利用光纖布拉格光柵( fiber Bragg grating，FBG) 對(duì)應(yīng)力敏感，設(shè)計(jì)了一種流量傳感裝置。置于流體中的靶片感受到流體的沖擊力，使 FBG 發(fā)生軸向應(yīng)變，從而引起 FBG 反射譜發(fā)生變化，可用于一定范圍內(nèi)對(duì)液體流量的實(shí)時(shí)測(cè)量。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 Bragg 波長(zhǎng)改變量與流量呈現(xiàn)良好的平方關(guān)系，進(jìn)行二項(xiàng)式擬合，其相關(guān)系數(shù)為 0. 996。該 FBG 流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，在***大流量處的靈敏系數(shù)為 5. 31 L·min－1 /nm，－1 ， －1精度系數(shù)為 0. 11 L·min 測(cè)量范圍為 0 ～ 4. 5 L·min.

光纖光柵是近年來(lái)出現(xiàn)的一種性能優(yōu)良的光學(xué)無(wú)源器件，具有柔軟性好、精度高、抗電磁干擾強(qiáng)和易于加工等優(yōu)良物理性能。它是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯上建立的一種空間周期性折射率分布，其作用在于改變或控制光在光纖中的傳播行為和方式。其中光纖布拉格光柵 ( fiber Bragg grating，FBG)對(duì)溫度和應(yīng)力極為敏感，通過(guò)檢測(cè) FBG 反射波長(zhǎng)的變化反映外界溫度和應(yīng)力的變化，能夠有效地監(jiān)測(cè)溫度、應(yīng)力、形變等物理量。其工作原理是在滿足相位匹配的條件下，使共振波長(zhǎng)模式之間發(fā)生耦合來(lái)達(dá)到波長(zhǎng)的選擇。光纖光柵傳感器就是依此原理發(fā)展起來(lái)的一種波長(zhǎng)調(diào)制型光學(xué)傳感器，光纖光柵傳感技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建筑結(jié)構(gòu)、航空航天以及科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域，特別適合在易燃易爆等復(fù)雜環(huán)境下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景.

流量是工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、運(yùn)輸計(jì)量中的一個(gè)非常重要的指標(biāo)。使用***早、應(yīng)用***廣的流量計(jì)是機(jī)械式的和電磁式的，但往往會(huì)受到環(huán)境、體積的限制，有測(cè)量誤差較大、易受電磁干擾、使用成本較高、測(cè)量范圍小等缺點(diǎn)。FBG 流量計(jì)則是利用流量的變化使 FBG 反射光波長(zhǎng)發(fā)生變化，它不受電磁干擾、環(huán)境對(duì)波長(zhǎng)的影響很小、尺寸小、重量輕，使得光纖光柵流量計(jì)成為近幾年的研究熱點(diǎn) 。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)光纖光柵流量傳感器作了大量研究，但大多結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，信號(hào)提取較為困難。本文提出一種基于應(yīng)力敏感的光纖布拉格光柵流量計(jì)，它是利用 FBG 對(duì)應(yīng)力敏感設(shè)計(jì)而成，將圓形靶片置于流體中，感受與流體流量成確定關(guān)系的水流的沖擊力，引起光纖光柵的 Bragg 波長(zhǎng)發(fā)生位移，通過(guò)測(cè)量 FBG 的波長(zhǎng)變化來(lái)檢測(cè)液體的流量信號(hào)。該流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，光纖光柵探頭體積小、防水性能好，可實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1.光纖布拉格光柵流量計(jì)原理

根據(jù)光纖耦合模理論,FBG 的中心波長(zhǎng)滿足

 2.光纖布拉格光柵流量計(jì)的制作

2.1光纖光柵探頭的制作

普通單模光纖( Corning SMF － 28) 經(jīng)高壓載氫 7 天，利用準(zhǔn)分子激光器 ( 德國(guó) ATL 公司，ATLEX － 300SI) 和自行研制的光纖光柵刻寫系統(tǒng)，采用相位掩模法在載氫光纖上刻寫一個(gè)光纖布拉格光柵( FBG) ，選取的相位掩模板周期為 1066. 41 nm，柵區(qū)長(zhǎng)度為 1 cm，光纖光柵的 Bragg 波長(zhǎng)為 1541. 0 nm，其 3 dB 帶寬為 0. 18 nm，反射率為 0. 9，將刻好的 FBG 置于 110℃ 烘箱中作退火處理以確保實(shí)驗(yàn)時(shí)有較好的穩(wěn)定性。

