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结构健康监测中光纤光栅传感技术(十一)光纤光栅互相关流量传感器

更新时间:2016-08-14 22:49:14点击次数:4655次字号:T|T

互相关流量计是利用毛涡或非稳定压力场产生的相同的两路信号,其中一路信号较另一路信号有一个时间上的延迟。利用两个传感器对两路信号进行测量,并对两路信号的互相关函数进行计算,得出对应于最相似时所对应的时间,即互相关函数的峰值点所对应的时间,利用已知的距离,可以得到流速。互相关流量计通常用于管道的流量测量,它的优点在于传感原理比较简单,系统容易实现。目前较流行的互相关流量计基于超声波技术[68],由两对超声波发射/接收器构成。超声波互相关流量计测量范围大、线性度比较好,但是系统构成比较复杂,易受电磁干扰,不利于易燃易爆液体流量的测量。

Takashima等人[69]运用互相关原理和M-Z干涉仪相干解调的方法设计了一种基于光纤光栅检测的流量计。该流量计的传感部分由2个光纤光栅应变传感器和一个方形体构成,无任何电子器件和机械装置,结构简单。流量计的2个光纤光栅应变传感器和一个方形体按一定间隔放置在PVC管中,当液体流过方形体会产生漩涡和气泡,它们使下流的光纤光栅传感器产生微振动,检测2个传感器振动信号的时间差,去除2个传感器直接的距离就得到流速,乘以管子的截面积即可算出流量。

测量原理


4.94为光纤光栅互相关流量传感器的结构示意图。方形体的边长dw3mmdb为方形体与上游传感器的距离,ds为上下游传感器的距离,dc为方形体距PVC管中心线的距离。

1.      流量计的测量试验及讨论

(1)    方形体和卡门涡街散发频率的影响

为了验证方形体对流量计测量结果的影响,比较了有/无方形体情况下的测量结果。4.95给出了ds20mm、流速vb1.0m/s时,所测得的波形、计算所得的RSCOT(τ)以及信号相关度平方值(MSC)。流速定义为流过管道截面积的流量大小。MSC表示在频域内两信号的相似形,定义为

4.95  ds20mm、流速vb1.0m/s时传感器的测量结果:(a)无方形体时所测得信号及RSCOT(τ)波形;(b)无方形体时MSC频谱;(c)有方形体时所测得信号及RSCOT(τ)波形,其中db=20mmdc=0mm(d) 有方形体时MSC频谱。

(1)    传感器各个距离参数的影响

4.96为管道内流速为1.0m/s时,不同距离参数下所测定的MSCRSCOT(τ)。首先分析上下游传感器的距离ds的影响。随着ds的减小,相干信号的带宽越宽而RSCOT(τ)的峰值越大越尖锐。从信号方面看,ds的值尽可能的小;但是较大的ds可以获得较大的量程。因此,需要根据实际的测量需求确定合适的ds值。如图9a所示,对于方形体与上游传感器的距离db,其值越小相干信号的带宽越窄。这是由于越靠近方形体的位置,蜗旋信号被干扰的程度越小。在考虑方形体距PVC管中心线的距离dc对传感器的影响方面,当dc=2.5mm时,管道内产生了包含各种流速的湍流,使得RSCOT(τ)产生比较尖锐的峰值。从图9a可以看出,dc=2.5mm时相干信号的带宽明显比dc=0mm时的大,但MSC的峰值比dc=0mm时的峰值小,而且dc=2.5mmRSCOT(τ)也没有dc=0mm时尖锐。

(1)    流量计的线性度

4.97流量计的流速测量值与流速参考值的关系图。试验结果表明,有方形体的情况下传感器具有更好的线性度。当ds=20db=20以及dc=0mm时,传感器的相对误差仅为5%。实验数据表明:该流量计最小可探测到的流速为0.05ms,并在01.0ms的流速范围内有良好的线性关系。


这种光纤光栅流量计同时也可以利用卡门涡街散射频率原理来测量液体流速。原理如上一节所示。4.98给出了当ds=20db=20以及dc=0mm时,液体流速与卡门涡街散射频率的关系。其中,斯特罗哈数St0.168。如果把信号互相关技术与卡门涡街散射频率原理结合起来,将大大提高系统的可靠性。这种流量计原理简单、成本低、便于操作,具有一定的应用价值。