專利名稱：靶式光纖光柵流速計的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有溫度補償功能的光纖光柵流速傳感器，特別是一種能測量內(nèi) 徑或?qū)捳勺兊墓艿阑蛘邐A縫中流速的靶式光纖光柵流速計。
背景技術(shù)：
光纖光柵是一種對溫度和應變敏感的光學無源器件，它不僅繼承了普通光纖傳感 器的許多優(yōu)點如靈敏度高、響應速度快、動態(tài)范圍寬、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、使用靈活、抗腐 蝕、耐高溫、不受電磁干擾、可在礦井、油田以及油罐等惡劣、易爆、高危險環(huán)境中工作。同 時，光纖光柵傳感器還有一些明顯優(yōu)于普通光纖傳感器的特點如帶寬范圍大、附加損耗 小；傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、器件微型化；與光纖兼容，易與光纖系統(tǒng)連接，耦合 性好測量信息采用波長編碼，不受光強波動、損耗等因素的影響，抗干擾能力強；便于復用、 可構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)多點、分布式傳感等，而且光纖光柵制作工藝比較成熟，易于形 成規(guī)模生產(chǎn)，具有良好的實用性。目前在需要測量管道流速、坡面徑流流速等工程應用中，多采用電類流速傳感器。 傳統(tǒng)的電類流速傳感器精度低，體積大，防水性能差，易受電磁干擾，而且大多僅限于對管 道內(nèi)部的流速測量，無法對測量細小夾縫以及坡面的徑流流速進行在線監(jiān)測。而利用超聲 波的流速測量儀及利用聲學多普勒效應的流速儀等，其測量精度雖然較高，但其成本高且 易受電磁波干擾，嚴重限制了其在工程中的廣泛應用。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種測量體積小，精度高，防水性能好，抗 電磁干擾，并且可對管道、夾縫等不同環(huán)境下進行實時監(jiān)測的靶式光纖光柵流速計。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種靶式光纖光柵流速計，它包括殼體，殼體一端連接測量接頭，殼體的另一端設 有端蓋；端蓋上安裝固定金屬片，固定金屬片與懸臂梁連接，懸臂梁上設有測量光柵，測量 光柵與光纖連接，光纖穿過端蓋；懸臂梁的末端設有金屬靶片，金屬靶片置于測量接頭內(nèi)， 在懸臂梁上設有密封裝置。所述測量接頭為內(nèi)徑可變的可拆卸三通，它與殼體螺紋連接，連接處設有0型密 封圈。所述端蓋上設有十字形孔和螺絲孔，固定金屬片設置在十字形孔內(nèi)，光纖也從其 中穿出；同時固定金屬片通過螺絲孔用螺絲固定在端蓋上，端蓋與殼體間螺紋連接，連接處 設有0型密封圈。所述懸臂梁為等強度懸臂梁。所述測量光柵為雙光纖光柵，它們對稱的粘貼在懸臂梁的兩側(cè)中部。所述密封裝置為錐形軟橡膠膜，橡膠膜的一端與殼體連接，另一端套在懸臂梁上 并密封。
本發(fā)明的靶式光纖光柵流速計，包括殼體，殼體一端連接內(nèi)徑可變的可拆卸三通， 殼體的另一端設有帶十字形孔和螺絲孔的端蓋，十字形孔內(nèi)設有固定金屬片，金屬片上連 接有等強度懸臂梁。雙光纖光柵對稱的粘貼在懸臂梁的兩側(cè)，懸臂梁的另一端直接與圓形 金屬靶片固定連接，靶片大小可根據(jù)測量需要更換。在懸臂梁上套有錐形軟橡膠膜，橡膠膜 的一端與殼體內(nèi)部的卡槽密封連接，另一端套在懸臂梁上并密封。測量光柵通過光纖從端 蓋的十字形孔中引出。在使用時，靶片正對水流方向，直接感受與水流流速成確定關(guān)系沖擊力，并將該力 轉(zhuǎn)化成集中力作用于等強度懸臂梁，使等強度懸臂梁產(chǎn)生形變，帶動粘貼于懸臂梁上的光 纖光柵發(fā)生變化，使光纖光柵在拉壓力作用下中心波長發(fā)生漂移。采用差分形式的雙光纖 布拉格光柵結(jié)構(gòu)，改善敏感度并且進行溫度補償。使用波長解調(diào)儀檢測光纖光柵的中心波 長，并由軟件采集存儲數(shù)據(jù)，得到與流速變化成對應關(guān)系的波長的變化量。本發(fā)明的有益效果是它基于全光信號設計，無電子器件，不存在電火花隱患，抗 電磁干擾，結(jié)構(gòu)簡單，防水性能良好。本發(fā)明采用等強度懸臂梁和雙測量光柵，提高了測量 精度并實現(xiàn)溫度補償。本發(fā)明便于組網(wǎng)，可以實現(xiàn)準分布式實時監(jiān)測。


