首页 >
论文范文 >
自然科学论文 >
物理学论文 >
光学论文 >
关于光纤光栅水流流向传感器的研制
摘要：为了实时监测大跨桥梁建设与运营过程中的水流流向变化,以有效分析和掌控水流对桥墩的冲刷,维护水中墩台基础,利用SolidWorks软件设计了一种基于光纤传感技术的水流流向监测传感器。该传感器由万向板、凸轮推杆等结构组成,通过将水流的流向转化成金属丝的拉压应变,实现对不定向水流流向的实时监测。利用凸轮推杆机构在拉压过程中的偏转角度的不同,能够实现正负180°流向的区分。对水流流向的理论计算公式进行了合理推导,并进行了室内传感器标定试验。结果表明:该传感器可以实现360°实时在线监测水流流向变化,误差始终保持在6%以内,具有较高的精度。该传感器的设计使用能够为桥梁施工建设和安全运营以及水文环境监测提供技术支撑。
加入收藏
随着我国“一带一路”与“建设交通强国”战略的提出,我国在桥梁工程建设领域取得了诸多举世瞩目的成就,如港珠澳大桥、平潭海峡公铁两用跨海大桥等,我国桥梁建设事业总体进入历史上最好发展时期。但大跨桥梁在施工与运营过程中,施工平台与桥墩基础都将不可避免的受到水流冲刷等因素的影响,从而出现墩台基础动力软化、材料侵蚀老化等现象,导致结构构件及整体抗力的衰减,影响结构的安全度与耐久度。因此,实时监测水流流向变化,对有效分析和掌控水流对施工平台和桥墩的冲刷,合理维护水中墩台基础,确保施工过程和运营期间的安全具有重要意义。
水流流向的测量方式,最常见的有机械式、热线式、电磁式、多普勒光学式、GPS式和放射性同位素式[1]。机械式流向传感器主要利用流体带动机械转子旋转来测量流向。魏泽文等[2]提出了一种基于电容和压阻测量的非热式流向传感器,但是其灵敏度比较低。王沛云等[3]研发的流向磁阻传感器具有高精度、低功耗等特点,但其也因易受电磁环境干扰而无法大规模应用。日本ALEC公司和英国Valeport公司研制的电磁海流计[4,5],可以根据使用环境不同选择不同结构对水流流向进行测量,但其对被测流体的电导率、磁场分布等要求较高。基于GPS/GPRS技术的流向测量,主要采用了事后差分处理和实时差分处理技术[6],但这两种技术更适合大规模、长距离的流向监测。赵新华等[7]利用同位素,对地下水的流向等运动规律进行测量,但是其不适用于定点监测的研究。近年来,光纤传感技术以其测量精度高、体积小、不易受外界电磁环境干扰等优势,在流体参数识别中得到广泛应用[8],逐渐被应用于各类传感器。然而目前国内外专门针对桥梁冲刷进行定点监测水流流向的传感器研究较少,这主要是因为水上结构所处水流环境相对复杂,定点监测距离短,流向时刻变化,导致水流流向测量困难[9]。本团队曾研发了一款可不定向监测水流流速的光纤光栅传感器[10],在此基础上,又首创性地提出了基于光纤光栅传感技术的水流流向监测传感器,可为我国桥梁施工建设与安全运营提供技术支持,为水文环境实时监测提供更多技术选择。
1、传感器结构及传感原理
1.1传感器结构
本光纤光栅水流流向传感器由上部、下部结构两部分组成。上部结构主要有机架底座、凸轮推杆、弹簧、金属丝等传感元件,下部主要有万向板、转向轴等构成,具体结构如图1所示。
图1流向传感器结构示意
1—万向板;2—转向轴;3—轴承;4—机架底座;5—第一凸轮;6—支撑架;7—第二凸轮;8—顶盖;9—横梁;10—机架护罩;11—键;12—垫环;13—弹簧;14—第一立柱;15—第二立柱;16—内支柱;17—外支柱;18—第一下边框;19—第二下边框;20—矩形框;21—导向轴;22—光纤;23—接收器;24—金属丝
1.2传感器流向测量原理
