光纖傳感技術(shù)是一種新興的傳感測量技術(shù)，可用于溫度、壓力、形變、振動和流量[1]等參數(shù)的測量。光纖傳感技術(shù)具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：體積小而且可埋入小型智能結(jié)構(gòu)、靈敏度高、抗電磁干擾[2] 、測量范圍寬且可靠性高、能實(shí)時監(jiān)測并可分布式測量[3]、適用于輻射較大的場合以及強(qiáng)腐蝕性或易燃易爆的危險(xiǎn)環(huán)境等，因此受到廣大科研人員的重視。目前，光纖傳感技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)領(lǐng)域[4-6]、航空航天領(lǐng)域[7]、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[8-10]、地質(zhì)勘探領(lǐng)域[11-12]和機(jī)械工程領(lǐng)域[13-14]等。而光纖布喇格光柵（FBG）除了光纖傳感技術(shù)的一般優(yōu)點(diǎn)外，還具有損耗小、制作封裝簡單、穩(wěn)定可靠、易與系統(tǒng)及其它光纖器件連接使用等優(yōu)點(diǎn)[15]，是光纖傳感技術(shù)中應(yīng)用#廣泛、#簡單的一種光纖無源器件。本文詳細(xì)介紹幾種基于 FBG的流量傳感器的測量原理和典型應(yīng)用。

 

1 FBG 流量傳感器的測量原理和種類

1.1 FBG 結(jié)合傳統(tǒng)流量計(jì)制作的 FBG 流量計(jì)

        傳統(tǒng)流量計(jì)主要包括靶式流量計(jì)、壓差式流量計(jì)、渦輪式流量計(jì)、渦街式流量計(jì)和 V型內(nèi)錐式流量計(jì)等[16]，存在著體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度低和易受電磁干擾等缺點(diǎn)，而且，傳統(tǒng)流量計(jì)的測量系統(tǒng)大部分采用電信號，在一些特殊行業(yè)（如石油和天然氣行業(yè)）就需要對電路和流量計(jì)進(jìn)行特殊的防爆處理，大大增加了成本。FBG 傳感技術(shù)是一種利用光波為載體，通過光纖感知和傳輸測量信號的新型傳感技術(shù)[17]。利用 FBG 和傳統(tǒng)流量計(jì)結(jié)合，使用光信號替代電信號制作而成的新型 FBG 流量計(jì)則可以很大程度上克服傳統(tǒng)流量計(jì)的缺點(diǎn)。 

 

1.1.1 靶式 FBG 流量計(jì) 

        靶式 FBG 流量計(jì)的原理是當(dāng)流體流動沖擊靶片時，會使得連接靶片的懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)變，通過測量粘貼在懸臂梁上 FBG 中心波長的漂移量就可以測出流量[18]。 2016 年，劉均等人[19]設(shè)計(jì)了一種基于傳統(tǒng)靶式流量計(jì)的三角形懸臂梁 FBG 流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。他們將 2 個 FBG 粘貼在三角形懸臂梁前后的中心線處，當(dāng)懸臂梁彎曲時，面向流體的 FBG 長度會變長，而另一個 FBG 會變短，這樣雙 FBG 的波長漂移量之差就只受流量影響，與溫度無關(guān)，既解決了溫度應(yīng)變的交叉敏感問題，又能提高流量計(jì)靈敏度。實(shí)驗(yàn)測試得出：所設(shè)計(jì)的流量計(jì)的可測量范圍為 0-3.96𝑚3/s，線性誤差僅為 0.31%，因此該結(jié)構(gòu)的 FBG 流量計(jì)的精度很高。

 

        2018 年，Ri-qing Lv 等人[20]設(shè)計(jì)了一種用不銹鋼毛細(xì)管取代懸臂梁的靶式流量計(jì)。他們將雙 FBG 對稱地粘貼在毛細(xì)管內(nèi)壁的形變#大處，雙柵形成的面平行于流體流向。在 5-16𝑚3/h 的測量范圍內(nèi)，該傳感器的覺對誤差小于 0.25𝑚3/h，精度為 2.27%。這種結(jié)構(gòu)的雙 FBG 對稱地粘貼在毛細(xì)管內(nèi)部，既解決了溫度應(yīng)變的交叉敏感問題，又可以有效避免流體沖擊，便于封裝，也可以應(yīng)用于一些具有腐蝕性的流體中。

 

        2020 年，張正義[21]設(shè)計(jì)了一種靶片和懸臂梁一體化的靶式 FBG 流量計(jì)結(jié)構(gòu)，將 2 個相同的FBG沿中心線粘貼在等強(qiáng)度懸臂梁的兩側(cè)。通過FLUENT軟件對流量計(jì)進(jìn)行仿真模擬后，發(fā)現(xiàn)一體化結(jié)構(gòu)的 FBG 靶式流量計(jì)比傳統(tǒng)靶式流量計(jì)對流體流動時產(chǎn)生的影響小。實(shí)驗(yàn)測試過程中，2 個 FBG 的波長偏移量之和為單個 FBG 的兩倍，說明一體化結(jié)構(gòu)將傳感器的靈敏度增加了一倍，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出該傳感器的分辨率是 0.049 L/s。

