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(dòng)和流量[1]等參數的測量。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構、靈敏度高、抗電磁干擾[2] 、測量范圍寬且可靠性高、能實(shí)時(shí)監測并可分布式測量[3]、適用于輻射較大的場(chǎng)合以及強腐蝕性或易燃易爆的危險環(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)廣泛應用于電力系統領(lǐng)域[4-6]、航空航天領(lǐng)域[7]、醫學(xué)領(lǐng)域[8-10]、地質(zhì)勘探領(lǐng)域[11-12]和機械工程領(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(jiǎn)單、穩定可靠、易與系統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)中應用#廣泛、#簡(jiǎn)單的一種光纖無(wú)源器件。本文詳細介紹幾種基于 FBG的流量傳感器的測量原理和典型應用。

 

1 FBG 流量傳感器的測量原理和種類(lèi)

1.1 FBG 結合傳統流量計制作的 FBG 流量計

        傳統流量計主要包括靶式流量計、壓差式流量計、渦輪式流量計、渦街式流量計和 V型內錐式流量計等[16]，存在著(zhù)體積大、結構復雜、精度低和易受電磁干擾等缺點(diǎn)，而且，傳統流量計的測量系統大部分采用電信號，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(guò)光纖感知和傳輸測量信號的新型傳感技術(shù)[17]。利用 FBG 和傳統流量計結合，使用光信號替代電信號制作而成的新型 FBG 流量計則可以很大程度上克服傳統流量計的缺點(diǎn)。 

 

1.1.1 靶式 FBG 流量計 

        靶式 FBG 流量計的原理是當流體流動(dòng)沖擊靶片時(shí)，會(huì )使得連接靶片的懸臂梁產(chǎn)生應變，通過(guò)測量粘貼在懸臂梁上 FBG 中心波長(cháng)的漂移量就可以測出流量[18]。 2016 年，劉均等人[19]設計了一種基于傳統靶式流量計的三角形懸臂梁 FBG 流量計，其結構如圖 1 所示。他們將 2 個(gè) FBG 粘貼在三角形懸臂梁前后的中心線(xiàn)處，當懸臂梁彎曲時(shí)，面向流體的 FBG 長(cháng)度會(huì )變長(cháng)，而另一個(gè) FBG 會(huì )變短，這樣雙 FBG 的波長(cháng)漂移量之差就只受流量影響，與溫度無(wú)關(guān)，既解決了溫度應變的交叉敏感問(wèn)題，又能提高流量計靈敏度。實(shí)驗測試得出：所設計的流量計的可測量范圍為 0-3.96𝑚3/s，線(xiàn)性誤差僅為 0.31%，因此該結構的 FBG 流量計的精度很高。

 

        2018 年，Ri-qing Lv 等人[20]設計了一種用不銹鋼毛細管取代懸臂梁的靶式流量計。他們將雙 FBG 對稱(chēng)地粘貼在毛細管內壁的形變#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，該傳感器的覺(jué)對誤差小于 0.25𝑚3/h，精度為 2.27%。這種結構的雙 FBG 對稱(chēng)地粘貼在毛細管內部，既解決了溫度應變的交叉敏感問(wèn)題，又可以有效避免流體沖擊，便于封裝，也可以應用于一些具有腐蝕性的流體中。

 

        2020 年，張正義[21]設計了一種靶片和懸臂梁一體化的靶式 FBG 流量計結構，將 2 個(gè)相同的FBG沿中心線(xiàn)粘貼在等強度懸臂梁的兩側。通過(guò)FLUENT軟件對流量計進(jìn)行仿真模擬后，發(fā)現一體化結構的 FBG 靶式流量計比傳統靶式流量計對流體流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的影響小。實(shí)驗測試過(guò)程中，2 個(gè) FBG 的波長(cháng)偏移量之和為單個(gè) FBG 的兩倍，說(shuō)明一體化結構將傳感器的靈敏度增加了一倍，從實(shí)驗數據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 

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

 

        2012 年，王宏亮等人[23]設計了一種由文丘里管作為節流管的壓差式 FBG 流量計。文丘里管上有 2 個(gè)取壓孔，通過(guò)這 2 個(gè)取壓孔連接一個(gè)光纖光柵壓強機構。壓強機構由 2 個(gè)波紋膜片組成封閉結構，每個(gè)膜片的中心都與一個(gè)等腰三角形懸臂梁的頂點(diǎn)通過(guò)鋼銷(xiāo)子連接在一起，并采用 2 個(gè) FBG 對稱(chēng)地粘貼在兩個(gè)懸臂梁上。當 2 個(gè)膜片感受的壓力不同時(shí)，2 個(gè) FBG的波長(cháng)漂移量也不相同，通過(guò)測量漂移量差值就能得到流量。這種流量計結構解決了溫度與應變的交叉敏感問(wèn)題，提高了精que度。實(shí)驗驗證與理論分析結果相一致，實(shí)驗值和理論值的相對誤差為 2.9%。

 

