专利名称：基于光学自补偿结构的光纤流量传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于光纤流量测量技术领域，涉及一种基于光学自补偿结构的光纤流量传感器。
背景技术：
石油及油产品是我国的主要能源之一，而国家的大型油库，承担着国民经济建设各具体部门直接提供、储运、销售各种油料的繁重任务，因此油料收发量的安全、准确、自动计量，对于防止油库的意外灾难性事故，提高油库自动化管理水平及工作效率、减少商务纠纷等，都有重大经济及社会效益。我们急需开发一种能适应油库要求，绝对安全、准确可靠的流量自动测量装置。而流量传感器是直接获取流量信息，为油库自动化提供原始数据的第一个环节，是关系到油品计量准确与否的关键，具有广阔的应用前景。多年来，各国对油井油田流速的测量开展了广泛的研究和开发。目前，文献报道的光纤流量计主要有如下几种(1)光纤涡轮流量传感器；通过将周期性的反射光脉冲变为周期性的电脉冲信号，再检测出其频率而得到流量。( 光纤涡街流量传感器；涡街为基础的光纤流量传感器使用光纤作为感应元件，其振荡频率是受涡旋脱落影响，然而，低光弹系数的硅玻璃纤维限制了这种传感器的敏感性，因此，长传感光纤如果要保证它的敏感程度， 就会使得这个传感器极热不稳定，此外，脆弱的光纤必须被放置在通过管道横断面的地区， 这使得光纤很难部署。( 光纤多普勒流速传感器；这是对液体中的运动粒子产生的散射波的多普勒频移的检测，这种类型的流量传感器不能用于高密度的颗粒流体，且这些传感器通常体积大，有一个复杂的信号处理系统。(4)靶式光纤光栅流量传感器；它是基于光纤光栅的原理，通过检测反射波长的变化量而得出流量。总之，光纤流量传感器技术已经得到较为广泛地研究，但是目前的各类检测技术大都局限在实验室研究阶段，随着经济的迅速发展，各行各业对石油资源的需求越来越大， 因此，研制高精度、高准确度的光纤流量传感器装置对对社会、国民经济有着重大意义。
发明内容
本发明的目的是针对传感器应用中的温度-应变交叉敏感性问题，提供一种用于油井油田流速检测的高灵敏度和高准确度的光纤流量传感器。该研究将解决油田流速检测、检测灵敏度和准确率的提高及传感器长期稳定性的改善等困扰当前光纤流量传感器的关键问题。本发明的技术方案是根据对光纤流量传感技术的研究和应用现状、主要问题和弊端的分析，对能够实现流速检测和自动计量的新型光纤流量传感器的技术参数、研究指标及主要工作单元进行系统设计，研制出新型补偿结构的双FBG流量传感器。该光纤布拉格光栅流量传感系统(参见图1)由三个部分组成，包括光源、光电信号采集系统和传感头部分。光源采用宽带光源；光电信号采集系统主要为光谱仪及与其相连的计算机；传感头部分用于油井油田流速的监测，并可以消除高温、高压等干扰。采用双FBG结构，将每根FBG的
3两端分别粘贴固定于悬臂梁一侧，在两半圆柱壳体剖面分别开出悬臂梁宽度大小的凹槽， 用壳体固定悬臂梁，壳体直径应小于管道直径，使传感头部分能方便的进出管道上端测量流速的开口(参见图幻。使用一个分光比为50 50的狄2光纤耦合器，来自宽带光源的光经过耦合器到达两个FBG，FBG反射的光信号经耦合器返回后被光谱仪检测。当流体在管道中流动形成的力作用到悬臂梁上，使得粘贴在悬臂梁两边的FBG发生形变，从而使FBG的反射波波长发生改变，对着流体方向的光栅中心波长变大，背着流体方向的光栅中心波长变�。ü礁鯢BG之间的相互补偿，消除了温度变化的影响。通过检测两FBG反射波波长改变的大小即可计算外界流速的大�。獾昧髁康拇笮�。本发明的效果和益处是，通过两个FBG之间的相互补偿，消除了温度变化的影响， 从而能够自动补偿外界环境温度对传感器系统的影响，具有结构简单、体积小、抗干扰能力强、长期漂移小、测量精度高等优点，能在高温、高压、强电磁干扰的恶劣工业环境下实现流
量测量。