 

1.1.2 壓差式 FBG 流量計(jì) 

        壓差式 FBG 流量計(jì)的原理是使用節(jié)流裝置（常用的有孔板，文丘里管和噴嘴等）使管道橫截面變小，當(dāng)流體通過時產(chǎn)生壓力差，壓力差的大小正比于流量大小，通過 FBG 測量出壓力差就可以得到流量 [22]。

 

        2012 年，王宏亮等人[23]設(shè)計(jì)了一種由文丘里管作為節(jié)流管的壓差式 FBG 流量計(jì)。文丘里管上有 2 個取壓孔，通過這 2 個取壓孔連接一個光纖光柵壓強(qiáng)機(jī)構(gòu)。壓強(qiáng)機(jī)構(gòu)由 2 個波紋膜片組成封閉結(jié)構(gòu)，每個膜片的中心都與一個等腰三角形懸臂梁的頂點(diǎn)通過鋼銷子連接在一起，并采用 2 個 FBG 對稱地粘貼在兩個懸臂梁上。當(dāng) 2 個膜片感受的壓力不同時，2 個 FBG的波長漂移量也不相同，通過測量漂移量差值就能得到流量。這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)解決了溫度與應(yīng)變的交叉敏感問題，提高了精que度。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與理論分析結(jié)果相一致，實(shí)驗(yàn)值和理論值的相對誤差為 2.9%。

 

        2014 年，李洪才等人[24]設(shè)計(jì)了一種內(nèi)嵌噴嘴差壓式 FBG 流量計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。他們選擇內(nèi)嵌 ISA1932 標(biāo)準(zhǔn)噴嘴作為節(jié)流元件，流體經(jīng)過噴嘴后產(chǎn)生壓差，通過噴嘴兩側(cè)的取壓孔將壓差信號作用在粘貼有 FBG 的平面膜片上，檢測 FBG 中心波長的偏移量就能壓差大小，進(jìn)而可以推導(dǎo)出流體流量的數(shù)值。在靜態(tài)差壓特性測試中，數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果顯示擬合曲線斜率的均值為 0.712nm/MPa。在動態(tài)流量測試中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線的系數(shù)為 0.226nm/(𝐿 ∕ 𝑠)2。所用解調(diào)儀的分辨率為 1pm，計(jì)算得出流量計(jì)的靈敏度為 0.067L/s。此流量計(jì)有一個缺陷：沒有消除溫度應(yīng)變交叉敏感的影響。如果在膜片另一側(cè)也粘貼一個 FBG，檢測波長漂

移量差值，就可以消除溫度的影響。

 

1.1.3 渦輪式 FBG 流量計(jì) 

        渦輪式 FBG 流量計(jì)的原理是當(dāng)流體流經(jīng) FBG 渦輪流量傳感器時，流體沖擊力會對渦輪葉片產(chǎn)生沖擊使其旋轉(zhuǎn)，葉片會以固定頻率經(jīng)過 FBG 傳感探頭，因此產(chǎn)生了周期性脈沖信號，通過測量信號頻率就能推導(dǎo)出流體流量[25]。

 

        2014 年，蔣善超等人[26]設(shè)計(jì)了一種可以同時測量流速和溫度的渦輪式 FBG 流量計(jì)。該流量計(jì)利用渦輪實(shí)現(xiàn)了流體沖擊力對 FBG 中心波長的頻率調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了溫度和應(yīng)變在頻率域上的區(qū)分，可以同時測量流速和溫度。由性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：FBG 流速/溫度傳感器的流速檢測精度為 25mm/s，流速檢測的下限為 0.5417m/s。#后應(yīng)用 EMD 分析 FBG 中心波長的動態(tài)信號得到溫度檢測精度為 0.5 ℃。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該流量計(jì)能夠比較理想地實(shí)現(xiàn)同時測量流速和溫度 2 種參數(shù)。

 

        2016 年，Ya-fei Gu 等人[27]針對傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)的測量下限太大，無法滿足小流量的測量問題，提出了一種改進(jìn)型 FBG 渦輪流量計(jì)。渦輪的前導(dǎo)葉片經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，具有螺旋角，可降低測量下限并提高測量靈敏度。他們建立了改進(jìn)型流量計(jì)的理論模型，理論分析后得出結(jié)論：如果前導(dǎo)葉片的螺旋角與渦輪的螺旋角等于 90°，則渦輪起始測量的體積流量可以達(dá)到#小值，而流量計(jì)的靈敏度可以達(dá)到#大值。#后通過計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）仿真驗(yàn)證了結(jié)論的正確性。

 

