有源光纤式流量传感器的研究进展

2015-03-23谢代梁胡朋兵张建锋

中国计量大学学报 2015年1期

关键词：点式光栅有源

谢代梁,葛慎,,胡朋兵,程佳,3,张建锋

(1.中国计量学院计量测试工程学院,浙江杭州 310018;2.浙江省计量科学研究院,浙江杭州 310013;3.浙江省知识产权研究与服务中心,浙江杭州 310012)

有源光纤式流量传感器的研究进展

谢代梁1,葛慎1,2,胡朋兵2,程佳2,3,张建锋2

(1.中国计量学院计量测试工程学院,浙江杭州 310018;2.浙江省计量科学研究院,浙江杭州 310013;3.浙江省知识产权研究与服务中心,浙江杭州 310012)

光纤式有源流量传感器是近年来发展起来的一种基于光纤传感技术、流量检测技术的新型流量传感器.目前,主要将金属薄膜的光热转换效应或电阻的热效应与光纤及光纤光栅的温度、应力特性(在流体环境下光的强度、频率、波长及相位等受温度、应力调制的特性)相结合并制得一类新型的光纤有源流量传感器,包括光纤光栅点式及光纤散射(布里渊、瑞利)分布式有源流量传感器.通过文献综述的方式来介绍有源光纤式流量传感器的工作原理、种类及其研究进展，旨在为今后研究提供方法.

光纤布拉格光栅;流量测量;有源传感器

流速流量的测量在石油、化工、生物医学、能源计量、环境监测等领域占据着举足轻重的地位,是科学研究和生产过程中的重要测量参数之一[1-2].因此,流速、流量传感器的研究与开发具有重大的应用意义,它是流体检测和控制过程中不可缺少的感知元件.传统的基于机械技术的流速、流量传感器测量误差大且精度低;而且采用体积法测量,传感器体积庞大,不利于系统的集成.例如,涡轮流量计虽具有较高的测量精度、重复性,但涡轮的转动会带来轴承磨损,从而不利于其长期地稳定测量[3];容积式流量计具有较宽的量程,但是温度波动带来的误差远大于其标称的精度,且体积巨大,测量不方便[4].为了适应现代化大容量数据传输和远程管理的需求,流量计量技术逐渐与半导体和MEMS技术相结合,其中,具有代表性的有热式质量流量计[5]、超声波流量计[6]和多普勒流速仪[7]等,虽然测量精度较高,但其性价比不高,且在强电、强磁条件下无法正常使用.由于光纤本质安全、抗电磁干扰能力强及不易腐蚀,所以光纤器件可以在非常恶劣的环境下使用和工作.与位移、应力等参数类似,液体及气体流量的测量是光纤传感领域研究和开发的重要内容之一.其主要工作特点是对光纤中传输光的特性(振幅、相位、频率和波长等)进行调制与解调制,建立其与流量之间的关系,从而实现流量的测量.与以往的流量传感器相比,光纤流量传感器具有测量灵敏度高、抗电磁干扰能力强、体积小、成本低、易于系统集成等优点[7-8].目前,已发展成熟的光纤流量传感器有光纤涡轮、光纤涡街器、光纤多普勒、光纤干涉型及靶式光纤光栅流量传感器.光纤涡轮和光纤涡街流量传感器具有重复性好、抗电磁干扰能力强、测量动态范围大等优点,但在低速流体下信噪比不高,误差较大,不利于流体的小流量的测量[9].光纤多普勒流量传感器是基于光的多普勒频移来实现流体速度的非接触测量,对流体中的杂质或气泡非常敏感,易引入误差[10].光纤干涉型流量传感器是基于光纤Michelson、Mach-Zehnder和Sagnac等干涉结构的流量传感器,测量灵敏度较高,然而解调系统相对复杂,不利于实际应用[11-13].靶式光纤光栅流量计是将光纤光栅与悬臂梁、靶式圆盘结合起来产生物理形变的一类流量传感器,应用广泛,但由于悬臂梁本身的限制,光纤流按照工作原理而不同,此类光纤流量传感器不仅不利于长期使用,而且很难形成行业标准[14-15].

显然,上述光纤流量传感器有着测量参数单一、测量范围不可调、测量精度低等缺点.为此,人们对光、电泵浦的光纤式流量传感器进行了大量的研究,在一定程度上实现了测量灵敏度可调、测量响应可控等增强传感性能.

