基于光纖光柵的一體式靶式流量傳感技術(shù)

張正義

(高新技術(shù)研究所教研室，山東青州 262500)

1 引 言

工業(yè)生產(chǎn)中常涉及流量檢測，機(jī)械轉(zhuǎn)子流量傳感器[1]的使用較頻繁，可是其精度不高;聲學(xué)原理流量計(jì)[2]、電磁原理流量計(jì)[3]和多普勒流速儀[4]，精度很高，可是價(jià)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，F(xiàn)BG)流量傳感技術(shù)迅速發(fā)展[5-6]，其原理是通過Bragg中心波長對(duì)于其他量的敏感，利用特定構(gòu)造達(dá)到測量多個(gè)物理量的目的[7-8]。和以往電學(xué)傳感器比較，其具有靈敏度高、質(zhì)量輕、體型小、抗干擾、能夠達(dá)到精準(zhǔn)檢測以及安全可靠的優(yōu)點(diǎn)[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(jié)合起來，設(shè)計(jì)了圓靶片以及懸臂梁，但其結(jié)構(gòu)仍較為復(fù)雜，未能使光纖光柵傳感的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一種集阻流靶片和敏感元件于一體的等強(qiáng)度懸臂梁結(jié)構(gòu)，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(jù)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(yīng)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(shù)及熱光系數(shù)，Pe是有效彈光系數(shù)，ε是軸向應(yīng)變，KT、Kε為靈敏度系數(shù)。

2.2 FBG靶式流量器傳感原理

設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，在軸線放置圓靶片，直接連接等強(qiáng)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(shù)為ζ，靶前流體速度為v0，壓力為p0，經(jīng)靶片以及環(huán)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(dòng)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(dòng)形成的力使兩個(gè)FBG發(fā)生相同形變，考慮溫度，則[16]:

波長變化總量與軸向應(yīng)變的關(guān)系為:

公式(7)表示雙FBG差動(dòng)構(gòu)造避免了溫度應(yīng)變交叉敏感現(xiàn)象。根據(jù)材料力學(xué)原理[6]:

其中，ε是梁表面應(yīng)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(xiàn)為梁自由端受力。結(jié)合公式(7)、(8)，可得Δλ與F的關(guān)系為:

設(shè)液體不能壓縮，令A(yù)2為內(nèi)徑D以及靶徑d的環(huán)隙面積，通過公式(4)、(8)、(9)能夠計(jì)算出經(jīng)A2的流量為:

測得波長變化，就能檢測流體參量。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 一體式靶式流量傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖2所示，傳感器主要由閥體、凸臺(tái)、端蓋、一體式靶片四部分組成，閥體與凸臺(tái)、端蓋與凸臺(tái)之間利用O型密封圈進(jìn)行面密封，一對(duì)中心波長相等的FBG形成差動(dòng)構(gòu)造，貼在梁對(duì)稱兩邊的軸線處。流體沖擊使懸臂和FBG應(yīng)變，達(dá)到流量測量目的。

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

3.2 一體式靶片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

靶式流量傳感器靈敏度的高低、性能的好壞，關(guān)鍵取決于一體式靶片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否得當(dāng)，其設(shè)計(jì)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(qiáng)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(nèi)滿足精度要求。

在管道直徑一定時(shí)，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(jié)合實(shí)際應(yīng)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(shè)計(jì)范圍為0～2 L/s，則得出流體流經(jīng)管道與靶片之間空隙的流速范圍為0～16.3 m/s，則可以計(jì)算出流體對(duì)一體式靶片沖擊力的范圍，一體式靶片在設(shè)計(jì)過程中要在滿足強(qiáng)度要求的前提下，盡可能提高測量精度。設(shè)計(jì)的一體式靶片如圖3所示，圖3(a)為加工圖紙，圖3(b)為實(shí)物照片。材質(zhì)為304#不銹鋼，厚度為1 mm，等強(qiáng)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(diǎn)重合。靶片上方長方形區(qū)域長18 mm、寬5 mm，在安裝過程中，其卡在凸臺(tái)的細(xì)槽中，以實(shí)現(xiàn)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(jì)。(a)加工圖紙;(b)實(shí)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(jìn)行流體分析，通過仿真實(shí)驗(yàn)，觀察流體狀態(tài)，并與傳統(tǒng)靶式流量傳感器的流體狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比研究，以確定一體式靶片結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)為一個(gè)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(dòng)。方案一為一體式靶式結(jié)構(gòu)，方案二是傳統(tǒng)靶式結(jié)構(gòu)，除去靶片結(jié)構(gòu)不同外，兩個(gè)方案中的其他條件皆一致。網(wǎng)格劃分采用Tet/Hybrid(以四面體網(wǎng)格形式為主，在適當(dāng)位置上包括六面體、錐形和楔形網(wǎng)格)和Tgrid(將體劃分為四面體網(wǎng)格單元，在適當(dāng)?shù)奈恢每梢园F體、六面體和楔形單元)類型，網(wǎng)格大小設(shè)置為0.5。靶片周圍采用網(wǎng)格加密處理，管壁劃分邊界網(wǎng)格。網(wǎng)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(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)靶式結(jié)構(gòu)的模型。

