變寬度懸臂梁的FBG流速傳感器.docx

1、DOI：10.13873/J.1000-9787(2017)04-0078-02變寬度懸臂梁的FBG流速傳感器收稿日期：2016-06-21變寬度懸臂梁的FBG流速傳感器收稿日期：2016-06-21基金項目：貴州省光子科學與技術創(chuàng)新人才團隊項目(2015)4017；貴州大學研究生創(chuàng)新基金資助項目(2016014)；貴州省社會發(fā)展公關項目(2013)3125預州省科技合作計劃項目(科合LH字:20167426號)黃鳳勤，江陽，田晶，白光富，吳廷偉(貴州大學物理學院，貴州貴陽550025)摘要：通過對光纖傳感器進行設計，提出了一種基于變寬度懸普梁的光纖(Bragg)光柵(FBG)流速傳感器。傳感

2、部分由不銹鋼材質的懸臂梁和粘貼在其特定位置上的FBG構成，懸臂梁采用等腰梯形和矩形相結合的外形結構設計，傳感頭兩部分之間的銜接不需要用銷子固定，整個傳感頭渾然一體，無額外附加重最，制作方法簡易，旦實驗設冒參考光柵，實驗結果不受溫度變化的影響實驗表明：傳感器的Bragg波長漂移雖與流速變化有很好的線性關系，傳感器的靈敏度為0.025m/s?？蓽y流速范圍為02m/s,傳感器不僅實現了對溫度的補償，而且提高精度、靈敏度。關鍵詞：光纖Bragg光柵(FBG)；懸臂梁；流速傳感器中圖分類號：TN043文獻標識碼：A文章編號：1000T787(2017)04P078P2FBGflowvelocitysen

3、sorbasedoncantileverwithvariablewidthHUANGFeng-qin,JIANGYang,TIANJing,BAIGuang-fu,WUTing-wei(InstituteofTechnologyPhysics,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)Abstract:AfiberBragggratii)g(FBG)flowvelocitysensorbasedoncantileverwithvariablewidthisproposed.Bydesign,theflowvelocitysensorwhichinducesth

4、ecantileverstructurewhichismadeofstainlesssteelmaterialsandFBGwhichistiedinthespecialspaceofthecantilever.Hiecantileverslructureconsistsofrectangleandtrapezoidandthetwopartsdonotneedpegtofixthemon,theheadofthedesignedsensordonotneedtoaddanyotherweight,andthefabricationmethodiseasy.TheseisareferenceF

5、BG,andtheexperimentalresultsarenotaffectedbytemperaturechanges.ExperimentalresultsindicatethatthereexistagoodlinearrelationshipbetweenthedriftingofthewavelengthoftheFBGandflowvelocity.Sensitivityoftheproposedsensoris,andthemeasuringrangeofflowvelocitysensoris02m/sapproximately.Thesensornotonlyrealiz

6、ecompensationoftemperature,butalsoimprovemeasurementprecisionandsensitivity.Keywords:fiberBragggrating(FBG);cantilever；flowvelocitysensor。引言在石油化工、航空航天、醫(yī)藥、能源計量、環(huán)境監(jiān)測等工業(yè)生產過程以及人們的R常生活中，流速和流量都是重耍的參量。流速、流量傳感器是流體參量檢測過程中不可缺少的裝說。使用最早的流速傳感器是機械轉子式的.這種傳感器技術較為成熟，由于機械結構的限制，其測量結果誤差大、精度低。后續(xù)出現r采用超聲波技術的流速測量儀'、采用電

7、磁波技術的流速測員儀以及采用聲學多普勒效應的流速測最儀等,雖然這些裝置測質精度相對較高，但由于其制造成本也比較高，而且很容易受到電磁干擾的影響光纖Bragg光柵(fiberBragggrating,FBG)廣泛應用于傳感領域*們，楊淑連等人利用雙FBG設計了流速傳感器，很好地實現了溫度補償,但是其設計較為復雜，且傳感頭用銷子固定存在附加重量。蔣善超利用FBG設計r流速和溫度共采的渦輪流速傳感器，該傳感器實現了多參數同時測屈，但其結構復雜，制作條件要求高。本文以FBG為敏感元件,提出一種基于變寬度懸臂梁的FBG流速傳感器，懸臂梁的設計采用梯形和矩形相結合的結構，整個組合懸皆梁是一個整體,矩形和梯