1 基于光纤光栅的点式流量传感器

有源光纤光栅点式流量传感器由传感光纤光栅(FBG, fiber Bragg grating)、热转换材料或薄膜、激励源(泵浦激光、电压或电流等)、信号光源及调解仪组成,如图1.

图1 有源光纤光栅点式流量传感原理图Figure 1 Schematic diagram of active optical fiber grating point-type flow sensors

当激励源施加于金属材料或薄膜时,由于其自身的光热转换效应,FBG区域温度将发生改变,从而实现了传感FBG测量状态的初始化.此类传感器是一种热线式流量传感器,物理基础是热交换,在流速大于0.5 m/s时,热交换主要取决于流体的强迫对流,根据经典热转换理论,可得流体热对流方程为[16]

(1)

式(1)中:T0—初始时刻FBG的温度(系统环境温度);T—当前流速下FBG的温度;A和B—与金属材料相关的常数,可由实验得到;H—当前流速υ下的对流热损耗,可表示为

H=Pφa.

(2)

式(2)中:P—激励源功率;φ—传递系数,即金属材料吸收激励功率占总激励功率的比例;a—金属材料将激励源转换成热量的转换效率.

另一方面,由光纤光栅耦合理论可知,传感FBG的布拉格波长漂移与光纤栅区温度的关系为[17]

ΔλB/λB=(α+ε)ΔT.

(3)

式(3)中:λB—布拉格波长;α—光纤的热膨胀系数;ε—光纤的热光系数.联合公式(1)、(2)和(3)可得[18-19]

(4)

由此可见,通过获得FBG的波长漂移,可计算得出当前流体速度大小.在此基础上,合理地将多个传感FBG串联或并联置于流体中,可实现流体横截面的流速分布测量.

1.1 多模光纤耦合的FBG点式流量传感器

基于多模光纤耦合的FBG点式流量传感器是指采用多模光纤作为泵浦激光的耦合单元的、表面镀有金属薄膜的FBG点式流量传感器.采用多模光纤段作为泵浦激光的耦合及传输通道,可以使泵浦激光较好地作用于金属薄膜,结构示意图如图2.

图2 多模光纤耦合的FBG点式流量传感原理图Figure 2 Schematic diagram of optical multi-mode fiber coupling based point-type FBG flow sensors

由于熔接处的多模光纤模场直径远大于单模光纤的模场直径,因此,大部分激光能量被耦合到单模光纤的包层中并被金属薄膜吸收.金属薄膜吸收激光后以热辐射的形式向外释放能量,从而提升FBG周围温度,使Bragg波长发生红移.当流体流过FBG表面时,由于强迫对流的作用,FBG的热量将向外扩散,进而降低了FBG周围温度(温度的变化与流量大小成正比).

2005年,美国匹兹堡大学的Kevin P. Chen团队[22]提出了一种基于多模光纤耦合的FBG单点流量传感器,其结构与图2类似,信号光源为1 550 nm放大自发辐射(amplified spontaneous emission, ASE)光源,解调仪为光谱分析仪(optical spectrum analyzer, OSA),激光器为910 nm半导体激光源.实验中,采用4 mm的光纤Bragg光栅作为传感单元,熔接点到光栅的距离控制在5 mm左右,避免了泵浦光功率的过度损耗.实验结果显示,当泵浦激光器关闭时,此传感器可以作为普通的FBG温度传感器来监控当前的环境温度;当泵浦激光器开启时,金属薄膜吸收激光并产生热辐射,引起Bragg波长向长波长方向漂移.通过改变施加N2气体流量,可发现Bragg波长发生相应的变化,其变化趋势服从指数衰减函数.另外,此流量传感器的灵敏度与泵浦功率成正比,45%能量的增加可引起35%的灵敏度增加.实验获得的测量灵敏度最高可达0.35 m/s,可与目前市场上基于MEMS技术的流量传感器相媲美.然而,此传感器主要存在以下两个问题:第一,采用聚焦透镜及多模光纤耦合、传输激光,耦合效率仅为23%左右,对光源的功率依赖性很强;第二,光纤光栅的长度会引起光谱的变形,栅区长度与啁啾效应相关,影响了流量的测量精度.

