一种光纤光栅流量传感结构、流量传感器及流量计算方法与流程

1.本发明涉及流量传感器技术领域，具体为一种光纤光栅流量传感结构、流量传感器及流量计算方法。


背景技术：

2.随着现代工业生产的飞速发展由于过程工业、能源计量和城市公用事业对流量测量的需求急剧增长，人们对流量测量的要求越来越高，对流量测量技术和仪表的研究和开发也不断深入，流量测量技术和仪表得到了长足的发展，现代微电子技术、计算机技术和通信技术的飞跃发展更是极大地推动了现代流量仪表的更新换代，近些年来，光纤传感器技术包括光纤光栅传感技术得到了很多研究人员的重视，光纤光栅具有许多其它传感装置无法比拟的优点，因此在流量传感器领域的应用也越来越广泛。
3.公开号为cn104567986a提供的一种基于光纤光栅的内嵌式标准喷嘴多功能流量传感器，其通过设置在合金膜片上的光纤光栅则将形变量转换为其对应中心波长的变化，以此测量主阀体内部的压力，但是光纤光栅同时对应变和温度十分敏感，所以使用光纤光栅测量应变时应保证光纤光栅所受温度不变，这在实际应用中是不可能的，现有技术难以对光纤光栅进行温度补偿以消除温度对光纤光栅应变测量的影响。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种光纤光栅流量传感结构、流量传感器及流量计算方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种光纤光栅流量传感结构，包括文丘里管、波纹管、支撑梁、弹性薄片和光纤光栅，其中：
7.所述文丘里管的收缩段和喉管处均设置有一个上端密封的波纹管，两个所述波纹管的下端与文丘里管内部连通，两个所述波纹管之间的文丘里管上固定有支撑梁，所述支撑梁上端固定有弹性薄片，所述弹性薄片的两端分别与两个波纹管的密封上端连接，所述支撑梁两侧的弹性薄片上分别对称粘附有一组光纤光栅。
8.优选的，所述波纹管的外围设置有一圈支撑管，所述支撑管固定在文丘里管上，且内侧面不与波纹管接触。
9.优选的，所述支撑梁两侧的文丘里管上固定有支撑杆，所述支撑杆上固定有螺旋弹簧，所述螺旋弹簧的另一端固定在其上方的弹性薄片上。
10.本发明另外还提供一种流量传感器，所述流量传感器包括宽带光源、光纤光栅传感结构、波长查询器和流量计算单元，所述光纤光栅传感结构用于在有差压时让其表面的光纤光栅产生应变，所述宽带光源发出信号入射至光纤光栅传感结构后反射至波长查询器，所述波长查询器用于得出布拉格波长，所述流量计算单元用于根据布拉格波长计算得出流量值，所述光纤光栅传感结构采用上述的光纤光栅流量传感结构。
11.本发明另外还提供一种流量计算方法，适用于上述的流量传感器，具体包括以下步骤：
12.s1:构建弹性薄片应变和温度引起光纤光栅的波长变化计算公式，计算公式为：
13.δλ＝λb(1-pe)δε
fbg
λb(α
fbg
ξ)δt
14.其中，δλ为光纤光栅的波长变化量，λb为光纤光栅反射波中心波长，pe为光电常数(pe≈0.22)，δε
fbg
为弹性薄片的应变量，α
fbg
为光纤光栅的热膨胀系数(α
fbg
＝5.5
×
10-7
/℃)，ξ为热光系数(ξ＝6.7
×
10-6
/℃)，δt为温度变化值；
15.s2:计算测量时支撑梁左侧光纤光栅g1和右侧光纤光栅g2的波长变化率，二者分别为：
[0016][0017][0018]
s3:将光纤光栅g1和光纤光栅g2的波长变化率相减，消除温度对波长变化率的影响，得到二者波长变化率的差值为：
[0019][0020]
s4:根据伯努利方程计算得到流量q，计算公式为：
[0021][0022]
其中，k为流量传感器的装置系数。
[0023]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0024]
本发明结构巧妙，通过设置的文丘里管的特殊结构，从而让液体在文丘里管内流动时通过喉部的流速增大，压强降低，让设置在不同位置的两个波纹管发生不同程度的伸长，进而使与两波纹管相连的弹性薄片发生应变，引起设置在弹性薄片上两个光纤光栅波长变化，实现对压力进行测量，同时利用两个光纤光栅共同剔除温度对压力准确测量的影响，实现温度补偿作用，解决温度影响光纤光栅测量的误差问题，测量的精度高。
附图说明
[0025]
