時月佳 蔣立洲

摘 要：基于光纖光柵的傳感器是光纖光柵做敏感元件的功能型光纖傳感器，光纖傳感技術是將外界參數轉換成光學信號后進行測量的一種方法，這種方法精度高、頻率范圍廣、電氣絕緣、與機械式和電氣式相比具有很多的優(yōu)點。

因此，本篇論文主要設計并實現了一種新型光纖光柵風速傳感器，該傳感器以光纖布拉格光柵為敏感元件，通過懸臂梁結構，將壓力轉換為懸臂梁應變，通過將光纖光柵粘于懸臂梁上，可將壓力轉換為光纖光柵軸向應變，通過解調光柵的中心波長漂移即可得到壓力大小。

關鍵詞：光纖光柵，風速傳感器，懸臂梁，溫度應變交叉敏感

1引言

光纖光柵傳感器是一種新型光感傳感器，它通過利用光纖光柵反射或透射波中心波長的漂移量來計算所監(jiān)測的物理量和化學量，包括溫度、應力和與之相關的濕度、壓力等。光纖光柵傳感器具有精度高、體積小、量程大、抗干擾性強和可植入性等優(yōu)點。

目前對光纖光柵增敏的結構主要分為三類：彈簧管式，平面膜式，懸臂梁式。彈簧管式壓力傳感器是將光纖光柵的光柵區(qū)放于彈簧管，彈簧管受壓力產生形變，進而傳遞給光纖光柵，此類傳感器體積大，損耗高。平面膜片式壓力傳感器是將光纖光柵粘于膜片表面，由于材料和結構的限制，目前使用的膜片式光纖光柵傳感器精度不高，量程較小。懸臂梁式壓力傳感器是把光纖光柵固定在懸臂梁一端，懸臂梁起到增敏效果。本文采用的是懸臂梁式，通過對懸臂梁的應變測量從而測量出風速的大小。

2風速傳感器的分類

目前，市面上的風速傳感器主要分為，機械式風速儀、超聲波測速儀、多普勒測速儀、熱線熱膜風速儀等

機械式風速儀，空氣的流動使機械式風速儀發(fā)生轉動，測量出角速度，然后根據角速度可以推導出空氣流速。它的體積比較大，對空間狀態(tài)中的風速影響較大，為了減少對風場的影響，所以應當在空曠的平原等地方進行測量，機械式風速儀也可以用來測量風向。

超聲波風速儀的原理：流體在靜止和流動兩種條件下都可以傳遞超聲波，但是此時由于流體運動狀態(tài)的不同會導致超聲波在兩者運動時的速度差異。當超聲波傳播速度和流體運動速度方向一致時，超聲波速度會增大，用兩組超聲波測速儀進行測量就可以測量出速度差。

多普勒測速儀原理：當觀察者和波源存在著相對運動時，波源發(fā)出的頻率和觀察者接收到的頻率存在差異，這種現象就是多普勒效應。多普勒測速儀測量風速時，在流場中加入示蹤粒子，此時會對流場產生一些影響，此時激光或者超聲波就會產生反射，通過他們對流體速度進行測量。

熱線熱膜風速儀運用到的原理是熱傳遞原理，測量敏感元件的熱傳遞速率來得到流體速度。自發(fā)熱式敏感元件在流體中會自身發(fā)出熱量，通過測量熱量被帶走的情況來得到流體的速度。被動加熱式熱敏感元件自身不能發(fā)出熱量，熱量通過流體的流動時熱敏感元件發(fā)熱，這里可以測量流體溫度的變化和溫度變化梯度來反應流體的速度。

與這些風速傳感器相比，光纖光柵風速傳感器因為光纖光柵本身就是在光纖上曝光形成的，所以具有光纖的諸多優(yōu)點。如體積小、質量輕、損耗低、非測量區(qū)域可彎曲程度大等特點。非常適合監(jiān)測大型工程結構健康程度。光纖布拉格光柵采用波長編碼，它將監(jiān)測到的物理信息變化轉化成光信號波長的變化，具有較強的抗干擾能力，且易于組網和串接復用，適用于大多數較為復雜的應用環(huán)境。

