光纤传感技术是一种新兴的传感测量技术，可用于温度、压力、形变、振动和流量[1]等参数的测量。光纤传感技术具有一系列的优点：体积小而且可埋入小型智能结构、灵敏度高、抗电磁干扰[2] 、测量范围宽且可靠性高、能实时监测并可分布式测量[3]、适用于辐射较大的场合以及强腐蚀性或易燃易爆的危险环境等，因此受到广大科研人员的重视。目前，光纤传感技术已经广泛应用于电力系统领域[4-6]、航空航天领域[7]、医学领域[8-10]、地质勘探领域[11-12]和机械工程领域[13-14]等。而光纤布喇格光栅（FBG）除了光纤传感技术的一般优点外，还具有损耗小、制作封装简单、稳定可靠、易与系统及其它光纤器件连接使用等优点[15]，是光纤传感技术中应用#广泛、#简单的一种光纤无源器件。本文详细介绍几种基于 FBG的流量传感器的测量原理和典型应用。

 

1 FBG 流量传感器的测量原理和种类

1.1 FBG 结合传统流量计制作的 FBG 流量计

        传统流量计主要包括靶式流量计、压差式流量计、涡轮式流量计、涡街式流量计和 V型内锥式流量计等[16]，存在着体积大、结构复杂、精度低和易受电磁干扰等缺点，而且，传统流量计的测量系统大部分采用电信号，在一些特殊行业（如石油和天然气行业）就需要对电路和流量计进行特殊的防爆处理，大大增加了成本。FBG 传感技术是一种利用光波为载体，通过光纤感知和传输测量信号的新型传感技术[17]。利用 FBG 和传统流量计结合，使用光信号替代电信号制作而成的新型 FBG 流量计则可以很大程度上克服传统流量计的缺点。 

 

1.1.1 靶式 FBG 流量计 

        靶式 FBG 流量计的原理是当流体流动冲击靶片时，会使得连接靶片的悬臂梁产生应变，通过测量粘贴在悬臂梁上 FBG 中心波长的漂移量就可以测出流量[18]。 2016 年，刘均等人[19]设计了一种基于传统靶式流量计的三角形悬臂梁 FBG 流量计，其结构如图 1 所示。他们将 2 个 FBG 粘贴在三角形悬臂梁前后的中心线处，当悬臂梁弯曲时，面向流体的 FBG 长度会变长，而另一个 FBG 会变短，这样双 FBG 的波长漂移量之差就只受流量影响，与温度无关，既解决了温度应变的交叉敏感问题，又能提高流量计灵敏度。实验测试得出：所设计的流量计的可测量范围为 0-3.96𝑚3/s，线性误差仅为 0.31%，因此该结构的 FBG 流量计的精度很高。

 

        2018 年，Ri-qing Lv 等人[20]设计了一种用不锈钢毛细管取代悬臂梁的靶式流量计。他们将双 FBG 对称地粘贴在毛细管内壁的形变#大处，双栅形成的面平行于流体流向。在 5-16𝑚3/h 的测量范围内，该传感器的觉对误差小于 0.25𝑚3/h，精度为 2.27%。这种结构的双 FBG 对称地粘贴在毛细管内部，既解决了温度应变的交叉敏感问题，又可以有效避免流体冲击，便于封装，也可以应用于一些具有腐蚀性的流体中。

 

        2020 年，张正义[21]设计了一种靶片和悬臂梁一体化的靶式 FBG 流量计结构，将 2 个相同的FBG沿中心线粘贴在等强度悬臂梁的两侧。通过FLUENT软件对流量计进行仿真模拟后，发现一体化结构的 FBG 靶式流量计比传统靶式流量计对流体流动时产生的影响小。实验测试过程中，2 个 FBG 的波长偏移量之和为单个 FBG 的两倍，说明一体化结构将传感器的灵敏度增加了一倍，从实验数据得出该传感器的分辨率是 0.049 L/s。