圖4 一體式靶式流量傳感器結(jié)構(gòu)模型圖。(a)一體式靶式結(jié)構(gòu);(b)傳統(tǒng)靶式結(jié)構(gòu)。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(wǎng)格文件導(dǎo)出，打開FLUENT軟件，選用三維單精度解算體，導(dǎo)入網(wǎng)格文件，并檢查網(wǎng)格劃分情況。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)求解器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)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(shè)置為油，邊界條件設(shè)置入口流速為10 m/s，其他條件默認(rèn) FLUENT的初始設(shè)定。

在解算初始化(Solution initialization)中Compute from選擇inlet。設(shè)置收斂精度k和epsilon都為0.001，然后開始求解，待求解完畢，設(shè)置3個(gè)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(dòng)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(jié)果可以看出，一體式靶式流量傳感器對(duì)流體狀態(tài)的影響比傳統(tǒng)靶式小，流體通過靶片后，能夠在較短的距離內(nèi)恢復(fù)平穩(wěn)狀態(tài)。由此可以看出，一體式靶式流量傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理可行的。

圖5 動(dòng)壓力云圖。(a)方案一:一體式靶式結(jié)構(gòu);(b)方案二:傳統(tǒng)靶式結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu);(b)方案二:傳統(tǒng)靶式結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu);(b)方案二:傳統(tǒng)靶式結(jié)構(gòu)。Fig.7 Motoin pattern.(a)Option 1:integrated target structure.(b)Option 2:traditional target structure.

5 FBG流量傳感實(shí)驗(yàn)

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(shè)計(jì)了液壓回路，如圖8所示，渦輪流量計(jì)只能單向通過，安裝使用時(shí)油液流向要正確。

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

圖9 靶式流量傳感器實(shí)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(jī)實(shí)現(xiàn)連接，光纖在夾板以及壓力膜片中伸出，通過熔接機(jī)連接FC插頭。圖10為實(shí)驗(yàn)照片，光纖光柵解調(diào)設(shè)備可解調(diào)出中心波長。

圖10 流量傳感器測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.10 Flow sensor test system experimental photos

實(shí)驗(yàn)中記錄不同流量時(shí)中心波長的數(shù)值，如表1所示。

通過最小二乘法分析，得到圖11。

根據(jù)公式(10)可知Δλ與Q2成正比，對(duì)圖11中曲線進(jìn)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(gè)FBG偏移量的兩倍，與此同時(shí)，差動(dòng)特殊結(jié)構(gòu)將靈敏度提高到兩倍。根據(jù)二次項(xiàng)系數(shù)0.423、解調(diào)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(shí)驗(yàn)Tab.1 Flow sensing experiment

圖11 流量傳感器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合Fig.11 Flow sensor experimental data fitting

6 結(jié) 論

本文根據(jù)光纖光柵靶式流量計(jì)傳感理論，構(gòu)建阻流靶片敏感元件一體化結(jié)構(gòu)，簡化傳導(dǎo)裝置，將等強(qiáng)度懸臂梁當(dāng)作承力機(jī)構(gòu)，沿中心軸放置兩個(gè)中心波長一致的FBG，用以感知應(yīng)變量。通過FLUENT軟件進(jìn)行模擬，分析出一體式靶片結(jié)構(gòu)對(duì)流體狀態(tài)影響比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更小;流量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器設(shè)計(jì)方案的可行性、穩(wěn)定性，很大程度上增強(qiáng)了傳感靈敏度，并且傳感器可進(jìn)行反復(fù)測量。該FBG靶式流量傳感器構(gòu)造精巧、容易封裝，特別是可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)電磁、易燃爆、遠(yuǎn)程以及分布檢測，因而應(yīng)用前景較好。