1.2.1万向板自适应水流[10]
要解决流向不定向问题,传感器就需要自适应流向的变化。传感器自适应功能体现在万向板上,其特点是:万向板一侧固定于转轴上,可随转轴转动,转动轴承固定在机架上。工作时转轴竖直,万向板在水平面内随不定水流方向改变而旋转,万向板将带动与它固定的转轴一起旋转,待水流流向与万向板平面平行且由近轴端流向远轴端时,万向板最终将处于平衡状态不再旋转,否则将继续旋转至平衡状态(见图2)。待其自我适应后,万向板便与水流处于同一平面。
图2万向板自适应水流示意
1.2.2水流流向转化原理
1.2.2.1水流流向转化为转轴转向
万向板与转轴固接,万向板在旋转的过程中,将带动与它固定的转轴一起旋转。由此将流体流向问题转化成转轴的转向问题。
1.2.2.2转轴转向转化为封闭推杆位移
在转轴上加装偏心轮1,以偏心轮1边缘到转轴中心的不同距离一一对应转轴的不同转向,瞬时偏心轮1随转轴顺时针转动时封闭推杆1水平右移(见图3);待正常工作时转轴转向不定,但封闭推杆1只做图示位置的左右平动。转动时偏心轮1将封闭推杆1推到距转轴中心的不同位移,不同位移对应不同方向。
图3凸轮推杆机构测位移
1.2.3实现360°流向监测
1.2.3.1偏心轮2和封闭推杆2的设置
单个偏心轮1由于其过转轴中心存在一个对称轴,因此只能辨别180°的方向,而在监测过程中传感器需要做到对水流方向的精确识别,区分水流在某一平面上360°的流向,故增加一个偏心轮2和封闭推杆2,偏心轮2的装配位置与偏心轮1的装配位置相差90°(偏心轮1、2的大小形状相同)。当偏心轮1使封闭推杆1在对称位置产生位移相同时,偏心轮2使封闭推杆2产生的另一位移可协助区分偏心轮1的对称情况,如图4所示。
图4偏心轮2偏置90°与封闭推杆2测位移
1.2.3.2凸轮推杆机构流向转化原理
传感器上的两组偏心轮、封闭推杆机构组成的凸轮推杆机构运动原理如图5、图6所示,其在传感器中的具体位置如图7所示。O1、O2分别为其转动中心,两大小、形状完全相同的偏心轮圆心分别为O′1、O′2。其装配情况为:转轴分别穿过两偏心轮转动中心O1、O2,转轴与偏心轮通过键槽中的键固定且偏心轮上下分布,中间有垫圈相隔,安装时偏心轮1与偏心轮2的装配位置偏转90°。当偏心轮1分别处于位置1和位置2时,由对称性可知封闭推杆1分别处于位置1与位置2产生的位移1和位移2是相同的,无法区分1和2两位置对应的方向,当偏心轮2分别处于位置1与位置2时,明显位置1使封闭推杆2产生的位移1小于位置2使封闭推杆2产生的位移2,故利用两位置使封闭推杆2产生位移的差别,区分360°的流向。
图5凸轮推杆机构1
图6凸轮推杆机构2(装配位置偏转90°)
图7凸轮推杆和弹簧结构示意
1.2.3.3封闭推杆位移转化为光纤光栅应变
弹簧分别连接封闭推杆与机架两端的金属丝,光纤光栅粘贴情况如图8所示,其粘贴在金属丝上感知梁的拉压应变,左右两端各设置两个金属丝和3根光纤光栅(其中左侧2跟,多设置一根温度补偿光栅),通过测量两端的光纤光栅波长的变化,实现360°水流流向的监测。
图8光纤光栅粘贴
2、流向理论计算表达式
光纤Bragg光栅波长变化量与应变转化的理论公式如下
ΔλB=λB(1-Pε)ε(1)
式中,Δλ为光纤光栅的波长改变量(nm);λB为光纤光栅原始中心波长(nm);Pε为有效弹光系数,取0.22;ε为被测物应变。
由此变形可以得到
ε1=ΔλB1(1−Pε)λB1(2)
ε2=ΔλB2(1−Pε)λB2(3)
式中,ε1、ε2分别为金属丝1、2上所贴光纤光栅测出的应变值;ΔλB1、ΔλB2分别为所贴光纤光栅的波长改变量(nm);λB1、λB2分别为所贴光纤光栅的原始中心波长(nm)。