8、形之間不需要用銷于固定，無附加重時。采用慈臂梁組合結構，將懸臂梁的矩形大面積端置于待測流體中時，流體流速的沖擊力作用在流體中懸臂梁的這一端,對矩形迎流面的沖擊力將轉換成等腰梯形等強度懸臂梁自由端的撓度變形.使得粘貼在懸臂梁中軸線的FBG波長產生漂移,根據Bragg波長漂移極，可得流速信息，測得流速信號。傳感探頭體積小,防水性能好.制作簡易，基于全光信號設計，可對管道、裂隙等不同環(huán)境進行實時監(jiān)測。1FBG流速傳感器結構與原理本設計流速傳感器由不銹鋼材質的懸臂梁和粘貼在懸臂梁上的FBG組成，其結構的剖面如圖1(a)所示。FBG,用高性能內烯酸酯結構膠粘劑粘貼在距梁自由端軸心3.5cm處,FBG2一

9、端不粘貼自由放置，其敏感部件是基于不銹鋼材質的等強度等腰梯形懸臂梁結構與矩形結構迎流面組成，整個傳感結構鋼材是一個整體，不需要任何銜接部分，實驗中,懸臂梁參量為:長右為3.0cm,寬A%l.7cm,矩形的面積S為5.1cm?,梯形的上底為o.4cm,下底y為0.6cm,兩腰的於度z為3.5cm,懸臂梁的厚度b為0.05cmo不銹鋼材質的懸臂梁抗老化性能好，價格低廉，可長期使用，其性能穩(wěn)定，材質較薄，自身幣fit對懸臂梁的影響小;懸臂梁的等腰設計部分又避免了由于光纖光柵啊啾展寬使反射潛帶展寬而影響實驗結果。圖1流速傳感制面圖和傳艇測試方法簡圖(側視圖)傳感器測試簡圖如圖1(b)所示，應變FBG粘

10、貼在距離A點一定距離x(OWxWL)處的梁上表面，若在自由端點。施加一載荷P或通過流體受到沖擊力F,距離4點"處的位移應變、壓力應變表達式分別為(1)z、，P(L-x)h式中(常數)為在。點產生的撓度為。點的慣性矩(常數),5考察點的慣性矩。由式(1),若在。點處施加變化的壓力或者位移，在*處均能得到與之呈線性變化的應變。作用在懸臂梁矩形上的沖擊力為兒且力尸與流體流速的關系為(2)式中P為流體壓強,S為傳感器迎流面面積,p為流體的密度,Si為流體的流速,q、2為流體在迎流面表面的流速，其中迎流面表面流速為。由于水泵和水管的流速不容易控制，流速不穩(wěn)定，因此，實驗中用砥碼的重量呷替代水流

11、作用在懸時梁矩形迎流面上的沖擊力F的大小，即mg=*pSq：】(3)根據耦合模理論(”0),當滿足相位匹配條件時,光柵的Bragg波長為=2幾"(4)式中幾為纖芯的有效折射率M為光柵周期。由光纖光柵的傳感原理，外界溫度變化及應變£引起的FBG波長的漂移最為AAB=M+KrT(5)式中K,為光柵應變靈敏度,為光楹溫度靈敏度。根據材料力學理論當把酷碼置于懸臂梁矩形上時，懸臂梁中性層的縱向應變s為ff(m)=Komg(6)式中K為常系數°由式(5)、式(6)得A4b=5+K4(7)在溫度已得到補償的情況下，式(7)可化為AAb-Ktmg(8)將式(3)和式(8)聯立，得