图1为本发明整体剖面结构示意图；
[0026]
图2为本发明正视结构示意图；
[0027]
图3为本发明整体结构示意图；
[0028]
图4为本发明中流量计算方法的流程图。
[0029]
图中：1文丘里管、2波纹管、3支撑梁、4弹性薄片、5光纤光栅、6支撑管、7支撑杆、8螺旋弹簧。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
实施例：
[0032]
请参阅图1至图3，本发明提供一种技术方案：
[0033]
一种光纤光栅流量传感结构，包括文丘里管1、波纹管2、支撑梁3、弹性薄片4和光纤光栅5，其中：
[0034]
所述文丘里管1的收缩段和喉管处均设置有一个上端密封的波纹管2，两个所述波纹管2的下端与文丘里管1内部连通，根据文丘里管1的特点可知，当管道中有流体流过时，收缩段和喉管的断面将呈现出不同的压强，由于波纹管2的上端密封，此时两个波纹管2承受的压强不同，将发生不同程度的伸长，两个所述波纹管2的上端密封面的高度相同，而且两个波纹管2的可折叠皱纹结数目也相同，从而降低外部条件的干扰，所述波纹管2的外围设置有一圈支撑管6，所述支撑管6固定在文丘里管1上，且内侧面不与波纹管2接触，波纹管2在没有承受压力时，容易发生形变，外部的支撑管6能够起到有效的支撑和保护波纹管2的作用。
[0035]
两个所述波纹管2之间的文丘里管1上固定有支撑梁3，所述支撑梁3上端固定有弹性薄片4，所述弹性薄片4的两端分别与两个波纹管2的密封上端连接，所述支撑梁3两侧的弹性薄片4上分别对称粘附有一组光纤光栅5，光纤光栅5通过特种胶黏贴在弹性薄片4侧面，两个波纹管2进行不同程度的伸长时，引起支撑梁3两侧的弹性薄片4产生不同的应变变形，使得两光纤光栅5发生不同的波长漂移，二者波长之差与流量成正比，通过标定即可得到具体的比例系数，实现流量的测量。
[0036]
当环境温度变化时，由于环境温度引起的两个光纤光栅5的产生的波长变化比是一样的，因此本装置利用两个光纤光栅5能够实现温度的精确补偿，同时利用两个光纤光栅5来剔除温度变化对测量压力的影响，实现温度补偿作用，解决温度影响光纤光栅测量的误差问题，测量的精度高。
[0037]
所述支撑梁3两侧的文丘里管1上固定有支撑杆7，所述支撑杆7上固定有螺旋弹簧8，所述螺旋弹簧8的另一端固定在其上方的弹性薄片4上，当弹性薄片4发生应变时，会带动螺旋弹簧8随之发生形变，从而利用螺旋弹簧8增加弹性薄片4的弹性。
[0038]
本发明另外还提供一种流量传感器，所述流量传感器包括宽带光源、光纤光栅传感结构、波长查询器和流量计算单元，所述光纤光栅传感结构用于在有差压时让其表面的光纤光栅产生应变，所述宽带光源发出信号入射至光纤光栅传感结构后反射至波长查询器，所述波长查询器用于得出布拉格波长，所述流量计算单元用于根据布拉格波长计算得出流量值，所述光纤光栅传感结构采用上述的光纤光栅流量传感结构。
[0039]
请参阅图4，本发明另外还提供一种流量计算方法，适用于上述的流量传感器，具体包括以下步骤：
[0040]
s1:构建弹性薄片4应变和温度引起光纤光栅5的波长变化计算公式，计算公式为：
[0041]
δλ＝λb(1-pe)δε
fbg
λb(α
fbg
ξ)δt
[0042]
其中，δλ为光纤光栅的波长变化量，λb为光纤光栅反射波中心波长，pe为光电常数(pe≈0.22)，δε
fbg
为弹性薄片4的应变量，α
fbg
为光纤光栅的热膨胀系数(α
fbg
＝5.5
×
10-7
/℃)，ξ为热光系数(ξ＝6.7
×
10-6
/℃)，δt为温度变化值；
[0043]
s2:计算测量时支撑梁3左侧光纤光栅5g1和右侧光纤光栅5g2的波长变化率，二者分别为：
[0044][0045][0046]
s3:将光纤光栅5g1和光纤光栅5g2的波长变化率相减，消除温度对波长变化率的影响，得到二者波长变化率的差值为：
[0047][0048]
s4:根据伯努利方程计算得到流量q，计算公式为：
[0049][0050]
其中，k为流量传感器的装置系数，装置系数与两个波纹管2设置处的文丘里管断面直径及波纹管刚度、弹性薄片刚度等相关，通过对整个传感器进行标定得到。
[0051]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。