2006年,Kevin P. Chen团队在上述传感器的基础上提出了一种X型横截面的多点分布式流量测量传感器,可实现流速矢量的测量,包括风速大小及方向,如图3所示[23].采用两根5 mm FBG正交成X型,熔接点与光纤光栅的距离控制在10 mm左右,银膜厚度为1 μm左右,耦合光纤为100/140 μm多模光纤.采用Ar+绿波激光器泵浦薄膜,提高了光功率的吸收率和热转换效率,降低了传感器对泵浦激光器功率的要求.此传感器实现了幅值为0.3～20 m/s、方向在-45°～45°之间的风速测量,大大克服了风向对风速测量带来的影响.

图3 多模光纤耦合的FBG矢量流量传感器结构示意图Figure 3 Block diagram of optical multi-mode fiber coupling based FBG vector flow sensors

1.2 耦合区的FBG点式流量传感器

基于多模光纤耦合的FBG点式流量传感器由于使用的多模光纤相对较长,因此,对光的损耗比较大,增加了系统对激光光源的要求.而且需要结合几何透镜耦合,调整难度大大提高.基于耦合区的点式光纤流量传感器通过采用耦合区,例如通过长周期光纤光栅(long period fiber grating, LPG)、多模光纤熔接、错位熔接(Core offset),双腰椎熔接(waist enlarged fiber bitaper, WEFB),来耦合泵浦激光至光纤包层,实现金属薄膜的受激热辐射,如图4所示.这种耦合区的方式具有结构简单、方式多样、耦合效率高等优点.

图4 耦合区的FBG点式流量传感原理图Figure 4 Schematic diagram of optical fiber coupling part based point-type FBG flow sensors

图5 LPG耦合的FBG点式流量传感原理图Figure 5 Schematic diagram of optical fiber LPG based point-type flow sensors

2006年,葡萄牙的Paulo Caldas等人[24]提出了长周期光纤光栅LPG和光纤Bragg光栅FBG相结合的有源光纤式流量传感器,采用1 480 nm LPG代替多模光纤实现泵浦激光的耦合,如图5所示,极大地降低了传感器对激光功率的要求.LPG与FBG的距离保持在10 mm,金属银薄膜长度为15 mm,厚度约为200 nm.由于LPG在1 480 nm处具有25 dB的耦合率,因此,泵浦激光器的绝大部分能量能被有效地耦合到光纤包层去加热金属薄膜.实验结果表明,当泵浦激光器的控制电流增大时,传感器对气体流量的响应也会增大,可得到的最大风速分辨率为0.08 m/s.

董新永、程佳等人在2012、2013年分别提出了基于错位熔接[25]、无芯光纤熔接[18]的光纤Bragg光栅点式有源流量传感器.采用错位熔接、无芯光纤熔接避免了昂贵LPG的刻写,通过简单的切割和熔接便可实现激光能量的耦合.然而,实验发现错位熔接会导致耦合区上下不对称,能量的耦合分配不均匀,从而导致FBG出现啁啾效应,因此错位熔接有其不利的一面,只能控制在低泵浦功率下进行风力测量,风速测量灵敏度在0～5 m/s低范围内为0.022 m/s.采用无芯光纤熔接克服了错位熔接的诸多缺点,泵浦光耦合均匀,因此,泵浦功率可以提高很多,增加了测量灵敏度的可调性,在3～14 m/s高流速范围内可获得灵敏度0.017 m/s.

1.3 掺杂吸收介质的FBG点式流量传感器

基于掺杂吸收介质的点式有源光纤流量传感器是基于高掺杂吸收介质的光纤Bragg光栅的一类流量传感器,FBG依然作为传感单元,而提供光热转换的不再是金属膜,而是光纤本身.因此,此类传感器具有较强的机械强度和良好的兼容性.由于泵浦激光是通过光纤直接耦合到高掺杂光纤中,耦合效率高达100%,所以对泵浦激光功率的要求不高.当泵浦激光在掺杂光纤内传输时,掺杂物质对激光的吸收较大,并跃迁至高能级上;由于高能级不稳定,物质很快以无辐射形式向外散发热量,进而提高FBG周边温度,引起Bragg波长的改变，见图6.