12、到FBG波長的變化與流體流速恥的關系為入(9)由此可見,FBG反射波長的漂移量與流體流速的二次方成正比。只要測得Bragg反射波長的漂移量，就可以確定流體流速的大小。2實驗與數據分析2.1實驗光源采用ASE寬帶光源波長范圍15241599nm,從寬帶光源(ASE)發(fā)出的光經3dB耦合器進入實驗裝骨，與光柵中心波長一致的光被反射，從耦合器的另一端輸出，輸出光信號用光譜儀(OSA)進行監(jiān)測和測最，為抑制光纖的斷面反射,FBG的另一端浸入匹配液中。此實驗裝置可通過OSA測定不同壓力或流速F光榭的反射波長。實驗準備時，把壓力傳感裝置水平放置于自制的架子上并固定。將FBG均勻粘貼在等腰梯形懸臂梁的軸心。

13、fbg2亦粘于等腰梯形懸臂梁軸上同一側.此柵采用一端粘貼另一端不粘貼的方式，用于測量溫度變化°實驗時，向懸臂梁矩形部分加載應力，實驗中,FBG和FBG?中心波長分別為1549.8430,1544.9960nm.FBG解調儀波長解調范圍為15201620nm,精度為0.02nm,實驗在室溫條件下進行，溫度前后變化不足1°C，其由溫度引起的波長漂移小于OSA的精度0.02nmo圖2為FBG中心波長的漂移與破碼質量的擬合曲線圖，由圖2可知，與加載成碼質量m的關系為AAb=0.05412m一0.001554,擬合度為99.9%。該擬合曲線與理論分析的式(8)一致，即質量與Bragg

14、波長的漂移成正比線性關系。(下轉第83頁)missingtJ.BiomedicalandHealthInformatics,2015,19(1)；6-21.3,FrancineT.It*sallupinyourheadEB/OL'.http：//aboul/news/2015/8_april_2015.html:IEEE,2015.4,LiberaliG,FcdericiS,PasqualottoE.ExtracUngneurophysiologicalsignalsrefectingusers,emotionalandaffectiveresponsestoB

15、CIuse：Asystematicliteraturereview：J.NeuroRehabilitation,2015,37(3)：341-358.：5Ramos-MurguittldayA,BroetzD,ReaM,etal.Brain-machineinterfaceinchronicstrokerehabilitation:Acontrolledstudy，：J.AnnalsofNeurology,2013,74(1)：100108.6ChiYM,WangYT,WangY,etal.DryandnoncontactEEGsensorsformobilebrain-computerint

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17、263.8WangY,WangR,GuoX,etal.ApracticalVEP-base<lbraincomputerinterfaceJ.IEEETransactionsonNeuralSystemsandRehabilitationEngineering,2006,14(2)：234240.作者簡介：黃涌(1989-),男，碩士研究生，研究方向為微電子學與固體電子學，生物傳感器材料、腦電器件勺腦機接口應用系統相關。(上接第79頁)2468101214質fit/g圖2FBG中心波長的漂移與瑟碼質的擬合曲線綜合理論推導結論及實驗所得圖2可得，圖3為FBG中心波長的漂移與流速的擬合曲線圖

18、，入b與g“的關系為:心8=1始4徂-0.05515qvl+0.01411,擬合度為99.9%。該傳感器設置有參考光柵，可補償環(huán)境溫度的變化,可檢測的最小流速為0.025m/so流速/(m/s)圖3FBG中心波長的漂移與流速的擬合曲線3結論采用變寬度懸臂梁的傳感裝置,研制出一種溫度不敏感FBG流速傳感器，其動態(tài)感測范圍可達到02m/s,可分辨0.025m/s流速的變化。理論研究和實驗測員表明：利用此變寬度懸臂梁的傳感裝置可有效提高傳感裝置的探測靈敏度。同時懸臂梁的等腰設計部分又避免了由于FBG例啾使反射譜展寬而影響實驗結果的準確度。矩形和等腰梯形之間不需要用銷子固定，傳感頭無附加重鉞，本設汁可大幅提高傳感器的靈敏度、測量精度。參考文獻：1 梁嵐珍.陳志軍,王一波.旋槳式流速儀信號檢測器J.自動化儀表,2003,24(5):41-43.2 王艷彼，傅星，李正光，等.高精度的超聲波在線流鼠測昆：J】.計髭學報.2003,24(3)：202-204.