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1.本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计及其使用方法。
背景技术：2.流量计在工农业生产中应用非常广泛，常见的流量计主要有：机械转子流量计、压差流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声流量计等，但均存在着各自不同的缺点，如机械转子流量计的精度不高、压差流量计体积较大、涡街流量计结构较复杂、电磁流量计易受电磁干扰、超声流量计成本较高等。
技术实现要素：3.本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计及其使用方法，以解决上述技术问题。
4.本发明的技术解决方案是，提供一种基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计,由异形等强度梁、第一光栅、第二光栅、密封盖、罐体、压块、进水接头和出水接头组成，其中，
5.异形等强度梁末端设有用于感受水流的靶盘，异形等强度梁宜用弹性较好的金属制成，并且，异形等强度梁由两个尺寸不同的等强度梁上下串接组成，使得流量作用在靶盘上所引起两个等强度梁上的应变具有较大差异；
6.第一光栅和第二光栅上下串接并分别设于两个等强度梁的表面，栅区的位置分别位于两个等强度梁的应变分布均匀处；
7.异形等强度梁固定于密封盖上，密封盖与罐体共同组成靶式流量计的液体腔；
8.进水接头和出水接头与罐体下端连通设置，进水接头和出水接头分别与待测水管的进水口和出水口连接，异形等强度梁的靶盘与进水接头的内圆同心。
9.作为优选，异形等强度梁由两个形状不同的等强度梁组成，两个等强度梁和靶盘一体加工而成。流量作用在靶盘上所引起两个等强度梁上的应变具有较大差异。
10.作为优选，第一光栅和第二光栅上下串接并分别粘贴于两个等强度梁的其中一表面。
11.作为优选，异形等强度梁通过压块固定于密封盖上，并使异形等强度梁的表面与水流方向垂直。
12.作为优选，进水接头、出水接头和罐体之间通过标准螺纹缠绕生料带拧紧密封。密封盖、进水接头、出水接头、光栅的尾纤和罐体的密封应具有可承受不小于待测管道压力的耐压性能。
13.作为优选，为使异形等强度梁中两根梁的应变差异尽量大，两根等强度梁的长度和宽度之比分别不小于2：1。
14.作为优选，为确保水流全部作用于靶盘上，进水接头的内径应不大于靶盘的直径；
为确保出水顺畅，出水接头的内径应不小于进水接头的内径。
15.进一步的，本发明还提供一种基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计的使用方法，包括以下步骤，
16.步骤1，靶式流量计通过转接尺寸匹配的软管的方式接入待测管路中；
17.步骤2，软管与进水接头、出水接头之间可通过抱箍锁紧的方式进行密封；
18.步骤3，当产生流量时，液体冲击异形等强度梁的靶盘，使异形等强度梁末端产生一定大小的挠度变化，从而带动两根光栅发生不同程度的波长漂移；
19.步骤4，通过检测两根光栅的波长漂移差，即可反推出流量大小。
20.也就是说，工作时，将靶式流量计通过进水接头和出水接头接入待测水管，光栅尾纤与光纤光栅解调仪连接而进行信号解调。当待测水管产生水流时，水流冲击在靶盘上，冲击力使靶盘产生一定挠度。由于异形等强度梁上两个等强度梁的结构不同，两者由末端靶盘挠度引起的应变量也不同，使得两根光栅因应变变化而导致的波长漂移量不同。但两者所处的环境基本相同，即两者由环境温度变化引起的波长漂移基本相同，因此，将两者的波长漂移量作差，即可除去温度变化的影响，解决了温度交叉敏感问题。当水流逐渐增大时，第一光栅的波长漂移量远大于第二光栅的波长漂移量，两者的漂移量之差与流量之间存在着特定关系。据此，当测得两根光栅的波长漂移量之差后，即可反推出流量大小。需要注意的是，工作时靶式流量计与待测液体接触的结构表面应做好防锈、防腐蚀处理。
21.采用以上方案后与现有技术相比，本发明具有以下优点：