圖1為本發(fā)明光纖光柵流速計的正視剖面圖；圖2為本發(fā)明光纖光柵流速計的側(cè)視剖面圖；圖3a為本發(fā)明所測的流速平方與測量光柵中心波長關(guān)系曲線圖；圖3b為本發(fā)明所測的流速平方與測量光柵中心波長關(guān)系曲線圖；圖4為本發(fā)明所測的流速平方與測量光柵中心波長關(guān)系曲線圖；圖5為本發(fā)明所測的流速擬合曲線與實際流速擬合曲線圖。其中1.殼體，2.螺絲孔，3.端蓋，4.三通，5.金屬靶片，6.錐形橡膠膜，7.懸臂梁， 8.測量光柵，9.固定金屬片。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步說明。圖1、圖2中，殼體1 一端連接內(nèi)徑可變的可拆卸三通4，殼體1的另一端設有帶十 字形孔和螺絲孔的端蓋3，十字形孔內(nèi)設有固定金屬片9，固定金屬片9上連接有等強度懸 臂梁7。雙光纖光柵的測量光柵8通過粘結(jié)劑均勻粘貼在懸臂梁7的兩側(cè)，懸臂梁7的另 一端直接與圓形金屬靶片5固定連接，金屬靶片5置于三通4內(nèi)，感受與流速成對應關(guān)系的 力，并將該力集中傳給等強度懸臂梁7。懸臂梁7上套有錐形軟橡膠膜6，橡膠膜6的一端 與殼體1內(nèi)部的卡槽密封連接，另一端套在懸臂梁7上并密封。測量光柵8通過光纖從端 蓋3的十字形孔中引出。端蓋3和三通4與殼體1之間均為螺紋連接，連接處均設有0型密封圈。等強度懸臂梁7垂直放置，確保測量光柵8在傳感過程中不出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象，又避免 了自身重量對測量結(jié)果的影響。測量光柵8通過粘結(jié)劑均勻粘貼在等強度懸臂梁7兩側(cè)中部。當水流流過，金屬靶片5受到水流沖擊，感受并集中與水流成確定關(guān)系的沖擊力F，作用于等強度懸臂梁7，導致等強度懸臂梁7發(fā)生形變，從而對粘貼在懸臂梁7上的測量 光柵8產(chǎn)生拉壓作用，引起測量光柵8中心波長發(fā)生漂移。本發(fā)明的具體制作過程為首先，將等強度懸臂梁7插入固定金屬片9中，并將固 定金屬片9插入端蓋3中的十字孔固定，保證懸臂梁7與端蓋面垂直，選定兩根測量光柵8， 并將測量光柵8均勻?qū)ΨQ的粘貼在懸臂梁7的兩側(cè)中部，測量光柵8通過光纖從端蓋3的 十字孔中引出，并用粘結(jié)劑固定。然后，將殼體1與端蓋3擰緊，把錐形橡膠膜6前端剪開 合適大小，套入懸臂梁7，另一端塞入殼體1的卡槽并密封。最后，將金屬靶片5固定在懸臂 梁7前端，在殼體另一端套上三通4并擰緊。對光纖光柵流速計進行標定，得到其中一個測量光柵8的中心波長(nm)隨的流速 平方(m/s)2的變化關(guān)系為y = -0. 1683X+1532. 8，如圖3a所示，線性度R2為0. 9939。測量 光柵8的中心波長(nm)與流速(m/s)2的對應關(guān)系為y = _0· 1878x2+0. 0408x+1532. 8，如 圖3b所示，R2為0. 9946，可見本發(fā)明線性度良好。對測得數(shù)據(jù)進行處理后，得到測量光柵8測得的流速平方與流速的擬合曲線，如 圖4，其對應關(guān)系為y = 1. 1089x2-0. 2409X+0. 1157，R2 = 0. 9946。圖5為相同流速下，測量 光柵8測得流速平方和實際流速平方與流速的擬合曲線。在現(xiàn)場檢測時，首先將靶式光纖光柵流速計靶片5正對水流方向放置，然后對兩 根測量光柵8的數(shù)據(jù)同時進行監(jiān)測，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，消除溫度影響，并將測得的波長變 化轉(zhuǎn)化為相應的流速變化量。
權(quán)利要求
一種靶式光纖光柵流速計，其特征是，它包括殼體，殼體一端連接測量接頭，殼體的另一端設有端蓋；端蓋上安裝固定金屬片，固定金屬片與懸臂梁連接，懸臂梁上設有測量光柵，測量光柵與光纖連接，光纖穿過端蓋；懸臂梁的末端設有金屬靶片，金屬靶片置于測量接頭內(nèi)，在懸臂梁上設有密封裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的靶式光纖光柵流速計，其特征是，所述測量接頭為內(nèi)徑可變的 可拆卸三通，它與殼體螺紋連接，連接處設有0型密封圈。
3.如權(quán)利要求1所述的靶式光纖光柵流速計，其特征是，所述端蓋上設有十字形孔和 螺絲孔，固定金屬片設置在十字形孔內(nèi)，光纖也從其中穿出；同時固定金屬片通過螺絲孔用 螺絲固定在端蓋上，端蓋與殼體間螺紋連接，連接處設有0型密封圈。
4.如權(quán)利要求1所述的靶式光纖光柵流速計，其特征是，所述懸臂梁為等強度懸臂梁。
5.如權(quán)利要求1所述的靶式光纖光柵流速計，其特征是，所述測量光柵為雙光纖光柵， 它們對稱的粘貼在懸臂梁的兩側(cè)中部。
6.如權(quán)利要求1所述的靶式光纖光柵流速計，其特征是，所述密封裝置為錐形軟橡膠 膜，橡膠膜的一端與殼體連接，另一端套在懸臂梁上并密封。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種靶式光纖光柵流速計。它測量體積小，精度高，防水性能好，抗電磁干擾，并且可對管道、夾縫等不同環(huán)境下進行實時監(jiān)測，它包括殼體，殼體一端連接測量接頭，殼體的另一端設有端蓋；端蓋上安裝固定金屬片，固定金屬片與懸臂梁連接，懸臂梁上設有測量光柵，測量光柵與光纖連接，光纖穿過端蓋；懸臂梁的末端設有金屬靶片，金屬靶片置于測量接頭內(nèi)，在懸臂梁上設有密封裝置。
文檔編號G01P5/04GK101995485SQ20101053007
公開日2011年3月30日 申請日期2010年11月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月3日
發(fā)明者張宵, 張慶松, 李術(shù)才, 王正方, 王靜, 賈磊, 隋青美 申請人:山東大學