        2014 年，李洪才等人[24]設計了一種內嵌噴嘴差壓式 FBG 流量計，其結構如圖 2 所示。他們選擇內嵌 ISA1932 標準噴嘴作為節流元件，流體經(jīng)過(guò)噴嘴后產(chǎn)生壓差，通過(guò)噴嘴兩側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(cháng)的偏移量就能壓差大小，進(jìn)而可以推導出流體流量的數值。在靜態(tài)差壓特性測試中，數據及擬合結果顯示擬合曲線(xiàn)斜率的均值為 0.712nm/MPa。在動(dòng)態(tài)流量測試中，實(shí)驗數據擬合曲線(xiàn)的系數為 0.226nm/(𝐿 ∕ 𝑠)2。所用解調儀的分辨率為 1pm，計算得出流量計的靈敏度為 0.067L/s。此流量計有一個(gè)缺陷：沒(méi)有消除溫度應變交叉敏感的影響。如果在膜片另一側也粘貼一個(gè) FBG，檢測波長(cháng)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 

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

 

        2014 年，蔣善超等人[26]設計了一種可以同時(shí)測量流速和溫度的渦輪式 FBG 流量計。該流量計利用渦輪實(shí)現了流體沖擊力對 FBG 中心波長(cháng)的頻率調制，實(shí)現了溫度和應變在頻率域上的區分，可以同時(shí)測量流速和溫度。由性能試驗數據可知：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。#后應用 EMD 分析 FBG 中心波長(cháng)的動(dòng)態(tài)信號得到溫度檢測精度為 0.5 ℃。從實(shí)驗結果可以看出該流量計能夠比較理想地實(shí)現同時(shí)測量流速和溫度 2 種參數。

 

        2016 年，Ya-fei Gu 等人[27]針對傳統渦輪流量計的測量下限太大，無(wú)法滿(mǎn)足小流量的測量問(wèn)題，提出了一種改進(jìn)型 FBG 渦輪流量計。渦輪的前導葉片經(jīng)過(guò)特殊設計，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)型流量計的理論模型，理論分析后得出結論：如果前導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到#小值，而流量計的靈敏度可以達到#大值。#后通過(guò)計算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）仿真驗證了結論的正確性。

 

        渦街式流量計和 V 型內錐式流量計在實(shí)際應用中有很大的缺點(diǎn)，比如渦街式流量計在流體流速太大或太小的時(shí)候都難以檢測到輸出信號；另外，渦街發(fā)生體長(cháng)時(shí)間使用會(huì )產(chǎn)生磨損，改變發(fā)生體尺寸，測量時(shí)就會(huì )產(chǎn)生極大誤差。V 型內錐式流量計存在危險，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 

        除了基于傳統流量計測量原理制作而成的 FBG 流量計，研究人員還使用其它測量原理或傳感結構研究出了其它不同種類(lèi)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(xiàn)式原理，用銀膜吸收泵浦激光的能量，提高初始溫度。當氣體經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，會(huì )帶走部分熱量，FBG 的中心波長(cháng)會(huì )產(chǎn)生漂移，測量出漂移量就可以測得氣體瀏量。為了保護FBG，他們在不銹鋼毛細管的中間制造一個(gè)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(guò)有限元方法（FEM）對不同類(lèi)型的傳感探頭進(jìn)行仿真后，其結果表明，直徑為 3 mm 的毛細管不銹鋼管和長(cháng)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的開(kāi)發(fā)奠定了良好的基礎。

 

        2015 年，趙學(xué)芳等人[29]設計了一種基于熱線(xiàn)式原理的 FBG 風(fēng)力計。風(fēng)力計的傳感結構由鍍有金屬銀膜的 FBG 和腰椎放大光纖構成。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)驗得出，該風(fēng)力計的風(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(guò)測量 2 個(gè) FBG 傳感器之間的溫度差來(lái)測量流體流量。其中一個(gè) 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(lái)代替傳統的電阻加熱模塊，以#大程度地減少爆炸的風(fēng)險。來(lái)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(gè) FBG 傳感器則是只測量流體溫度的溫度傳感器。通過(guò)實(shí)驗測試，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]設計了一種微探針型 FBG 流量計。該傳感器使用空心圓柱懸臂來(lái)測量流體沖擊力進(jìn)而測得流量，2 個(gè) FBG 固定在懸臂的內壁上，2 個(gè) FBG 形成的面平行于流體流向。仿真和實(shí)驗都驗證了所提出的流量傳感器的可行性。實(shí)驗結果表明，所提出的流量計的穩定性良好，使用分辨率為 1pm 的解調器時(shí)，該傳感器可用于測量 0-22.5𝑚3/h 的流量，分辨率為 0.81 𝑚3/h，準確度為 3.6％ 。微探針型 FBG 流量計的 FBG 粘貼在懸臂的內壁上，不會(huì )被流體沖擊，另外，由于該傳感器體積小，流體幾乎不會(huì )產(chǎn)生壓力損失。

 

2 結束語(yǔ)

        本文結合研究人員在 FBG 流量傳感技術(shù)上#近幾年的研究成果，詳細介紹了常見(jiàn)的基于FBG 的流量傳感器的傳感結構和測量原理，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(lái)，包括流量傳感器在內的傳感器都會(huì )向微型化和多功能化方向發(fā)展，FBG 體積小，易與其它光纖器件連接使用，可以對流體進(jìn)行多參數測量，而且能進(jìn)行分布式實(shí)時(shí)測量，可以滿(mǎn)足流量測量領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的需求，因此隨著(zhù)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(chǎng)中必會(huì )占據一席之地。