22.(1)温度实时补偿：两根光栅所处的环境基本相同，应变灵敏度则相差较大，将两者的波长漂移量作差，即可得出与温度无关、仅与流量大小相关的参量，从而实时温度实时补偿。
23.(2)结构简单，封装简便：该方案中的核心部件为粘贴有两根光栅的异形等强度梁。异形等强度梁可利用现成的不锈钢板机加工而成；光栅封装过程中仅需施加一定大小的预拉力后用粘接剂粘贴即可。整体结构简单，封装简便，成品率高。
24.(3)体积小，普适性强：该流量计整体体积较小，使用中仅需根据水管尺寸适配相应的进水接头和出水接头，即可方便地接入水管中进行流量监测。且对所测液体种类不挑剔，仅需根据液体的腐蚀性、温度等特征对异形等强度梁、罐体结构等进行相应的保护即可。
附图说明：
25.图1为本发明的基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计的结构示意图。
26.图2为本发明的异形等强度梁及光栅粘贴结构示意图。
27.图3为本发明的基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计工作原理示意图。
28.图4为本发明的末端施加挠度后异形等强度梁的应变分布仿真结果。
具体实施方式：
29.下面结合附图就具体实施方式对本发明作进一步说明：
30.如图1-3所示，一种基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计由异形等强度梁1、第一光栅2、第二光栅3、密封盖4、罐体5、压块6、进水接头7和出水接头8组成。其中，
31.异形等强度梁1由两个尺寸不同的等强度梁组成，其结构可相同也可不同，本实施例中，上下设置的两个等强度梁中上方的等强度梁其尺寸大于下方的等强度梁，异形等强度梁1末端设有用于感受水流的靶盘9，两个等强度梁和靶盘9一体加工而成；
32.第一光栅2和第二光栅3上下串接并分别粘贴于异形等强度梁1的两个等强度梁的其中一表面，栅区的位置分别位于两个等强度梁的应变分布均匀处；
33.异形等强度梁1通过压块6固定于密封盖4上，密封盖4与罐体5共同组成靶式流量计的液体腔，也就是说，密封盖4封盖于罐体5上端的开口处，进水接头7和出水接头8一端分别与待测水管的进水口和出水口连接，另一端则密封连通于罐体5下端两侧，异形等强度梁1的靶盘9与进水接头8的内圆同心。
34.根据等强度梁理论：
[0035][0036]
式中，ε为梁上的应变量，f为梁末端施加的力，l为梁的长度，e为梁的弹性模量，b为梁的宽度，h为梁的厚度。可见梁上的应变大小与梁的长度成正比，与梁宽、厚度成反比。在梁的厚度相同、末端力大小一定的情况下，为使异形等强度梁1中两根等强度梁的应变差异尽量大，应使两根梁的长度和宽度之比分别不小于2：1。
[0037]
如图4所示，当对梁末端施加一定大小的力时，两根等强度梁应变分布均匀处的应变量分别约为98με和35με，对应的光栅波长漂移量分别约为118pm和42pm。当将两个波长漂移作差以实现温度实时补偿时，波长漂移量依然可达76pm，可见，该流量计具有较高的灵敏度，为高精度流量测量奠定基础。
[0038]
异形等强度梁1在粘贴第一光栅2和第二光栅3之前应对粘贴表面进行去油、去污、打磨等工序处理，尽量提升粘贴的可靠性。第一光栅2和第二光栅3应均施加一定大小的预拉力，使其粘贴后的拉伸或收缩始终处于线性范围内。
[0039]
异形等强度梁1预先用两个压块6将其左右夹紧固定，再将压块6与密封盖4装配固定。光栅的尾纤通过密封盖4上的小孔出纤后，用密封胶对小孔进行密封。密封盖4与罐体5之间通过密封圈进行径向密封，进水接头7、出水接头8和罐体5之间通过标准螺纹缠绕生料带拧紧密封。为确保水流全部作用于靶盘9上，进水接头7的内径应不大于靶盘9的直径；为确保出水顺畅，出水接头8的内径应不小于进水接头7的内径。
[0040]
使用时，基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计通过转接尺寸匹配的软管的方式接入待测管路中，软管与进水接头7、出水接头8之间可通过抱箍锁紧的方式进行密封。当产生流量时，液体冲击异形等强度梁1的靶盘9，使梁末端产生一定大小的挠度变化，从而带动两根光栅发生不同程度的波长漂移，通过检测两根光栅的波长漂移差，即可反推出流量大小。
