Page 39 - 网络电信2018年6月刊上

解 决 方 案

基于差压原理的矿用光纤光栅风速传感器

1,2
1,2
3
1,2
李振 ，王纪强 ，赵林 ，张华文 ，刘统玉 1,2
1.山东省光纤传感技术重点实验室；
2.山东省科学院激光研究所；
3.山东省计量科学研究院

摘要：设计了一种新型的矿用光纤光栅风速传感器，利用差压原理实现风速转化，由波纹管、等强
度悬臂梁和双光纤光栅组成差分敏感机构，并通过算法进一步进行温度补偿，有效克服了温度交叉敏感
问题，提高了应变测量的灵敏度。文中推导了光纤光栅中心波长变化量与风速的关系，同时对敏感机构
进行了水压模拟试验，得到传感器敏感机构的灵敏度为0.703pm/Pa，与理论值具有很好的吻合度；对风
速传感器样机进行风洞试验测试，结果表明风速在0.2~20m/s的情况下，传感器测量误差可基本控制在
±0.3m/s以内，并具有良好的线性关系。
关键词：风速传感；差压原理；光纤光栅；差分敏感机构

引言 测风速值。该风速传感器无转动部件，结构一体化易于安装，
国内外对风速传感器的研究由来已久，并且已有比较成熟 敏感机构不受水汽、粉尘等井下环境因素影响，可靠性好。
的产品。但对于煤矿井下通风应用来说，由于井下特殊的环境
[1]
和风场特点，能实现准确有效监测的风速传感器却不多 。国 一、风速传感器设计
[7]
内外对矿用风速传感器的研究一般分为热线式、叶轮式、差压 依据差压原理 ，在流体管道内设置阻力件，当流体流经
[2]
式与超声漩涡式 。热线式风速传感器通过风流经发热元件时 阻力件时，速度增加、静压力减小，在阻力件两侧会产生压力
带走的热量与风速成正比的原理测量风速，但井下环境恶劣， 差，该压力差的大小与流体速度有关。文中所设计的光纤差压
[3]
流体动力干扰等影响因素较多，且易损坏热线 ；叶轮式风速 风速传感器由风速管、前后取压口、敏感机构和壳体组成，如
传感器则易受井下水蒸气、煤尘等影响，致使叶轮转动阻力增 图1所示。
大，造成较大的测量误差，同时严重制约传感器的使用寿命
[4] 图1 差压风速传感原理
；超声波旋涡式风速传感器是目前研究比较多的一类风速传
感器，但由于其结构复杂，不易维护，受环境因素干扰大等特
[5]
点，在矿井监控系统中未获得大规模推广应用 。另外，传统
的风速传感器都直接或间接通过电信号与风速的对应关系实现
风速测量，在煤矿井下的特殊环境使用，极易引起井下瓦斯爆
炸，从而存在严重安全隐患。光纤传感技术具有本质安全、抗
电磁干扰等突出优点，特别适合易燃易爆等危险场合应用。目
前，对光纤风速传感器的研究还处于起步阶段，国内有部分文
章及专利阐述了关于光纤风速传感器的理论及制作，但大多还
[6]
处于试验测试阶段 。文中设计了一种基于差压原理的光纤风
速传感器，利用波纹管、等强度悬臂梁和双光纤光栅组成的敏
感机构，根据光纤光栅反射中心波长变化与风速的关系得到所 假设空气密度为ρ，前、后取压口截面直径分别为d 1 、d 2 ，

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