3光纖光柵風速傳感器傳感原理

當一束光經過FBG時，波長滿足布拉格反射條件的一部分光會發(fā)生反射。未經光柵反射的光繼續(xù)沿光纖向前傳播。由 FBG本身物理特性可知，若光柵周圍的溫度、應變等物理量發(fā)生變化， 光柵周期及纖芯折射率也會發(fā)生變化，從而產生布拉格反射峰值波長漂移。通過檢測布喇格反射峰值波長漂移，對返回波長信息進行解調可測得傳感器所在環(huán)境溫度、應變的變化量。

3.1 FBG溫度傳感

由光纖光柵耦合模理論可知，光纖光柵的布拉格波長為

（1）

其中：neff為光纖芯區(qū)的有效折射率， 為光柵周期。

設環(huán)境溫度變化為dT，則對應的布拉格波長變化為：

（2）

設 ； 則式（2）可簡化為：

（3）

其中 為布拉格光柵的熱光系數； 為其熱膨脹系數；

為光纖光柵的溫度靈敏度系數。由式（3）可以看出，對于確定材料的光纖光柵，其熱光系數和熱膨脹系數也為確定的常數，而且溫度變化和波長變化對應呈線性關系。

3.2 FBG應變傳感

在僅考慮應變的情況下，光纖光柵的布拉格波長漂移量 和縱向應變 的關系為：

（4）

其中， 為光纖的彈光系數， 為光柵應變靈敏度

3.3溫度與應變交叉敏感處理

由于溫度和應力對光纖光柵的光柵周期都有重要的影響，因此，在設計風速傳感器的時候，如何處理交叉敏感問題變得尤為重要。本文采用的方法是設置參考光纖光柵，將相同的光纖光柵放置在同一個溫度下，從而通過二者的差別，計算出應力對光纖光柵的影響。這種方法簡單易實施，而且能取得很好的效果。

4光纖光柵風速傳感器的結構設計

本文所設計的光纖光柵風速傳感器的結構是基于機械式風速傳感器的基本結構上，對其進行再設計，從而使得風速的大小轉化為對光纖光柵光柵周期的影響。風杯：承受外界風力。均勻等間距的磁鐵：通過磁鐵把風速的轉速產生的擾動傳遞到等強度懸臂梁的自由端。等強度懸臂梁：把自由端的位移轉換成光纖布拉格光柵的中心波長漂移。光纖布拉格光柵：作為傳感元件，通過光纖布拉格光柵波長移位量變化情況來反映出風杯的轉速以及風向旋轉的角度。

光纖布拉格光柵風速傳感器測量風速的原理為：風場內的風對風杯產生扭力矩，帶動轉輪的轉動，風速越大，轉輪的轉速越快。轉輪和均勻等間隔分布磁鐵固定在一起，轉輪轉動帶動均勻等間隔分布磁鐵轉動，磁鐵每轉動一周，等強度懸臂梁就會產生一定的撓度變化進而導致粘貼在等強度懸臂梁的表面光纖布拉格光柵中心波長發(fā)生移位，波長變化由光纖傳出，根據光纖布拉格光柵中心波長的變化次數進行計數，從而可以計算出風杯的轉速，根據風杯的轉速與風速成正比關系，便可得到風場內的風速。

5總結

本文利用傳統(tǒng)的機械式風速傳感器的結構，在其基礎上設計了光纖布拉格光柵風速傳感器，并對該傳感器的工作原理、結構進行了詳細的說明。在光纖布拉格光柵風速傳感器的風洞實驗中，記錄光纖布拉格光柵中心波長變化的情況，根據實驗所得數據得到波長變化頻率與風速的關系。光纖光柵風速傳感器對于風速的測量可以適用于諸多復雜環(huán)境如電力系統(tǒng)，橋梁結構，這也是該類傳感器與其他傳統(tǒng)傳感器的優(yōu)勢之處。

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*基金項目：本文系江蘇大學2017年度大學生科研立項項目