【摘 要】
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流量和温度的监测在现代工业生产中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量。传统的流量计因受原理和结构的限制,存在测量误差大、易受电磁干扰、测量参数单一等缺点。光纤布拉格光栅作为一种新型传感元件,因其具有体积小、响应快、抗电磁干扰等优点而被广泛应用于测量领域。基于此,本文开展了基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感研究。本文的主要研究内容如下:1)基于光纤布拉格光栅耦合模理论、弹性力
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流量和温度的监测在现代工业生产中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量。传统的流量计因受原理和结构的限制,存在测量误差大、易受电磁干扰、测量参数单一等缺点。光纤布拉格光栅作为一种新型传感元件,因其具有体积小、响应快、抗电磁干扰等优点而被广泛应用于测量领域。基于此,本文开展了基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感研究。本文的主要研究内容如下:1)基于光纤布拉格光栅耦合模理论、弹性力学理论和材料力学理论,建立了光纤布拉格光栅传感模型;研究光纤布拉格光栅光谱特性和传感机理,分析了光纤布拉格光栅交叉敏感特性,提出了光纤布拉格光栅应变温度复合传感机理;建立了聚合物封装下传感理论模型,揭示了传感光栅波长漂移与被测参量映射规律,结合流量测量原理,提出了基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感机理。2)现有的双光纤布拉格光栅流量计多是通过两个FBG的波长差异计算得出环境参数的变化,这导致FBG粘贴的位置、传输过程中的损耗都会对测量精度产生影响,针对这一问题,本文综合分析了流体特性和封装方法等对光纤布拉格光栅波长漂移的影响,建立了传感单元模型,分析了FBG封装技术,设计了复合传感器结构;研究FBG增敏机理,选择封装材料,设计传感器聚合物封装方式。3)开展了基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感仿真实验。采用有限元仿真和数值分析相结合的方法进行实验,实验结果表明:温度与FBG的波长漂移呈良好的线性关系,且两个FBG对温度的灵敏度基本一致,为13.8pm/℃,说明在同一温度场中,温度变化量相同时,FBG的波长变化量也相同;在恒温状态下,FBG1中心波长保持不变,即FBG1没受到应变的作用,这为温度补偿提供良好前提条件,用FBG1对FBG2进行温度补偿后,其中心波长的漂移量与流体流量呈二次关系。4)搭建了流量温度复合传感器实验系统平台;进行温度流量复合传感实验,实验结果表明:温度与波长漂移量呈线性变化关系,线性度均在99%以上,传感器对温度的分辨率为0.04℃,温度测量误差为1.8%,流量分辨率为0.33m3/h,流量测量误差为2%。提出了一种基于粒子群算法的FBG流量温度复合传感解耦方法,并运用所设计的粒子群算法对实验数据进行流量与温度解耦研究,研究结果表明:解耦后传感器在3m3/h～8m3/h的范围内其流量最大误差为0.014m3/h,温度最大误差为0.021℃,流量测量误差为0.28%,温度测量误差为1.5%,流量均方误差为1.16×10-4m3/h,温度均方误差为1.53×10-4℃,与BP神经网络算法进行性能比较后,结果表明所采用的粒子群算法解耦效果良好,有效地提高了传感器的测量精度。综上所述,本文开展了基于光纤布拉格光栅的流量温度复合传感研究。基于光纤布拉格光栅传感理论和流量温度复合传感理论,提出了光纤布拉格光栅的流量温度复合传感机理;设计了悬臂梁为空心圆柱的一体靶式结构的光纤布拉格光栅流量温度复合传感器;采用数值分析的方法对所设计的复合传感器进行了流量温度仿真实验研究;搭建了流量温度复合传感实验平台,以此为基础开展了流量温度复合传感实验,并提出了一种基于粒子群算法的FBG流量温度复合传感解耦方法,运用所设计的粒子群算法对实验数据进行流量与温度解耦研究,与BP神经网络算法进行性能比较后,结果表明所采用的粒子群算法解耦效果良好,对提升传感器测量精度具有重要的现实意义。
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