流量被稱為過程控制中的三大參數(shù)之一，作為流量測量的傳感器在工業(yè)生產(chǎn)過程中應(yīng)用極其廣泛。由于在石油和天然氣的開發(fā)開采、提純處理、儲存運輸和銷售過程中，需要的流量傳感器數(shù)目巨大，其中有些流量傳感器涉及到的結(jié)算金額數(shù)字巨大，對流量傳感器的準(zhǔn)確度和可靠性要求十分高，因此在石油和天然氣工業(yè)中，其計量尤為被人們關(guān)注。此外，在蒸汽、氧氣、氮氣和水等的計量中，也要使用大量的流量傳感器，其中很大一部分用于貿(mào)易結(jié)算，準(zhǔn)確度必須滿足guojia的標(biāo)準(zhǔn)，這對流量傳感器提出了很高的要求。
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：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[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)流量計制作的 FBG 流量計
傳統(tǒng)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(nèi)錐式流量計等[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，而且，傳統(tǒng)流量計的測量系統(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)流量計結(jié)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(tǒng)流量計的缺點。
1.1.1 靶式 FBG 流量計
靶式 FBG 流量計的原理是當(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)計了一種基于傳統(tǒng)靶式流量計的三角形懸臂梁 FBG 流量計，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，又能提高流量計靈敏度。實驗測試得出：所設(shè)計的流量計的可測量范圍為 0-3.96𝑚3/s，線性誤差僅為 0.31%，因此該結(jié)構(gòu)的 FBG 流量計的精度很高。
2018 年，Ri-qing Lv 等人[20]設(shè)計了一種用不銹鋼毛細(xì)管取代懸臂梁的靶式流量計。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)計了一種靶片和懸臂梁一體化的靶式 FBG 流量計結(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 靶式流量計比傳統(tǒng)靶式流量計對流體流動時產(chǎn)生的影響小。實驗測試過程中，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，從實驗數(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
壓差式 FBG 流量計的原理是使用節(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)計了一種由文丘里管作為節(jié)流管的壓差式 FBG 流量計。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。實驗驗證與理論分析結(jié)果相一致，實驗值和理論值的相對誤差為 2.9%。
2014 年，李洪才等人[24]設(shè)計了一種內(nèi)嵌噴嘴差壓式 FBG 流量計，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，實驗數(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，計算得出流量計的靈敏度為 0.067L/s。此流量計有一個缺陷：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
渦輪式 FBG 流量計的原理是當(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)計了一種可以同時測量流速和溫度的渦輪式 FBG 流量計。該流量計利用渦輪實現(xiàn)了流體沖擊力對 FBG 中心波長的頻率調(diào)制，實現(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 ℃。從實驗結(jié)果可以看出該流量計能夠比較理想地實現(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。渦輪的前導(dǎo)葉片經(jīng)過特殊設(shè)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(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，而流量計的靈敏度可以達(dá)到#大值。#后通過計算流體動力學(xué)（CFD）仿真驗證了結(jié)論的正確性。
渦街式流量計和 V 型內(nèi)錐式流量計在實際應(yīng)用中有很大的缺點，比如渦街式流量計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(tǒng)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(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)計了一種基于熱線式原理的 FBG 風(fēng)力計。風(fēng)力計的傳感結(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。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(shè)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。仿真和實驗都驗證了所提出的流量傳感器的可行性。實驗結(jié)果表明，所提出的流量計的穩(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。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。
關(guān)注我們 實現(xiàn)共贏