[实用新型]一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，属于光电子测量技术领域。

背景技术

在水利工程中， 渗流和渗透控制是土石坝工程中的关键控制性参数，直接关系到工程的安全。水工建筑物的渗流，会对坝体造成渗透破坏，严重时会发生垮坝事故。通常，地表水的冲刷破坏常会引人注意，也比较容易发现和挽救；而地下水的冲刷则不易观测，常被忽视；长时间小的渗流达到一定程度会导致工程的破坏，不利于补救。因此，在水利工程中，有必要设计一种微流量传感器对渗流进行实时在线监测。

与本实用新型最接近的技术是李晓东，苏学利，赵仕俊，“液控活塞式小流量计的研制”《石油仪器》，2001年刊，第15卷第3期。文献中采用机械式计数器的液控活塞式小流量计，利用人工巡检的方法，但难以实现对渗流的远距离实时监测、并及时发现异常，监测结果受人为因素的影响也很大。此外，机械式计数器还易受外界电磁的干扰，造成测量误差。

发明内容

本实用新型提供了一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，以用于解决水利工程中渗流的实时在线监测问题。

本实用新型的技术方案是：一种基于光纤Bragg光栅计数的微流量传感器，包括外壳1、液缸2、活塞3、进水口4、集成液控换向单元5、联动装置6、阀Ⅰ7、阀Ⅱ8、阀Ⅲ9、阀Ⅳ10、出水口11、计数装置；其中位于传感器中部的液缸2之上设有活塞3、液缸2右端基板上装有计数装置，位于外壳1左侧的进水口4与位于联动装置6左侧的集成液控换向单元5连通，位于液缸2下边两端处与联动装置6接合的阀Ⅰ7、阀Ⅱ8分别与位于外壳底部右侧的出水口11连通，位于液缸2上边两端处与联动装置6接合的阀Ⅲ9、阀Ⅳ10分别与集成液控换向单元5连通。

所述计数装置包括圆柱形压头12、等强度悬臂梁13、光纤Bragg光栅14、光纤引出孔15、光纤16、计数装置外壳17、固定螺丝18、弹簧19、限位槽20、限位基座21、固定基座22；其中圆柱形压头12卡在位于计数装置上边中部的限位槽20内，等强度悬臂梁13通过螺丝安装在焊接于计数装置外壳17右端底部的固定基座22上，光纤Bragg光栅14粘贴在等强度悬臂梁13上表面中心轴线上，位于光纤Bragg光栅14一侧的光纤16通过位于外壳1上边右侧的光纤引出孔15引出，弹簧19固定在限位槽20的内壁，等强度悬臂梁13自由端的底部与计数装置外壳17接合处焊接限位基座21，计数装置与液缸2右端基板通过计数装置上边两端的固定螺丝18连接。

所述光纤16用硅橡胶套管套装保护。

使用时，将计数装置安装在液缸2的右端基板上。

当液缸2内的活塞3在左死点时，由进水口4流入的高压液体使集成液控换向单元5通过联动装置6控制液控换向阀阀Ⅱ8、阀Ⅲ9通，阀Ⅰ7、阀Ⅳ10不通；水经过集成液控换向单元5通过管道由阀Ⅲ9流入液缸2注：由于阀Ⅳ10不通，此时水不能从阀Ⅳ10流入液缸2，推动活塞3向右运动，同时活塞3右端液缸2内的水由阀Ⅱ8经出水口11排出。

当液缸2内的活塞3行至右死点时，集成液控换向单元5通过联动装置6控制阀Ⅰ7、阀Ⅳ10通，阀Ⅱ8、阀Ⅲ9不通；水经过集成液控换向单元5通过管道由阀Ⅳ10流入液缸2注：由于阀Ⅲ9不通，此时水不能从阀Ⅲ9流入液缸2，推动活塞3向左运动，活塞3左端液缸2内的水由阀Ⅰ7经出水口11排出。

其中，当活塞3向右行至右死点时，活塞3撞击圆柱形压头12，并使与之接触的等强度悬臂梁13产生挠度变化，进而导致光纤Bragg光栅14中心波长发生移位，波长变化信号由光纤16传出，当波长变化量大于波长变化量的阈值100pm时计数一次，进行累加以实现计数功能，最后根据液缸2的容积计算出流量值。本实用新型技术的数学模型分析如下：

光纤Bragg光栅的反射峰值波长满足：

                                                                                                       （1）

式中，是光栅周期；是有效折射率。

在光纤Bragg光栅的传感应用中，光纤光栅的Bragg方程式（1）确定了其Bragg波长与光栅周期和方向耦合模有效折射率的关系。

在所有引起光栅Bragg波长移位的外界因素中，最直接的是应力、应变参量。其中，应力引起的光栅Bragg波长的移位可表示为：