        渦街式流量計(jì)和 V 型內(nèi)錐式流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中有很大的缺點(diǎn)，比如渦街式流量計(jì)在流體流速太大或太小的時候都難以檢測到輸出信號；另外，渦街發(fā)生體長時間使用會產(chǎn)生磨損，改變發(fā)生體尺寸，測量時就會產(chǎn)生極大誤差。V 型內(nèi)錐式流量計(jì)存在危險(xiǎn)，一旦 V 型錐體掉落，對管道的危害極大。因此，這 2 種 FBG 流量傳感器的研究較少。

 

1.2 其它 FBG 流量傳感器 

        除了基于傳統(tǒng)流量計(jì)測量原理制作而成的 FBG 流量計(jì)，研究人員還使用其它測量原理或傳感結(jié)構(gòu)研究出了其它不同種類的 FBG 流量傳感器。

 

        2013 年，Wenjun Zhu 等人[28]提出了一種基于鍍銀 FBG 的新型氣體流量探頭。這種傳感器使用熱線式原理，用銀膜吸收泵浦激光的能量，提高初始溫度。當(dāng)氣體經(jīng)過傳感器時，會帶走部分熱量，F(xiàn)BG 的中心波長會產(chǎn)生漂移，測量出漂移量就可以測得氣體瀏量。為了保護(hù)FBG，他們在不銹鋼毛細(xì)管的中間制造一個方孔并將鍍銀的 FBG 傳感探頭固定在孔之間。鍍銀的 FBG 傳感探頭體積很小，直徑僅為 0.125 mm。通過有限元方法（FEM）對不同類型的傳感探頭進(jìn)行仿真后，其結(jié)果表明，直徑為 3 mm 的毛細(xì)管不銹鋼管和長度為 12 mm 的方孔的傳感探頭可以提供#佳性能。這些都為基于這種傳感探頭的新型氣體流量計(jì)的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。

 

        2015 年，趙學(xué)芳等人[29]設(shè)計(jì)了一種基于熱線式原理的 FBG 風(fēng)力計(jì)。風(fēng)力計(jì)的傳感結(jié)構(gòu)由鍍有金屬銀膜的 FBG 和腰椎放大光纖構(gòu)成。腰椎放大光纖的作用是將激光器的大部分能量耦合進(jìn) FBG 的包層中，可以被銀膜吸收提高溫度。實(shí)驗(yàn)得出，該風(fēng)力計(jì)的風(fēng)速測量上限為13.7m/s，分辨率為 0.001 m/s，靈敏度為 1 nm/( m/s)。

 

        2017 年，Xu Jiang 等人[30]提出了一種利用光纖加熱的 FBG 流量傳感器。該傳感器通過測量 2 個 FBG 傳感器之間的溫度差來測量流體流量。其中一個 FBG 傳感器由溫度測量單元和加熱單元組成，在加熱單元中，引入了吸收涂層來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻加熱模塊，以#大程度地減少爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。來自 ASE 光源的 C 波段光被分成兩部分，其中一部分用于加熱吸收涂層；另一部分用于信號處理單元。另一個 FBG 傳感器則是只測量流體溫度的溫度傳感器。通過實(shí)驗(yàn)測試，該傳感器的流量分辨率為 0.77𝑚3/h，流速分辨率為 0.04m/s。

 

        2017 年，Yong Zhao 等人[31]設(shè)計(jì)了一種微探針型 FBG 流量計(jì)。該傳感器使用空心圓柱懸臂來測量流體沖擊力進(jìn)而測得流量，2 個 FBG 固定在懸臂的內(nèi)壁上，2 個 FBG 形成的面平行于流體流向。仿真和實(shí)驗(yàn)都驗(yàn)證了所提出的流量傳感器的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的流量計(jì)的穩(wěn)定性良好，使用分辨率為 1pm 的解調(diào)器時，該傳感器可用于測量 0-22.5𝑚3/h 的流量，分辨率為 0.81 𝑚3/h，準(zhǔn)確度為 3.6％ 。微探針型 FBG 流量計(jì)的 FBG 粘貼在懸臂的內(nèi)壁上，不會被流體沖擊，另外，由于該傳感器體積小，流體幾乎不會產(chǎn)生壓力損失。

 

2 結(jié)束語

        本文結(jié)合研究人員在 FBG 流量傳感技術(shù)上#近幾年的研究成果，詳細(xì)介紹了常見的基于FBG 的流量傳感器的傳感結(jié)構(gòu)和測量原理，可以明顯地看出 FBG 流量傳感器具有體積小、易制作、靈敏度高和抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)。未來，包括流量傳感器在內(nèi)的傳感器都會向微型化和多功能化方向發(fā)展，F(xiàn)BG 體積小，易與其它光纖器件連接使用，可以對流體進(jìn)行多參數(shù)測量，而且能進(jìn)行分布式實(shí)時測量，可以滿足流量測量領(lǐng)域未來發(fā)展的需求，因此隨著傳感技術(shù)和制造業(yè)的不斷進(jìn)步，基于 FBG 的流量傳感器在傳感器市場中必會占據(jù)一席之地。