偏心轮1和2的位置变化如图9、图10所示。
图9偏心轮1位置变化
图10偏心轮2位置变化
由几何关系得到偏心轮1、2在推杆上所产生的位移
X1=e(1-cosα)(4)
X2=esinα(5)
式中,e为偏心轮的偏心距(mm);α为偏心轮转动的角度(°);X1、X2分别为两推杆产生的水平位移(mm)。
两推杆所产生的水平位移理论上等于弹簧的变化量和金属丝的变化量,故两金属丝受到的外力如下
F1=ΔλB1EAλB1(1−Pε),F2=ΔλB2EAλB2(1−Pε)(6)
将式(6)和式(4)、式(5)分别代入式(2)和式(3)得
X1=ΔλB1lλB1(1−Pε)+ΔλB1EAλB1(1−Pε)K(7)
X2=ΔλB2lλB2(1−Pε)+ΔλB2EAλB2(1−Pε)K(8)
式中,F1、F2分别为两金属丝所受弹簧外力(N);K为弹簧刚度(N/mm);l为金属丝长度(mm);E为金属丝的弹性模量(MPa);A为金属丝的受力截面面积(mm2)。
式(4)和式(5)中
cosα=1−(ΔλB1lλB1(1−Pε)e+ΔλB1EAλB1(1−Pε)Ke)(9)
sinα=ΔλB2lλB2(1−Pε)e+ΔλB2EAλB2(1−Pε)Ke(10)
联立式(2)至式(10)可得
α=arctanλB1(EA+Kl)ΔλB2λB2[Ke(1−Pε)λB1−(EA+Kl)ΔλB1](11)
最后再结合sinα、cosα的正负确定水流流向α的大小。
3、试验分析
3.1试验内容
传感器利用3D打印技术和精密加工相结的方式进行加工,实物如图11所示,并采用图12所示标定方案进行试验[10]。本试验采用3个均匀光纤Brag光栅作为应变测试和温度补偿光栅,如表1所列。
图11传感器实物
3.2数据分析
本试验采用小波变换对振动信号进行降噪处理,并减去温度对波长影响的变化量(见表2)。设定水流方向从转向轴端流向万向板为0°水流方向,顺时针旋转为正向,对0°～90°水流流向进行重复两次试验,90°～360°的测试方法相同。
图12传感器标定试验方案
3.2.1测试波长与理论流向的关系
将两试验波长数据进行处理,得到波长增量和流向的关系,如图13所示。
图13波长增量与流向关系
由图13可知,随着流向的增加,测试光纤光栅的波长增量均逐渐增加,满足流向在正向0°～90°测量过程中,两金属丝均受拉导致波长增加。对于试验1,在小角度时,波长1的变化量大于波长2;流向逐渐增大时,则相反。对于试验2,在小角度时,波长1的变化量大于波长2;流向逐渐增大时,波长1的变化量开始小于波长2,但最终仍是波长1的变化量大于波长2。
表1光纤光栅传感器参数
本传感器在监测水流流向变化时,左侧金属丝先开始受拉,所以导致波长1的变化量在开始时略大于波长2,后流向逐渐增大时,波长变化量逐渐趋于相同。但由于光纤光栅粘贴工艺和预拉力强度的问题,导致在流向增大到70°～90°时,波长1和波长2的变化量开始趋于不同,存在偏差。
3.2.2理论与标准试验值对比
图14误差范围变化
对试验数据进行误差计算,得出误差百分比如图14所示。由该图可知,试验2的误差波动比试验1的偏大,但两次试验误差始终保持在6%范围内,最大误差为1.8°,具有较高的试验精度,且随着流向变化增大时,误差逐渐减小。查阅水流流向规范可知,本传感器的测试误差符合要求。
3.3试验误差分析
流向标定试验误差主要来源于以下几个方面。
(1)两个偏心轮间的润滑度:
两个偏心轮和2个封闭推杆起着传导流向的作用,偏心轮之间的润滑度不够可能会导致流向传递出现阻滞的现象,影响测试的精度。
(2)金属丝的强度:
本传感器所用监测光栅粘贴于金属丝上,若金属丝的强度不够均匀,容易导致光纤光栅感知应变变化能力减弱,产生误差。
(3)光纤光栅的粘贴工艺和预拉力设置:
由于金属丝既可能受拉也可能受压,所以光纤光栅将同时感受拉压应变,需要较高的粘贴工艺和对其设置足够的预拉力,才能精确反映金属丝的应变变化。故光纤光栅的粘贴工艺和预拉力强度也是试验误差的原因。
3.4市场常规流向传感器对比
查阅市场常规流向传感器的参数(见表3),可知本文所研发传感器在测量范围与精度方面具有较强优势,由于是均匀布拉格光纤光栅作为传感元件,其不易受外界环境干扰的优势得以在本传感器上得以体现。
表3流向传感器参数对比
4、结论与展望
本文研究内容主要是基于光纤光栅传感技术,围绕水流流向监测需求,设计了一款可360°监测水流流向变化的新型流向传感器,对传感器的监测原理进行了详细的介绍,并推导了流向的理论计算公式。对设计的传感器进行了标定试验,对误差来源进行了分析,取得了一些有益的研究成果,得出如下结论:
(1)提出的基于光纤光栅传感技术的水流流向监测传感器,可实现水流流向自适应监测功能和360°不定向水流流向的测量功能。通过性能标定试验可知,本传感器具有较高的测试精度,误差范围始终保持在6%以内,满足实际桥梁等水中结构物所处水流环境水流流向的监测需求。
(2)对试验误差来源进行了有效分析,为后期进一步提高传感器测试精度提供参考。通过对市场常规流向传感器参数的比较,充分体现了本传感器的测量优势。
(3)实际水流环境较复杂,传感器在监测水流流向过程中,可能受到漂浮物和湍流的影响,引发局部水流扰动而造成水流局部方向发生变化,产生测量误差。故在后期水流流速流向传感器的研发过程中,将加入阻尼机构以消除局部扰动引起的水流方向变化,进一步提高传感器监测精度,以实现高精度的不定向水流流速流向一体化监测。
参考文献：
[1]刘建华.可测上升流三维海流传感器的结构设计与流场分析[D].合肥:合肥工业大学,2014.
[2]魏泽文,秦明,黄庆安.一种新型硅压阻式流速流向传感器的设计[J].仪器仪表学报,2007(8):1416-1420.
[3]王沛云,秦平,陈鲁疆,等.磁阻传感器在海流计流向测量中的应用研究[J].海洋技术,2012,31(3):17-20.
[4]史峰,程琛,王鹏飞.S4海流计的应用方法[J].气象水文海洋仪器,2011,28(4):62-64.
[5]陈卓,任久春,朱谦.基于倾斜测流的浮标海流计原型设计与实现[J].自动化仪表,2019,40(4):85-88.
[6]宋大雷,周相建,陈朝晖,等.海流计发展现状与发展趋势展望[J].船海工程,2017,46(1):93-100.
[7]赵新华,王永敏,潘国锋,等.基于同位素测井技术的地下水流速流向测量系统研制[J].科技信息,2011(10):783-784.
[8]白景华.多芯光纤流速/流向测量技术研究[D].秦皇岛:燕山大学,2019.
[9]李付军,张佰战,林桂宾,等.斜交桥下水流流向偏转角度的理论分析[J].水科学进展,2005,16(5):634-637.
[10]张浩,钟志鑫,胡军海,等.光纤布喇格光栅水流流速传感器的设计[J].光通信技术,2019,43(10):5-10.
钟志鑫,段君淼,张浩,胡军海.光纤光栅水流流向传感器的设计[J].水利水电技术,2020,51(07):63-69.
基金:国家重点研发计划项目子课题(2016YFC0802202-3);省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室自主课题(ZZ2020-19).
