静压式光纤光栅密度传感器研究

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TECHNOLOGY科研与实静压式光纤光栅密度传感器研究-、 前言密度传感器在工业生产控制 、检测、航天、军事等方面应用非常广泛.它是确定液体密度或者液体密度函数其他参数的-种计量仪器 传统的玻璃密度计不但不能实时监测储油罐内的密度变化 .而且手动操口牛生辉 田光 韩鹏 纪涛 郭永超作 ，人工读数 ，不可避免地存在易受人为因素影响的缺点，不能实现测量 自动化。比重也称相对密度 ，固体和液体的 比重是该物质 的密度与在标准大气压 、3.98℃时纯水下的密度(999.972km )的比值。气体的比重是指该气体的密度与标准状况下空气密度的比' ， ， l l ' ， ' ， ， ， ' ， ， ， ' l ， ' ' ， ' ， ， ， ， ， ' ' ) ' ' ' ' ' ' ' ' ) ， ' ' ' ' ' ' ， ' ' ' ， ， ' ， ' ， ， ' ' ， l ' ， ， 表3 标准表(质量流量计)法流量标准装置不确定度分析-览表序号 符号 来源 标准不确定度 u(x ) 灵敏系数c(x ) I c( )IH( )1 VFD，15 加气机读数误差 2.89 X10- L 31.44m-3 9.086 X10-52 MFM 质量 M引入误差 0.叭kg -0.055kg- 0.000323 C1MM 压力补偿系数 4.65×10-4 -l 0.0004634 C PlMM 温度补偿系数 4.34×10-5 -l 0.00004345 p P测量误差 0.577k g/In 0.00174m /kg 0.00098096 u ( ) 测量重复性 O.O5% 1 0.0005则 )： ：0.577kg/m，。自由度 (p)：30。

、/3(6)标准不确定度汇总(见表 3)4.合成标准不确定度M (Ev2)c21u ( FDl5)c ( MFM)c (C M)c (C洲)c2gt2(pl5)c26 (s)(9)代人数据可得： (Ev2)1.33610，其有效 自由度 35喜5.扩展不确定度取置信概率为95%，查t分布表可得 ：f ( )2.03则 5(Ev2)2.71x10五 、比对结果分析通过采用两台不同检定装置进行串联的方式 .对同-台LPGJI气机进行检定及不确定度分析来看 。

可得出以下结论：1.标准表(质量流量计)法流量标准装置和标准表(容积式流量计)法流量标准装置均满足LPGI气机的检定要求2.两套装置 串联检定时.造成检定管路过长.下游压力明显降低。尤其是在小流量时，上下游标准装置压差达400kPa3.由于加气站工艺流程所限.当流量小于加气机最杏气速度时.示值误差超差4.评判准则 ：若 ≤1，则满意度好 ；若 >l，则满意度不好由 I-：、/ (Ev1) (Ev2) Vo.0025120.002710.258可知.此次比对的满意度好.两台加气机检定装置均工作正成靠作者单位沈阳市质量技术监督局岛2013.8中国计量 75TECHNOLOGY研与实践值。密度是有量纲的量。比重是无量纲量。由于在实际中-般认为水的密度为1.其他液体密度值与其相比数值不变 ，所以-般认为比重值就是液体密度值。-般的浮子式密度计用比重数值作为刻度值.这类仪器中最简单的是 目测浮子式玻璃密度计.简称玻璃密度计 -个功能完好的目测浮子式玻璃密度计仅能处于漂浮状态 ，在平衡的时候.它受的重力大小等于浮力。

各种液体其标准密度不同.例如规定的石油类产品其被测样品的标准温度规定为l5℃，而水的标准温度为3.98℃.糖类溶液的密度对应的标准温度为20℃ 在工况环境下的液体测量温度往往偏离标准温度 .这时就必须通过测量当时温度 .再通过温度与密度转换表换算为标准温度时的标准密度。

二 、工作原理膜片是-种可以在垂直于它的挠性面方 向移动的压力敏感元件.除此之外，它通常还用作密封 、隔离等元件，在很多领域中都有广泛的应用前景。膜片可以将两种压力不等的介质分开 .具有挠性的圆薄膜或圆形卞。膜片的挠性面可以没有波纹而接近平面，即平膜片或近似平膜片：也可以具有各式各样的波纹，-般称之为波纹膜片。

在材料的弹性范围内.作用于膜片上的载荷与膜片的中心挠度的关系称为膜片的弹性特性。根据弹性力学原理，平膜片在均布压力p的作用下，均布压力和中心挠度∞的关系如式(1)所示：(1)式中：r 膜片半径；D-- 膜片的抗弯刚度。