[0041]
以上仅就本发明较佳的实施例作了说明，但不能理解为是对权利要求的限制。凡是利用本发明说明书所做的等效结构或等效流程变换，均包括在本发明的专利保护范围之内。
技术特征：1.一种基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计,其特征在于：由异形等强度梁(1)、第一光栅(2)、第二光栅(3)、密封盖(4)、罐体(5)、压块(6)、进水接头(7)和出水接头(8)组成，其中，异形等强度梁(1)末端设有用于感受水流的靶盘(9)，异形等强度梁(1)由两个尺寸不同的等强度梁上下串接组成，使得流量作用在靶盘(9)上所引起两个等强度梁上的应变具有差异；第一光栅(2)和第二光栅(3)上下串接并分别设于两个等强度梁的表面，栅区的位置分别位于两个等强度梁的应变分布均匀处；异形等强度梁(1)固定于密封盖(4)上，密封盖(4)与罐体(5)共同组成靶式流量计的液体腔；进水接头(7)和出水接头(8)与罐体下端连通设置，异形等强度梁(1)的靶盘(9)与进水接头(8)的内圆同心。2.根据权利要求1所述的基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计，其特征在于：两个等强度梁和靶盘(9)一体加工而成。3.根据权利要求2所述的基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计，其特征在于：第一光栅(2)和第二光栅(3)上下串接并分别粘贴于两个等强度梁(1)的其中一表面。4.根据权利要求1所述的基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计，其特征在于：异形等强度梁(1)通过压块(6)固定于密封盖(4)上，并使异形等强度梁(1)的表面与水流方向垂直。5.根据权利要求1所述的基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计，其特征在于：进水接头(7)、出水接头(8)和罐体(5)之间通过标准螺纹缠绕生料带拧紧密封。6.根据权利要求2所述的基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计，其特征在于：两个等强度梁的长度和宽度之比分别不小于2：1。7.根据权利要求1所述的基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计，其特征在于：进水接头(7)的内径不大于靶盘(9)的直径；出水接头(8)的内径不小于进水接头(7)的内径。8.一种基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计的使用方法，其特征在于，包括以下步骤，步骤1，靶式流量计通过转接尺寸匹配的软管的方式接入待测管路中；步骤2，软管与进水接头(7)、出水接头(8)之间进行密封；步骤3，当产生流量时，液体冲击异形等强度梁(1)的靶盘(9)，使异形等强度梁(1)末端产生挠度变化，从而带动两根光栅发生不同程度的波长漂移；步骤4，通过检测两根光栅的波长漂移差，即可反推出流量大小。
技术总结本发明公开了一种基于异形等强度梁的光纤光栅靶式流量计及其使用方法，由异形等强度梁、第一光栅、第二光栅、密封盖、罐体、压块、进水接头和出水接头组成，其中，异形等强度梁末端设有用于感受水流的靶盘，异形等强度梁宜用弹性较好的金属制成，并且，异形等强度梁由两个尺寸不同的等强度梁上下串接组成，使得流量作用在靶盘上所引起两个等强度梁上的应变具有较大差异；第一光栅和第二光栅上下串接并分别设于两个等强度梁的表面，栅区的位置分别位于两个等强度梁的应变分布均匀处。本发明结构简单，封装简便，体积小，普适性强，并且具有温度实时补偿功能。度实时补偿功能。度实时补偿功能。
技术研发人员：何少灵 章奕 孙海亭 李东明 徐汉锋 孙佳宾 吴小迪 高健
受保护的技术使用者：中国船舶重工集团公司第七一五研究所
技术研发日：2022.07.07
技术公布日：2022/11/1