图6 掺杂吸收介质的光纤点式FBG流量传感原理图Figure 6 Schematic diagram of absorbing material doped optical fiber point-type flow sensors

2011年,张阿平团队[26]在掺钴光纤上刻写FBG并实现了流量的测量.采用一根FBG作为流量传感单元,流体流过时,波长会发生相应的漂移;而另一根FBG封装在真空铝管内,消除了流量的敏感特性,实现了温度的测量.同时,在传感FBG表面上镀一层聚合物薄膜,降低了传感FBG的温度灵敏度,在一定程度上提高了流量测量的动态范围.实验结果表明,通过调节泵浦光功率或者改变涂层,可以改变传感器流量测量灵敏度和测量范围，见图7.

图7 基于掺钴FBG点式流量传感结构图Figure 7 Block diagram of optical fiber cobalt-doped point-type flow sensors

2014年,Kevin P. Chen[27]分别在普通单模光纤和高掺铒吸收介质光纤上刻写再生型光纤Bragg光栅(regenerated optical fiber Bragg grating, RFBG),其中,单模光纤光栅作为环境温度的测量单元,高掺杂光纤光栅用来测量同温度下的N2的流速.利用掺铒光纤放大器作为泵浦源和信号源,减少了系统的复杂性.实验结果表明,此传感器可以在800 ℃下测量0.066～0.66 m/s低流速的氮气流量，见图8.

图8 高温环境下基于掺杂FBG点式流量传感结构图Figure 8 Block diagram of Er-doped optical fiber point-type FBG flow sensors in high temperatures

1.4 基于电激励的FBG点式流量传感器

基于电加热的光纤光栅流量传感器也是一种有源点式光纤流量传感器,如图9所示,主要包括传感光纤光栅FBG、电阻圈、电激励源、信号光源和解调仪.采用电压或电流作用于金属电阻产生热量,进而改变FBG周围温度实现Bragg波长的漂移;当一定流量施加在传感器上时,部分热量将会被带走,从而降低了FBG周围温度,引起Bragg波长回漂,最终实现流体流速的测量.与光泵浦的光纤流量传感器相比,这类传感器不需要在光纤中构建激光耦合单元,因而既降低了传感器的制作难度,又降低了传感器的制作成本.然而,电的引入使得光纤传感器本身的优势不复存在,比如抗电磁干扰能力,耐腐蚀性，等等,而且在一定程度上增加了系统的链路,使得系统变得庞大、笨重.

图9 电激励的光纤FBG点式流量传感原理图Figure 9 Schematic diagram of optical fiber electric-driven point-type FBG flow sensors

2005年,M. Willsch等人[28]提出了一种电激励的准分布式流量传感器,沿陶瓷棒轴向对称打4个小孔,分别穿入电阻线和FBG整列.当一定的风速流过陶瓷棒表面时,部分能量随之消耗,且与风速成正比,通过解调各个FBG的Bragg波长漂移可以获得每个FBG点的相应流速大小,实现准分布式流量测量，见图10.

图10 电激励的准分布式点式流量传感器结构示意图Figure 10 Block diagram of optical fiber electric-driven quasi-distribution flow sensors

2012年,韩国Kyund-Rak Sohn提出了一种基于光纤光栅调制的反馈激光器流量传感器[29],主要包括Sagnac环、掺铒光纤放大器EDFA和电流激励的光纤流量传感器,如图11.由于在电激励的光纤流量传感器中电阻圈是块状加热体,在电阻圈内会产生侧向不均匀的余热,因此FBG光谱会发生啁啾效应,不利于信号的解调.采用Sagnac环作为锁模单元,与FBG波长相匹配,形成单模激光输出,避免了光谱变形带来的测量不确定性,实现了0～20 L/min范围内的高精度流量测量,测量灵敏度为0.7 dB·min·L-1.

图11 电流激励的Sagnac反馈激光器点式流量传感器结构图Figure 11 Block diagram of optical fiber current-driven point-type Sagnac feedback laser flow sensor

2 基于光散射的光纤分布式流量传感器

光纤散射分布式流量传感器是基于瑞利、布里渊散射或拉曼散射的温度与应力测量原理,可实现光纤任一点的流量测量、分析,是一种真正意义上的分布式流量测量器件,具有高空间分辨率、高流速分辨率等优点.在光纤表面镀上一层金属薄膜,薄膜沿光纤轴向均匀分布,在外在激励(泵浦激光或电源)作用下,薄膜产生一定的温度梯度分布,当流体流过光纤表面时,光纤沿途上的温度或应力将会发生变化,在此基础上可实现流量大小、位置的间接测量.

