新型光纤光栅风速传感器的研究

时月佳 蒋立洲

摘 要：基于光纤光栅的传感器是光纤光栅做敏感元件的功能型光纤传感器，光纤传感技术是将外界参数转换成光学信号后进行测量的一种方法，这种方法精度高、频率范围广、电气绝缘、与机械式和电气式相比具有很多的优点。

因此，本篇论文主要设计并实现了一种新型光纤光栅风速传感器，该传感器以光纤布拉格光栅为敏感元件，通过悬臂梁结构，将压力转换为悬臂梁应变，通过将光纤光栅粘于悬臂梁上，可将压力转换为光纤光栅轴向应变，通过解调光栅的中心波长漂移即可得到压力大小。

关键词：光纤光栅，风速传感器，悬臂梁，温度应变交叉敏感

1引言

光纤光栅传感器是一种新型光感传感器，它通过利用光纤光栅反射或透射波中心波长的漂移量来计算所监测的物理量和化学量，包括温度、应力和与之相关的湿度、压力等。光纤光栅传感器具有精度高、体积小、量程大、抗干扰性强和可植入性等优点。

目前对光纤光栅增敏的结构主要分为三类：弹簧管式，平面膜式，悬臂梁式。弹簧管式压力传感器是将光纤光栅的光栅区放于弹簧管，弹簧管受压力产生形变，进而传递给光纤光栅，此类传感器体积大，损耗高。平面膜片式压力传感器是将光纤光栅粘于膜片表面，由于材料和结构的限制，目前使用的膜片式光纤光栅传感器精度不高，量程较小。悬臂梁式压力传感器是把光纤光栅固定在悬臂梁一端，悬臂梁起到增敏效果。本文采用的是悬臂梁式，通过对悬臂梁的应变测量从而测量出风速的大小。

2风速传感器的分类

目前，市面上的风速传感器主要分为，机械式风速仪、超声波测速仪、多普勒测速仪、热线热膜风速仪等

机械式风速仪，空气的流动使机械式风速仪发生转动，测量出角速度，然后根据角速度可以推导出空气流速。它的体积比较大，对空间状态中的风速影响较大，为了减少对风场的影响，所以应当在空旷的平原等地方进行测量，机械式风速仪也可以用来测量风向。

超声波风速仪的原理：流体在静止和流动两种条件下都可以传递超声波，但是此时由于流体运动状态的不同会导致超声波在两者运动时的速度差异。当超声波传播速度和流体运动速度方向一致时，超声波速度会增大，用两组超声波测速仪进行测量就可以测量出速度差。

多普勒测速仪原理：当观察者和波源存在着相对运动时，波源发出的频率和观察者接收到的频率存在差异，这种现象就是多普勒效应。多普勒测速仪测量风速时，在流场中加入示踪粒子，此时会对流场产生一些影响，此时激光或者超声波就会产生反射，通过他们对流体速度进行测量。

热线热膜风速仪运用到的原理是热传递原理，测量敏感元件的热传递速率来得到流体速度。自发热式敏感元件在流体中会自身发出热量，通过测量热量被带走的情况来得到流体的速度。被动加热式热敏感元件自身不能发出热量，热量通过流体的流动时热敏感元件发热，这里可以测量流体温度的变化和温度变化梯度来反应流体的速度。

与这些风速传感器相比，光纤光栅风速传感器因为光纤光栅本身就是在光纤上曝光形成的，所以具有光纤的诸多优点。如体积小、质量轻、损耗低、非测量区域可弯曲程度大等特点。非常适合监测大型工程结构健康程度。光纤布拉格光栅采用波长编码，它将监测到的物理信息变化转化成光信号波长的变化，具有较强的抗干扰能力，且易于组网和串接复用，适用于大多数较为复杂的应用环境。

3光纤光栅风速传感器传感原理

当一束光经过FBG时，波长满足布拉格反射条件的一部分光会发生反射。未经光栅反射的光继续沿光纤向前传播。由 FBG本身物理特性可知，若光栅周围的温度、应变等物理量发生变化， 光栅周期及纤芯折射率也会发生变化，从而产生布拉格反射峰值波长漂移。通过检测布喇格反射峰值波长漂移，对返回波长信息进行解调可测得传感器所在环境温度、应变的变化量。

3.1 FBG温度传感

由光纤光栅耦合模理论可知，光纤光栅的布拉格波长为

（1）

其中：neff为光纤芯区的有效折射率， 为光栅周期。

设环境温度变化为dT，则对应的布拉格波长变化为：

（2）

设 ； 则式（2）可简化为：

（3）

其中 为布拉格光栅的热光系数； 为其热膨胀系数；

为光纤光栅的温度灵敏度系数。由式（3）可以看出，对于确定材料的光纤光栅，其热光系数和热膨胀系数也为确定的常数，而且温度变化和波长变化对应呈线性关系。

3.2 FBG应变传感

在仅考虑应变的情况下，光纤光栅的布拉格波长漂移量 和纵向应变 的关系为：

（4）

其中， 为光纤的弹光系数， 为光栅应变灵敏度

3.3温度与应变交叉敏感处理

由于温度和应力对光纤光栅的光栅周期都有重要的影响，因此，在设计风速传感器的时候，如何处理交叉敏感问题变得尤为重要。本文采用的方法是设置参考光纤光栅，将相同的光纤光栅放置在同一个温度下，从而通过二者的差别，计算出应力对光纤光栅的影响。这种方法简单易实施，而且能取得很好的效果。

4光纤光栅风速传感器的结构设计

本文所设计的光纤光栅风速传感器的结构是基于机械式风速传感器的基本结构上，对其进行再设计，从而使得风速的大小转化为对光纤光栅光栅周期的影响。风杯：承受外界风力。均匀等间距的磁铁：通过磁铁把风速的转速产生的扰动传递到等强度悬臂梁的自由端。等强度悬臂梁：把自由端的位移转换成光纤布拉格光栅的中心波长漂移。光纤布拉格光栅：作为传感元件，通过光纤布拉格光栅波长移位量变化情况来反映出风杯的转速以及风向旋转的角度。

光纤布拉格光栅风速传感器测量风速的原理为：风场内的风对风杯产生扭力矩，带动转轮的转动，风速越大，转轮的转速越快。转轮和均匀等间隔分布磁铁固定在一起，转轮转动带动均匀等间隔分布磁铁转动，磁铁每转动一周，等强度悬臂梁就会产生一定的挠度变化进而导致粘贴在等强度悬臂梁的表面光纤布拉格光栅中心波长发生移位，波长变化由光纤传出，根据光纤布拉格光栅中心波长的变化次数进行计数，从而可以计算出风杯的转速，根据风杯的转速与风速成正比关系，便可得到风场内的风速。

5总结

本文利用传统的机械式风速传感器的结构，在其基础上设计了光纤布拉格光栅风速传感器，并对该传感器的工作原理、结构进行了详细的说明。在光纤布拉格光栅风速传感器的风洞实验中，记录光纤布拉格光栅中心波长变化的情况，根据实验所得数据得到波长变化频率与风速的关系。光纤光栅风速传感器对于风速的测量可以适用于诸多复杂环境如电力系统，桥梁结构，这也是该类传感器与其他传统传感器的优势之处。

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*基金项目：本文系江苏大学2017年度大学生科研立项项目