基于激光加热和光纤光栅的微小流速与流向传感器研究

作     者：尹彪 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董小鹏

授予年度：2022年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 080103[工学-流体力学] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0802[工学-机械工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：光纤光栅传感器 热式流速传感器 对流传热 流速测量 流向测量 

摘      要：在水利水电的生产和安全监测领域,准确测量流体的流动速度和流动方向具有十分重要的意义。常规的流速流向传感器一般只适用于较高流速的应用场景,但在大坝健康安全监测中,需要对极低流速(1×10-4 cm/s)的渗流进行监测;在其它微流管道流量测量应用领域,微小流速的测量也十分重要。热式流速传感器在流速测量领域有较大的应用,由于加热体温度以及加热体周围流体的温度分布与流体的运动状态有关,通过测量加热体的温度以及其周围温度场的变化,可以获得流体流速及流向的信息。传统的热式流速流向传感器采用电加热方式,需要将金属导线布设至较远距离的监测点,使用时存在安全和长期可靠性问题;采用电子式的温度传感监测方案,存在传感器需要供电、传感信号长距离传输易受环境干扰、传感系统长期可靠性差等问题。针对传统和常规的基于温度变化的液体流速流向传感测量问题,本文提出采用光纤传送的激光加热、以及通过光纤布拉格光栅(FBG)监测加热体和周围温度场分布变化的新型微小流速流向传感测量方案,通过理论仿真和实验测量验证了本文所提方法的可行性。基于光纤传送激光的加热以及光纤光栅的流速流向传感器具有传感器灵敏度高、体积小、耐腐蚀、长期可靠性高、可实现远距离实时在线监测等优点,在水利水电领域具有广阔的应用前景。本文主要研究内容和工作如下:1、通过COMSOL仿真软件分析了低流速下加热体及其周围的温度变化规律,研究了脉冲和恒定两种加热方式下温度变化与流速流向的关系,为流速流向传感器的设计提供理论基础;2、对于通过电流或激光直接加热传感光纤在应用上可能存在的问题,提出一种激光加热金属体的热源结构,提高了加热效率,降低了热式流速传感器的成本和传感头设计的复杂性,为加热功率和传感信号全光纤传输、高灵敏、低成本的光纤流速流向传感器的实现提供了保障;3、设计制作了一种通过脉冲激光加热的光纤流速传感器。基于加热体温度随时间变化规律与液体流速有关的这一特性,通过光纤光栅实现了极低流速的测量。通过布设在加热体附近不同位置的FBG还可以判断水流方向。4、基于恒定加热情况下热源周围温度分布与液体的流速和流向有较大关系这一特点,提出了一种通过在热源周围不同方位布设光纤光栅测量流体温度场变化的流速流向传感方案。通过软件仿真分析了不同流速和流向下加热体周边温度场的变化规律,证明了该测量方案的可行性。