第３７卷第３期 ２０１０年９月 Ｖｏ１．３７，Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．，２０１０ 文章编号：１０００—９８３３（２０１０）０３—０１００—０３ 基于光纤光栅的多参量流体测量系统 张少先，吕国辉 （黑龙江大学电子工程学院，哈尔滨１５００８０） 摘要：提出了一种以光纤光栅传感器为核心单元的多参量流体测量系统，通过不同结构封装实现应用光纤光栅对流体的温度、 压力和流量３个重要参量的测量，这几个不同参量的光纤光栅传感器通过串联组网接人到高速光纤光栅解调系统，实现 动态高精度测量。实验标定表明传感器具有良好的线性和重复性，测量系统的分辨率和精度完全满足流体参量测试的要 求，在水利和化工领域的流体在线监测中具有重要的应用价值。 ｍ 黑 Ｈ 关键词：光纤光栅；传感器；多参量流体：测量系统 中图分类号：ＴＰ２１２．９ 文献标识码：Ａ 龙 江 ｎ ｔｉ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇｅ Ｇｒａｔｉｎｇ ｌ吾 ＭｕｌＺＨＡＮＧ Ｓｈａｏ－ｘｉａｎ．ＬＵ Ｇｕｏ－ｈｕｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｌｌｏｎａｌｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ。Ｈａｒｂｉｎ １５００８０，Ｃｈｉｎａ） 水 专 学ｋ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｆｌｕｉｄ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ （ＦＢＧ）ｓｅｎｓｏｒ ｐａｃｋａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｆｌｏｗ．Ｔｈｅ ＦＢＧ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｒｅ ｓｅ— 报 ｒｉｅｓ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｓｙｓｔｅｍ，ａｃｈｉｅｖｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ．Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｘｐｅｒｉ— ｍｅｎｔ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｐｅａｔｅｄｌｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ＦＢＧ ｓｅｎｓｏｒ．Ａｌｌ ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅ ａｒｅ ｂｒｏａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｉｎ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｎｃｙ ｐｒｏｊ ｅｃｔｓ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ｆｉｅｌｄｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＦＢＧ；ｓｅｎｓｏｒ；ｍｕｌｔｉ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｆｌｕｉｄ；ｍｅａｓｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ０引 言 及智能材料与智能基础设施等方面。这类新型的光 纤传感器具有灵敏度高、动态响应范围宽、结构紧 凑、可靠性高、体积小、重量轻等独特的优点，可以组 网实现分布式和多参数测量。 在石油、化工和水利工程等领域中，流体的温 度、压力和流量是必须监测的关键参数，计量设备的 可靠性是工业生产和运营的基本保障。传统流量计 量的手段是应用热敏电阻测量温度，应用机械膜片 本文采用光纤光栅做为流体参量测量传感器的 核心单元，设计制作了３种不同封装的传感器，通过 波分复用实现温度、压力和流量３个参量的同时测 量，构建了一种新型的流体参量实时计量系统。 １流体参数计量系统组成 仪表测量压力，采用电磁流量计实现流量的计量。 这些测量仪表的参数很难由一台仪器完成，并且在 实际应用中，电子类的传感器易受电磁干扰、抗腐蚀 和耐久性不够理想，亟待有一种新型的计量系统替 代传统的流量计量手段。 光纤光栅是一种新型的无源器件。在１９７８年， 基于光纤光栅的流体计量传感系统主要由光纤 光栅传感器和高速波长解调仪两大部分组成，传感 由加拿大通信研究中心的Ｋ．０．Ｈｉｌｌ等人首次研 制了世界上第一个光纤光栅，掀起了光纤光栅传感 技术应用的浪潮ｌ１ ］。近年来，光纤光栅的应用主要 集中在温度测量、压力监测、振动测量、生物医药以 器包括：光纤光栅温度、压力和涡街流量传感器，传 感器之间采用串联方式，构成波分复用网络。传感 器结构见图１。位置１处表示光纤光栅温度传感 器，安装在一个钢管内部，由毛细钢管封装，直接测 量管道中流体的温度，采用伸人管道内部的安装方 式可以减少环境温度对流体温度测量的影响。位置 收稿日期：２０１０—０７—０８ 作者简介：张少先（１９８８～），女，黑龙江哈尔滨人，本科，光电子专 业；通讯作者：吕国辉（１９７２一），男，黑龙江宁安人，副教授，博士，主要 从事光电子方面的研究。 １处的钢管还有将流体的压力引入到位置２处的压 力传感器的用途，通过不锈钢封装的膜片式压力传 感器实现对流体的压力传感。 第３期 张少先，等．基于光纤光栅的多参量流体测量系统 １０１ 光纤光栅流量传感器直接通过不锈钢法兰安装 入射到光电探测器上进行光电转换，由ＡＲＭ微处 在涡街产生装置上，在涡街产生装置的作用下，采集 到涡街产生的频率，再通过高速动态波长解调仪，解 调出光纤光栅的受力频率，即感测出涡街产生的频 率，由涡街产生的频率就可以计算出流体的流速，通 过流速又可以计算出流体的体积流量，由于通过卡 门涡街原理测量流量与被测介质的压强和温度无 理器进行数据采集处理，经过运算最后将测量的波 长值显示在液晶显示屏上。系统中采用了高灵敏度 的ＰＩＮ光电探测器探测传感光信号，用ＦＰＧＡ可编 程器件与ＡＤＣ芯片接口测量光电转换信号，高速 的并行ＡＤＣ将模拟量转换后经过预处理，计算出 的波长值由ＡＲＭ控制的键盘和液晶显示接口进行 关，所以只要计算出体积流量，就可以直接计算出质 显示和网络数据传输。波长解调仪有１６个通道，波 量流量。 图１流体参数计量系统的组成 Ｆｉｇ．１ Ｆｌｕｉｄ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ 高速波长解调仪是流体参数测量系统的关键组 成部分，它完成光纤光栅温度、压力和流量传感器波 长信号的实时采集和处理的功能。为保证系统的测 量精度和涡街流量传感器的测量速度，本文采用课 题组自主开发的高速多通道光纤光栅解调仪对流体 多参量进行动态的解调，仪器的波长分辨率１ ｐｍ， 扫描速度５００ Ｈｚ，解调仪的功能见图２。 图２高速光纤光栅解调仪的功能框图 Ｆｉｇ．２ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｆｒａｍｅ ｃｈａｒｔ ｏｆ Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ 图２为多通道的扫描激光解调方案，多通道有 利于传感器数量的扩展。采用的激光光源具有很高 的信噪比，不受因传感网络分布较广、测点较多引起 光强下降而影响测量精度。当可调谐激光扫描光纤 光栅传感阵列时，由光纤光栅传感器反射的光信号 长扫描范围可达８０ ｎｍ，每个通道可接人２Ｏ个光纤 光栅传感器，各通道可以同步采集，无时间延迟，非 常适于传感器的动态测试。 ２多参量传感器的标定参数 光纤光栅传感器在使用前需要进行标定测试， 下面分３个部分介绍光纤光栅温度、压力和流量传 感器的制作方法和标定结果。 ２．１温度传感器 光纤光栅温度传感器采用细不锈钢管封装，内 部灌注导热的硅脂，保证温度的均匀性。光纤光栅 Ⅲ 温度传感器为单端传感器，其输出端直接与压力传 感器串联。本文中设计制作的温度传感器的标定参 数见图３，从室温到接近１００。Ｃ的范围内具有良好 的线性。 Ｅ 口 、 ２０ ３Ｏ ４０ ５０ ６０ ７０ ８０ ９０ １００ 温度／℃ 图３光纤光栅温度传感器的温度波长特性曲线 Ｆｉｇ．３ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｗａｖｅ ｌｅｎｇｔｈ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ２．２压力传感器 光纤光栅压力传感器是采用平膜片结构设计的新 型流体压力传感器。流体由不锈钢管直接作用于压力 传感器的平行移动的钢膜片上，膜片的平行位移推动 粘接有光纤光栅的悬臂梁结构，实现压力参量转换到 膜片位移，最终引起粘接于悬臂梁上的光纤光栅的应 力的变化。实验上，通过精密标定系统实现了压力传 感器的标定，具体标定数据见图４。该压力传感器的灵 敏度为１７．１ ｆｍ／Ｐａ，具有极高的灵敏度。 ２．３涡街流量传感器 光纤光栅涡街流量传感器是将光纤光栅粘接于 １０２ 黑龙江昌 、岳ｌ矗 ｏ ≥ｒ ５ ５ ５ ５ ５ ５ ３ ３ ３ ３ ３ ３ ９ ９ ９ ９ ９ ９ ６ ５ ５ ４ ４ ３ Ｏ ５ Ｏ ５ Ｏ ５ ０ ２ ４ ６ ８ ｌ０ ｌ２ １４ Ｐｆｅｓｓｕｒｅ，ｋＰａ 图４光纤光栅压力传感器的标定曲线 Ｆｉｇ．４ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ 钢制的不锈钢片上，通过不锈钢法兰结构安装于管 道的外壁上，利用传统梯形涡街信号发生体产生流 量涡街信号，当流体经过涡街发生体时会产生冲击 光纤光栅传感器的流体涡街信号，流体的冲击直接 调制光纤光栅的中心波长。传统的涡街流量信号由 压电陶瓷探测涡街信号，这种电荷传感器极易受到 电磁干扰而影响测量的精度，而采用光纤光栅的原 理完全可以避免电磁干扰的影响，实现高精度测量， 标定曲线见图６，具有良好的线性。Ｎ ＼ ｕｃ ；ｇ葛 伽 姗瑚瑚 ㈣如ｏ 苣三 图５光纤光栅安装悬臂梁和法兰结构示意图 Ｆｉｇ．５ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ ｂｅａｍｓ ａｎｄ ｆｌａｎｇｅ ｓｔｒｕｅｔｔｕｒｅ 水专 学报 第３７卷 ２００ ４００ ６００ ８００ ｌ ０００ ｌ ２００ Ｆｌｏｗｒａｔｅ（ｍ’／ｈ） 图６流量与涡街频率之间的线性曲线 Ｆｉｇ．６ Ｆｌｏｗ ｒａｔｅ－ｖｏｒｔｅｘ ｓｔｒｅｅｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｃｕｒｖｅ ３结论 本文应用光纤光栅传感器设计了流体温度、压 力和流量的动态测量系统，采用高速多通道光纤光 栅解调仪对多参量传感器阵列进行解调，通过温度、 压力和流量标定实验测试，得到了多个参量传感器 良好的线性关系，这种基于光纤光栅的流体多参量 测量系统具有本质安全、结构简单、易于组网的独特 优点，适于石化和水利领域的流量计量，具有广阔的 应用前景。 参考文献： ［１］ Ｋ．Ｑ Ｈｉｌｌ， Ｆｕｊｉｉ，ｎ Ｃ Ｊｏｈｎｓｏｍ，ｅｔ ａ１．Ｐｈｏｔｏｓｅｎｓｉｔｉｖｉｒｙ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｆｉｌｔｅｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉ０ｎ［Ｊ］．Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．１９７８（３２）：６４７—６４９． ［２］张伟刚，涂勤昌，孙磊，等．光纤光栅传感器的理论设计及应 用的最新进展［Ｊ］．物理学进展，２００４，２４（４）：３９８—４２３． Ｅ３］陈代英．基于光纤光栅差压式流量传感器的设计ＥＤ］．北京：北 京化工大学，２００７． ［４］ Ｚｈａｏ Ｙｏｎｇ，Ｃｈｅｎ Ｋｕｎ，Ｙａｎｇ Ｊｉａｎ．Ｎｏｖｅｌ Ｔａｒｇｅｔ Ｔｙｐｅ Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｓ ＥＪ］．Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，２００５，（３８）：２３０—１３５． Ｅ５３闻光辉，柯英宇，程杰，等．光纤光栅内锥式流量计的研究 ＿Ｊ］．仪器仪表用户，２００８，１５（４）：９－１１． ［６］李红民，高宏伟，刘波，等．一种新型的光纤光栅涡街流量传 感器＿ｊ］．传感技术学报，２００６，１９（４）：５ ９ｌ１—７ ９ｌ１．