图1是传感系统的组成结构示意图。图中1宽带光源；2光谱仪；33dB耦合器；4流体；5管道；6悬臂梁；7双FBG。图2a)是双FBG传感头各部分的三维视图；b)是双FBG传感头部分整体的三维视图。图3是不同速度下波长漂移与悬臂梁长度、厚度三维关系图。图4是理论模拟补偿前两光栅中心波长漂移与流速关系图。图5是理论模拟补偿后光栅中心波长漂移与流速关系图。图6是实验室测量补偿前两光栅中心波长漂移与流速关系图。图7是实验室测量补偿后光栅中心波长漂移与流速关系图。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。在图1中，分光比为50 50的2x2光纤耦合器3 —侧与宽带光源1、光谱仪2相连，另一侧与双FBG7串联，光谱仪型号AQ6317C，接收光谱范围600 1750nm，分辨率为 0. 05nm。来自宽带光源的光经过3dB耦合器3到达两个FBG7，由双FBG反射的光信号经相同的耦合器返回后被光谱仪检测。当流体4在管道5中流动形成的力作用到悬臂梁6上， 使得粘贴在悬臂梁6两边的FBG7发生形变，从而使FBG7的反射波波长发生改变，对着流体方向的光栅中心波长变大，背着流体方向的光栅中心波长变小，两FBG7中心波长变化受外界温度影响相同，可实现温度自补偿。在两半圆柱壳体剖面中间开有悬臂梁宽度大小的凹槽便于固定悬臂梁，图2a)是双FBG传感头各部分的三维视图；b)是双FBG传感头部分整体的三维视图。模拟不同流速下，波长漂移与悬臂梁长度、厚度之间的三维关系，如图3所示。图4 和图5为理论模拟补偿前后长17. 5mm,宽4. 0mm，厚为0. 24mm的规则长方体形悬臂梁两边相同中心波长的光纤布拉格光栅中心波长漂移随流速变化关系图。模拟流体介质为水，密度为 1000kg/m3。
使用直径15mm的水管，并将流量开关旋转至不同位置来表示水流的大小，由小到大分别记为1、2、3、4档。图6和图7为悬臂梁两FBG波长漂移与流速变化示意图。图7拟合曲线方程为Δ λ 1 = 0. 128ν-0. 011和Δ λ 2 = -0. 088ν+0. 005 ；右拟合曲线方程为Δ λ =0. 219ν+0.(^8。其中Δ λ为光栅中心波长漂移量。
权利要求
1.一种基于光学自补偿结构的光纤流量传感器，其特征是该传感头部分，由两根光纤布拉格光栅(FBG)、悬臂梁和壳体组成，两根布拉格光栅分别固定在悬臂梁两侧，再用壳体粘贴固定悬臂梁，壳体直径小于管道口直径。
2.根据权利要求1所述的基于光学自补偿结构的光纤流量传感器，其特征是悬臂梁长17. 5mm,宽4. Omm,厚为0. 24mm,为规则长方体。
3.根据权利要求1所述的基于光学自补偿结构的光纤流量传感器，，其特征是壳体是由一个圆柱体平分为两个半圆柱体，壳体剖面有悬臂梁宽度大小的凹槽。
全文摘要
基于光学自补偿结构的光纤流量传感器，属于光纤流量测量技术领域。其特征是传感头部分采用悬臂梁结构，在悬臂梁两侧上分别固定一根FBG探头，该探头通过光纤与信号处理器相连。当流体流动形成的力作用到悬臂梁上，粘贴在悬臂梁两边的FBG发生形变，从而使FBG的反射波波长发生改变，对着流体方向的光栅中心波长变大，背着流体方向的光栅中心波长变小，通过两FBG之间的相互补偿，消除了温度变化的影响，从而能够自动补偿外界环境温度对传感器系统的影响。本发明的效果和益处是具有结构简单，质量轻，体积�。皇苋芤和干渎视跋斓扔诺悖茉诟呶�、高压、强电磁干扰的恶劣工业环境下实现流量测量。
文档编号G01F1/20GK102261934SQ201110096420
公开日2011年11月30日 申请日期2011年4月7日 优先权日2011年4月7日
发明者姚文娟, 彭伟, 荆振国 申请人:大连理工大学
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