出現(xiàn)較大變形。改變懸臂梁的長(zhǎng)度，當(dāng)懸臂梁長(zhǎng)度分別達(dá)到80,90,100 mm，液位0.5～1.5 m下進(jìn)行有限元計(jì)算，敏度分別為：2.0,1.5,1.0 mm/m，且均具有良好的線性。實(shí)現(xiàn)了利用靈敏度變換閥改變懸臂梁長(zhǎng)度，進(jìn)而改變傳感器探頭的靈敏度。

表1　不同長(zhǎng)度懸臂梁隨液位深度發(fā)生變形情況統(tǒng)計(jì)表

圖5　懸臂梁在不同長(zhǎng)度下的液位—變形量Fig 5　Liquid level-deformation diagram at different lengths of cantilever

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Design of variable sensitivity liquid level sensor for FBG*

LI Kai1,2, CAI Chen1, ZHAO Zhen-gang1, LIANG Shi-bin3, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.Graduate Workstation, Electric Power Research Institute, Yunnan Power Grid Limited Liability Corporation,Kunming 650217,China;3.Yunnan Electric Power Research Institute (Group) Co Ltd,Kunming 650217,China)

Abstract:In order to achieve level of variable sensitivity monitoring is designed using a fiber Bragg grating(FBG) with variable sensitivity level probe.Liquid pressure on film is transmitted to cantilever beam through pressure bar, FBG is pasted on upper surface of cantilever beam,using sensitivity shift valve to change cantilever length,so as to change sensitivity of sensor.Calculated deformation properties of the cantilever beam by finite element simulation and optimization.The length of cantilever beam are adjusted to 100 mm, 90 mm, 80 mm.In all the above-mentioned states,the maximum deformation occurs in the tip of cantilever beam, which are 4.266,3.457,2.736 mm respectively.Corresponding where bare grating pasted, the sensitivitues are 2.0,1.5,1.0 mm/m,to achieve sensitivity transformation.

Key words:liquid level; sensor;finite element; fiber Bragg grating(FBG); variable sensitivity

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0121—03

收稿日期：2015—06—09

*基金項(xiàng)目：云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2013FZ021)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(KKGD201203004)

中圖分類號(hào):TH 741

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)03—0121—03

作者簡(jiǎn)介:

李凱(1990-)，男，遼寧阜新人，碩士研究生，主要從事監(jiān)測(cè)對(duì)象的有限元分析與光纖傳感技術(shù)研究。

李川，通訊作者，E—mail:xsxzli@126.com。