分享：
2022年， 全世界的糖尿病患者已超过5.37亿。 对于他们而言， 无创伤的血糖检测一直是他们的期待。 基于近红外光谱法的血糖检测是一个有前景的无创方法， 采用两个或多个光源-探测器距离进行差分测量的方法, 可以有效地提高活体光谱采集的稳定性， 也是目前该领域多采用的测量形式。
2024-05-11
提出了一种利用数码相机进行观测的新型分光计方案及其调节方法,并研制了实验样机.利用数码相机替代了传统分光计中的望远镜部分,可观察并记录相关光学现象.调节分光计时,首先利用数码相机镜头对焦于无穷远作为标准进行平行光调节,然后利用反射狭缝像的位置调节载物台与旋转轴的垂直,最后以载物台为基准调节数码相机及平行光管与旋转轴垂直.对新型分光计的特性分析及实验结果表明:该新型分光计具有调节难度低、测量误差小、能同时观测多条光谱线的特点。
2020-12-08
长波红外光谱(8～14μm)是介于中红外波段和太赫兹波之间的重要电磁辐射,对应着地球表面常温目标物体的辐射波段和地球“第三大气窗口”,相对于短波和中波红外辐射,长波红外辐射受大气散射影响较小。因此,长波红外辐射在红外夜视、资源探测、精确制导、安防报警等科研及国防领域具有极其重要的应用,为国家综合实力的重要体现。
2020-12-08
气体浓度检测一直是十分重要的工作,它与人类生活、环境变化和工业生产都息息相关,尤其是有毒有害气体的检测。近年来随着光谱技术的大力发展,可调谐半导体激光光谱技术(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy,TDLAS)已逐渐发展成熟,它具有灵敏度高、响应速度快、实时监测以及优秀的便携性等优点,成为了气体检测的重要技术之一。
2020-12-08
随着科学技术的不断发展进步，军事和镜头相关的工商业领域都越来越多的使用红外光学系统。尤其在军事方面，光学系统发展迅速，导致军事方面对光学系统的性能有越来越高的要求。通常情况下，摄远物镜的系统长度小于其焦距[1]，所以焦距相同时，把红外物镜设计成红外摄远物镜就可以很大程度上减少系统的制作成本。
2020-12-05
光刻工艺是集成电路制造中最重要、最关键的工艺步骤之一。随着半导体技术的飞速发展，图形越来越密集，特征尺寸越来越小，对光刻工艺分辨率的要求越来越高。光刻工艺中一个重要的性能指标是每个图形的分辨率。在先进的半导体集成电路制造中，为获得高集成度器件分辨率很关键。
2020-11-20
激光加工是一种非接触、无污染、无磨损的加工工艺，它包含激光切割、激光打孔、激光标刻等加工方式。激光打标技术已经在众多领域占有很大的比例，国家根据激光标刻行业制定了一系列的标准。工艺参数的设定在激光标刻过程中对其加工质量和效率起到了重要作用[1]。本文以激光标刻文字、条形码为研究对象，通过优化汉字笔画打标顺序和圆弧代替直线加工，能够激光标刻质量和效率。
2020-10-19
在我们最近的工作中[11],将RF白噪声和波长调制被同时添加到OA-ICOS系统中,提出了一种痕量气体检测的新方法(RF-WM-OA-ICOS)。与未受RF噪声干扰的OA-ICOS相比,RF-WM-OA-ICOS的探测极限提高了约6倍。本文将进一步地详细研究RF噪声扰动对WM-OA-ICOS系统的二次谐波信号的影响,并基于该技术建立了一套高精密的甲烷气体测量装置。
2020-09-09
自动随着公路建设的不断发展,对公路建设的质量提出了更高的要求,需要构建公路磨耗层质量自动监测模型,结合大数据信息处理方法,进行公路磨耗层质量自动监测的信息处理,提高公路磨耗层质量监测的自动化水平[1],从而提高公路建设的质量,提高对公路磨耗层质量信息健康管理水平[2],采用大数据信息管理和优化融合调度技术,进行公路磨耗层质量自动监测系统开发设计,在信息化管理平台下,进行公路磨耗层质量自动监测方法改进,对相关的公路磨耗层质量自动监测模型研究具有重要意义。
2020-08-10
激光线性结构光传感器具有结构简单，体积小等特点，广泛用于焊接的焊缝追踪，轨迹规划等，称为焊接过程自动化的关键技术之一。而在结构光条定位中，为了提高定位精度，提出了亚像素的概念，是指在相机得到的像素和像素之间还有几十到十几个微米的距离。而通常我们计算出的坐标都是正整数，这表示的是我们是在对像素进行操作，而亚像素计算出来的坐标是实数，能够极大地提高算法的精度。
2020-08-10
人气：6027
人气：4230
人气：3748
人气：3694
人气：3104
我要评论
期刊名称：发光学报
期刊人气：1595
主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,中国物理学会发光分会,发光学及应用国家重点实验室
出版地方：吉林
专业分类：科学
国际刊号：1000-7032
国内刊号：22-1116/O4
邮发代号：12-312
创刊时间：1980年
发行周期：月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：一年半以上
影响因子：0.735
影响因子：0.645
影响因子：1.369
影响因子：0.874
影响因子：0.385
科普杂志阅读、期刊信息查询、论文下载、文献查询、原创文章检测等多项服务。
服务热线
您的论文已提交，我们会尽快联系您，请耐心等待！
你的密码已发送到您的邮箱，请查看！
2020-07-14
203
上传者：管理员