 

1.1.2 压差式 FBG 流量计 

        压差式 FBG 流量计的原理是使用节流装置（常用的有孔板，文丘里管和喷嘴等）使管道横截面变小，当流体通过时产生压力差，压力差的大小正比于流量大小，通过 FBG 测量出压力差就可以得到流量 [22]。

 

        2012 年，王宏亮等人[23]设计了一种由文丘里管作为节流管的压差式 FBG 流量计。文丘里管上有 2 个取压孔，通过这 2 个取压孔连接一个光纤光栅压强机构。压强机构由 2 个波纹膜片组成封闭结构，每个膜片的中心都与一个等腰三角形悬臂梁的顶点通过钢销子连接在一起，并采用 2 个 FBG 对称地粘贴在两个悬臂梁上。当 2 个膜片感受的压力不同时，2 个 FBG的波长漂移量也不相同，通过测量漂移量差值就能得到流量。这种流量计结构解决了温度与应变的交叉敏感问题，提高了精que度。实验验证与理论分析结果相一致，实验值和理论值的相对误差为 2.9%。

 

        2014 年，李洪才等人[24]设计了一种内嵌喷嘴差压式 FBG 流量计，其结构如图 2 所示。他们选择内嵌 ISA1932 标准喷嘴作为节流元件，流体经过喷嘴后产生压差，通过喷嘴两侧的取压孔将压差信号作用在粘贴有 FBG 的平面膜片上，检测 FBG 中心波长的偏移量就能压差大小，进而可以推导出流体流量的数值。在静态差压特性测试中，数据及拟合结果显示拟合曲线斜率的均值为 0.712nm/MPa。在动态流量测试中，实验数据拟合曲线的系数为 0.226nm/(𝐿 ? 𝑠)2。所用解调仪的分辨率为 1pm，计算得出流量计的灵敏度为 0.067L/s。此流量计有一个缺陷：没有消除温度应变交叉敏感的影响。如果在膜片另一侧也粘贴一个 FBG，检测波长漂

移量差值，就可以消除温度的影响。

 

1.1.3 涡轮式 FBG 流量计 

        涡轮式 FBG 流量计的原理是当流体流经 FBG 涡轮流量传感器时，流体冲击力会对涡轮叶片产生冲击使其旋转，叶片会以固定频率经过 FBG 传感探头，因此产生了周期性脉冲信号，通过测量信号频率就能推导出流体流量[25]。

 

        2014 年，蒋善超等人[26]设计了一种可以同时测量流速和温度的涡轮式 FBG 流量计。该流量计利用涡轮实现了流体冲击力对 FBG 中心波长的频率调制，实现了温度和应变在频率域上的区分，可以同时测量流速和温度。由性能试验数据可知：FBG 流速/温度传感器的流速检测精度为 25mm/s，流速检测的下限为 0.5417m/s。#后应用 EMD 分析 FBG 中心波长的动态信号得到温度检测精度为 0.5 ℃。从实验结果可以看出该流量计能够比较理想地实现同时测量流速和温度 2 种参数。

 

        2016 年，Ya-fei Gu 等人[27]针对传统涡轮流量计的测量下限太大，无法满足小流量的测量问题，提出了一种改进型 FBG 涡轮流量计。涡轮的前导叶片经过特殊设计，具有螺旋角，可降低测量下限并提高测量灵敏度。他们建立了改进型流量计的理论模型，理论分析后得出结论：如果前导叶片的螺旋角与涡轮的螺旋角等于 90°，则涡轮起始测量的体积流量可以达到#小值，而流量计的灵敏度可以达到#大值。#后通过计算流体动力学（CFD）仿真验证了结论的正确性。

 