光纖光柵探頭的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，它是由裸 FBG和圓形靶片組成。其中裸 FBG 的外表面用彈性透明中性硅酮密封膠均勻涂覆，以避免其在流動(dòng)液體的沖擊下可能發(fā)生的斷裂。FBG 的末端連接一塊圓形金屬靶片，采用 502 膠粘接放置 1 天讓其徹底固化。連接時(shí)使圓形靶片垂直于光纖光傳導(dǎo)方向。

2. 2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

基于應(yīng)力敏感的光纖布拉格光柵流量計(jì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 2 所示，由測(cè)試用 ASE 寬帶光源、AQ6370C 光譜分析儀、光纖光柵探頭、光環(huán)行器、水泵、流量調(diào)節(jié)器和管道等組成。光環(huán)行器的端口 1 接 ASE 寬帶光源，端口 2 接光纖光柵探頭，經(jīng) FBG 反射的光返回到端口 2 后，光環(huán)行器的端口 3 接 AQ6370C 光譜分析儀輸入端，顯示 FBG 的反射光譜。ASE 寬帶光源的波段為 1525nm 至 1605 nm，AQ6370C 光譜分析儀 ( 日本 Yokogawa 公司) 的分辨率為 0. 02 nm。

將光纖光柵探頭放置于待測(cè)液體的管道中，使圓形靶片與流經(jīng)的液體流速方向垂直，液體管道豎直放置，管道的內(nèi)徑為 10 mm，由流速等于流量除以橫截面積，可對(duì)流量和流速兩個(gè)物理量之間進(jìn)行換算。為得到穩(wěn)定的流速，將 12 V 直流功率 30 W 的微型潛水泵浸沒(méi)于水槽中，液體由潛水泵壓入管道中。由流量調(diào)節(jié)器控制液體流量的大小，流量的值由量筒和秒表測(cè)出: 在保持流量調(diào)節(jié)器位置不變的情況下，讀出量筒刻度的變化，則量筒中液體體積的變化除以時(shí)間即為流量的值。

3.流量測(cè)試及結(jié)果分析

按圖 2 搭建光路和裝置，保持水槽溫度 26℃ 不變，在 1 標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的蒸餾水中，將水泵完全浸沒(méi)于液體中，打開測(cè)試用的 ASE 寬帶光源，由 AQ6370C 光譜分析儀監(jiān)測(cè)在不同流量下的 FBG 反射光譜。發(fā)現(xiàn)當(dāng)管道中的流量逐漸增大時(shí)，光纖光柵的 Bragg 波長(zhǎng)不斷向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，圖 3 給出流量分別為 0 和 4. 5 L·min－1 下的 FBG 反射光譜，可見(jiàn) FBG 反射光譜有明顯的移動(dòng)，流量越大，Bragg 波長(zhǎng)越大。按照 3dB 讀數(shù)法，可直接在光譜分析儀上讀出不同流量下 FBG 反射譜的 Bragg 波長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表 1。

根據(jù)表 1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出該 FBG 流量計(jì)的 Bragg 波長(zhǎng)隨液體流量的變化曲線如圖 4 所示，經(jīng)二項(xiàng)式曲線擬合，Bragg 波長(zhǎng)與流量 q 之間的關(guān)系式為:

其相關(guān)系數(shù) Ｒ2 為 0. 996。造成誤差的原因有流量計(jì)的機(jī)械尺寸誤差、量筒讀數(shù)誤差、流量調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定性以及靶片置于流體中導(dǎo)致振動(dòng)等造成的誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與液體的密度、圓形靶片的尺寸、液體管道內(nèi)徑以及環(huán)境溫度等因素有關(guān)，該流量計(jì)的測(cè)量范圍為 0 至 4. 5 L ·min－1 ，在***大流量處的靈敏系數(shù)為

 5. 31 L·min－1 /nm。由光譜分析儀的分辨率為 0. 02 nm，得到精度為 0. 11 L·min－1 。

4.結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種基于應(yīng)力敏感的光纖布拉格光柵流量計(jì)，通過(guò)置于流體中的靶片感受到不同流量下的沖擊力，使 FBG 發(fā)生軸向應(yīng)變，從而引起光纖光柵的 Bragg 波長(zhǎng)發(fā)生變化，可對(duì)一定范圍內(nèi)的液體流量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示 Bragg 波長(zhǎng)與流量成平方關(guān)系，對(duì)曲線進(jìn)行了二項(xiàng)式擬合，其相關(guān)系數(shù)為 0. 996。該流量計(jì)的測(cè)量精度為 0. 11 L ·min－1 。

測(cè)量范圍為 0 至 4. 5 L·min－1 。對(duì)流量調(diào)節(jié)器、水泵的功率等作出適當(dāng)改進(jìn)后可以增大其測(cè)量范圍。該流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，具有靈敏度高、尺寸小、重量輕、抗電磁干擾等特點(diǎn)。