D (2)式 中 ： --膜 片厚 度 ； 膜片材料 的杨氏弹性模量；，l- 泊松比。

分 析 式 (1)和 式 (2)可得，当膜片选定时， 为常数，设为 ，则式(1)可变为oJpK (3)即膜片挠度与其上所受76 中国计量2013 8曲线图1 平膜片实际弹性曲线与拟合线均布压力大小成正比 -般要求膜片的线性要好.但绝对的线性是很难实现的.总会有某些程度的非线性存在如图l所示，曲线为平膜片实际弹性曲线，直线为拟合线，在实际应用中我们-般可以用拟合线代替弹性曲线由于光纤Bragg光栅是刚性粘贴在平膜片上的，当膜片受到液体压力作用时会带动刚性粘贴在膜片上的光纤Bragg光栅发生轴向位移，使反射中心波长发生移位.通过光谱分析仪测量波长移位量.再通过数学变换，得到被测液体密度值。

由物理学可知p-WgH (4)对于平膜片，如图2所示 ，在设计计算中，采用等效平膜片法分析膜片力学性能 当膜片的中心位移小于其厚度的1/3时.称其工作在小挠度情况下 .采用小挠度理论计算平膜片的径向应力为[ (1 ) (3 )] (5)径向应变为s (R2-3r2) (6)在膜片中心(r0)处，径向应变为图2 平膜片尺寸及受力图 (1 ) (7)将式(4)代入式(7)，得 3pg R(1-/x2)H (8)由均匀轴 向应变引起波长移位的纵 向应变灵敏度公式为： (9) --s L其 中，s 0.78，为光纤Bmgg光栅相对波长移位应变灵敏度系数将式(8)代人式 (9)，得(1 ) (10)式(1O)即为密度与波长变化量之间的关系。

选取平膜片的材料为45号钢.半径为80mm。厚度为0.8mm.在平膜片上粘贴的光栅中心波长为1555nm。

将设计的传感器尺寸代入式(10)，则公式变为△A日- 二 0.000532x10H (1 1)P传感器可 以设计为在不同的高度变化来测量液体密度将传感器与光谱分析仪连接 ，如图3所示 。ASE宽带激光光源发出激光 ，经过光纤Bragg光栅时 ，产生反射波 .通过耦合器 由光谱分析仪检测到反射 中心波长。通过理论计算可得 ，Bragg波长的移位-密度量传感器的灵敏度为0.532pm/(kg/m )，分辨力为1.878(km )/pro。测量范围：(0.000-2.45910 )kg/m 。

TECHNOLOGY科研与实图3 传感器测量系统连接图三、结束语本文介绍的传感器克服了传统浮子式玻璃密度计的缺点.利用平膜片受到液压作用产生挠度运转的可重复性 .即当传感器浸没到液体中时 .平膜片受到液体压力作用 ，产生挠度变化，使得刚性粘贴在平膜片上的光纤光栅产生波长移位。在实际工作中，当温度为非标准温度时.可根据该液体的温度校正表 .将任意温度下的密度值校正为标准温度下的密度值 传感器针对易燃易爆液体 .采用光信号作为测量量.无电信号 .无电磁干扰 .可 以根据实际应用改变其参数使其适用于不同测量范围 通过计算可得此传感器测量液体密度是可行的作者单位牛生辉 田光 韩鹏 郭永超 陕西省天然气股份有限公司、纪涛 西安机电信息技术研究所田 ' ' ， l ， ' ' ) ， ' l l ' ' ' ' ， ， ' ' ' ' ' ， ' ， l ， ， ' ' ， ， ， ， ' ' ' ， ) ' ' ， ， ， ' ' ， ， ' (上接第 53页)据 .没有发现数据处理的问题 .遂向参比实验室甲询问.参比实验室甲将本实验室比对报告传真给了参比实验室丙.参比实验室丙发现自己在温度修正上计算公式使用不当.作了修改并重新把自己的比对报告交给主导实验室。主导实验室使用了该报告的数据。

案例分析：4q；JF1117-20lo计量比对》第6.2.13条保密规定：明确规定在比对数据尚未正式公布之前，所有参与比对的相关人员均应对比对数据保密。

不允许出现任何数据 串通.不得泄露与比对数据有关的信息.以确保比对结果的公正性。”首先主导实验室的做法是不对的.它不得以任何理 由提示参比实验室修改数据或报告 ：参比实验室甲的做法也是不对的。

在比对数据尚未正式公布之前.所有与比对相关的实验室和人员均应对比对结果保密.不允许出现任何数据串通，不得泄露与比对结果有关的信息.以确保比对结果的公 正性提示：对于计量比对这部分内容.比对数据的处理部分也很可能出现案例分析题。请予以关注。