目前,国内外关于散射式有源流量传感器的研究还不是很多,仅仅开展了布里渊散射、瑞利散射在流量测量上的有关研究.

2012年,加拿大新布伦瑞克大学的Michael T. V. Wylie等人[21]提出了基于布里渊光时域分析BOTDA的有源光纤分布式流量传感器.将光纤对折成为两根平行的传感光纤,再在传感光纤外面套一根不锈钢管.当施加一定的电流时,沿

钢管方向存在一定的温度分布,当气流流过光纤表面时,部分能量将被带走,从而导致温度下降,不妨设散射频移为Δf,则存在Δf=ΔfB,因此,由热线式流量理论和BOTDA可知

Pφa=(f-f0)(C+Dνn)=Δf(C+Dνn).

(5)

式中:φ与a与上一章节参数物理含义相同;C、D—拟合常数,与布里渊散射温度系数相关,可由实验数据拟合得到;f和f0—未加激励和加激励时光纤的布里渊频率,存在Δf=f-f0,可由BOTDA测量仪器获得.因此,建立Δf和流速ν的函数关系即可实现速度ν的实时测量.

实验证明,此系统的流速测量范围为0～10 m/s,且通过增大电流可有效提高测量灵敏度;同时,采用传感光纤平行结构及压缩激光脉冲,系统的空间分辨率可达到10 cm.

同年,Kevin P. Chen团队开展了光纤布里渊分布流量传感器的研究[20],此系统主要包括用于信号解调的Mach-Zehnder干涉光时域反射仪和用于流量传感的电激励的镀膜光纤段,如图12所示.由于传感光纤段为干涉仪传感臂的一部分,因此,参考臂与传感臂的光程差将随外在流量大小的变化而变化,通过混频及傅立叶技术便可求得流量大小及其具体位置.

图12 瑞利散射的光纤分布式流量传感系统结构图Figure 12 Block diagram of optical fiber Rayleigh scattering based distribution flow sensing system

实验结果显示,此光纤传感系统具有空间分辨率1 cm、流速方向角度分辨率小于1°的高流量测量特性;在0.263 m/s的流量下的测量灵敏度为0.014 m·℃·s-1.随后,研究小组又采用光泵浦的方式研究了此有源光纤流量传感系统,同样验证了其可行性.

3 结语

光纤流量传感器具有抗电磁干扰、抗环境噪声、电气绝缘性及自身安全性等特点.随着光纤激光、传感与通信技术的发展,光纤流量传感器已逐步由被动的无源的传感器件发展到主动的有源的传感器件,这样既扩展了光纤流量传感器可测量的参数,又增强了其传感性能(灵敏度、测量范围等)可调性,使其更容易地在生物化学、食品加工、工业控制等众多领域实用化和普及化.针对当前已报道的光纤流量器,其大体发展趋势可归纳为:(1)多参数测量;(2)高精度、高灵敏度测量;(3)传感性能可调、可控;(4)多点、分布式测量.

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Research and development of optical fiber active flow sensors

XIE Dailiang1, GE Shen1,2, HU Pengbing2, CHENG Jia2,3, ZHANG Jianfeng2

(1. College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China; 2. Zhejiang Institute of Metrology, Hangzhou 310013, China; 3. Zhejiang Provincial Intellectual Property Office, Hangzhou 310012, China)

Optical fiber active flow sensors, based on optical fiber sensing and flow detection technologies, emerged and developed in recent years. So far, they can be classified as optical fiber Bragg grating (FBG) based point-type flow sensors and optical fiber Brillouin and Rayleigh scattering distribution flow sensors, which mostly combine the photo-thermal conversion effect of metallic film or the thermal effect of resistance with temperature and strain sensing properties of FBG. (The amplitude, frequency, wavelength and phase of light propagating in optical fiber or FBG can be modulated by ambient temperature and strain in flow circumstances.) In this paper, an introduction of the working principles, types and research progress of optical fiber flow active sensors is presented. It may provide some helpful ideas for future research.

FBG; flow detection; active flow sensor