        涡街式流量计和 V 型内锥式流量计在实际应用中有很大的缺点，比如涡街式流量计在流体流速太大或太小的时候都难以检测到输出信号；另外，涡街发生体长时间使用会产生磨损，改变发生体尺寸，测量时就会产生极大误差。V 型内锥式流量计存在危险，一旦 V 型锥体掉落，对管道的危害极大。因此，这 2 种 FBG 流量传感器的研究较少。

 

1.2 其它 FBG 流量传感器 

        除了基于传统流量计测量原理制作而成的 FBG 流量计，研究人员还使用其它测量原理或传感结构研究出了其它不同种类的 FBG 流量传感器。

 

        2013 年，Wenjun Zhu 等人[28]提出了一种基于镀银 FBG 的新型气体流量探头。这种传感器使用热线式原理，用银膜吸收泵浦激光的能量，提高初始温度。当气体经过传感器时，会带走部分热量，FBG 的中心波长会产生漂移，测量出漂移量就可以测得气体浏量。为了保护FBG，他们在不锈钢毛细管的中间制造一个方孔并将镀银的 FBG 传感探头固定在孔之间。镀银的 FBG 传感探头体积很小，直径仅为 0.125 mm。通过有限元方法（FEM）对不同类型的传感探头进行仿真后，其结果表明，直径为 3 mm 的毛细管不锈钢管和长度为 12 mm 的方孔的传感探头可以提供#佳性能。这些都为基于这种传感探头的新型气体流量计的开发奠定了良好的基础。

 

        2015 年，赵学芳等人[29]设计了一种基于热线式原理的 FBG 风力计。风力计的传感结构由镀有金属银膜的 FBG 和腰椎放大光纤构成。腰椎放大光纤的作用是将激光器的大部分能量耦合进 FBG 的包层中，可以被银膜吸收提高温度。实验得出，该风力计的风速测量上限为13.7m/s，分辨率为 0.001 m/s，灵敏度为 1 nm/( m/s)。

 

        2017 年，Xu Jiang 等人[30]提出了一种利用光纤加热的 FBG 流量传感器。该传感器通过测量 2 个 FBG 传感器之间的温度差来测量流体流量。其中一个 FBG 传感器由温度测量单元和加热单元组成，在加热单元中，引入了吸收涂层来代替传统的电阻加热模块，以#大程度地减少爆炸的风险。来自 ASE 光源的 C 波段光被分成两部分，其中一部分用于加热吸收涂层；另一部分用于信号处理单元。另一个 FBG 传感器则是只测量流体温度的温度传感器。通过实验测试，该传感器的流量分辨率为 0.77𝑚3/h，流速分辨率为 0.04m/s。

 

        2017 年，Yong Zhao 等人[31]设计了一种微探针型 FBG 流量计。该传感器使用空心圆柱悬臂来测量流体冲击力进而测得流量，2 个 FBG 固定在悬臂的内壁上，2 个 FBG 形成的面平行于流体流向。仿真和实验都验证了所提出的流量传感器的可行性。实验结果表明，所提出的流量计的稳定性良好，使用分辨率为 1pm 的解调器时，该传感器可用于测量 0-22.5𝑚3/h 的流量，分辨率为 0.81 𝑚3/h，准确度为 3.6％ 。微探针型 FBG 流量计的 FBG 粘贴在悬臂的内壁上，不会被流体冲击，另外，由于该传感器体积小，流体几乎不会产生压力损失。

 

2 结束语

        本文结合研究人员在 FBG 流量传感技术上#近几年的研究成果，详细介绍了常见的基于FBG 的流量传感器的传感结构和测量原理，可以明显地看出 FBG 流量传感器具有体积小、易制作、灵敏度高和抗电磁干扰等优点。未来，包括流量传感器在内的传感器都会向微型化和多功能化方向发展，FBG 体积小，易与其它光纤器件连接使用，可以对流体进行多参数测量，而且能进行分布式实时测量，可以满足流量测量领域未来发展的需求，因此随着传感技术和制造业的不断进步，基于 FBG 的流量传感器在传感器市场中必会占据一席之地。