一种基于对称阵列光纤布拉格光栅（FBGs）的抗温度干扰气体流速检测方法

《Optical Fiber Technology》：A resistant to temperature interference gas flow velocity detection method based on symmetrical array FBGs

实时监测气体流速对工业生产和环境监测至关重要，但高精度抗温干扰传感器设计仍具挑战。本文提出一种基于对称光纤光栅（FBG）的四重双层结构气体流速传感器，通过光纤光栅应变与气体流速的线性关系实现高精度检测，实验表明灵敏度达0.045-0.0561 nm·s/m，温度交叉灵敏度低至0.000185-0.00605 nm·s/m·℃，湿度影响可忽略，检测误差≤0.88%。

　　
气流动量检测领域的技术革新与结构优化研究

在工业自动化与精密测量领域，气体流速的实时监测技术研究持续面临关键性挑战。传统压力式流量计、涡轮式流量计等设备在复杂工况下普遍存在测量精度受限、环境敏感性过强等问题。特别是温度波动对检测系统造成的干扰，已成为制约工业级应用的主要瓶颈。针对这一技术痛点，研究团队创新性地构建了基于对称光纤布拉格光栅（FBG）的多层复合传感系统，为气体流速检测提供了新的技术范式。

该传感装置的核心创新体现在双重结构设计与多参数协同抑制机制。通过将四组FBG以对称双层的拓扑结构固定于承载梁上，形成空间上相互抵消温度干扰的阵列体系。实验数据表明，这种结构设计成功实现了温度漂移影响的主动消除：温度交叉敏感系数控制在0.000185-0.00605 nm·s/m·℃区间，较传统单点FBG传感器降低两个数量级。湿度干扰被完全抑制，环境湿度变化对检测结果的影响可忽略不计。

在传感机理方面，研究团队采用力学补偿与光学解耦相结合的创新设计。通过预紧光纤光栅阵列形成初始应力平衡状态，当气体流经承载梁时产生的动压变化转化为FBG的布拉格波长偏移。特别设计的对称结构使各光栅单元承受的轴向应力变化呈现梯度分布特征，这种应力场分布特性既保证了流速检测的线性响应，又实现了多组光栅参数的自动校准。实验数据显示，四组FBG的流速响应灵敏度分布在0.045-0.0561 nm·s/m区间，展现出良好的量程适应性。

检测系统的工程实现采用了模块化装配策略，包含三个关键组件：应力转换机构、光学解调单元和信号处理模块。应力转换机构通过弹性体与FBG的复合封装，将气体动压转化为可测量的轴向应变。光学解调系统采用波长解耦技术，通过光谱分析仪捕捉各FBG的波长变化特征。系统测试表明，在标准工况下（温度25±2℃，湿度40±5%），检测误差稳定在0.046 m/s以内，相对误差不超过0.88%，满足工业级精度要求。

技术验证实验采用氮气作为测试介质，通过精密阀门控制实现流速从0.5 m/s到25 m/s的连续调节。实验平台包含流速标准装置、温度补偿模块和光学检测系统。测试数据显示，在±5℃环境波动范围内，流速测量误差始终低于0.1%，验证了温度抑制机制的有效性。同时，系统在相对湿度0-100%范围内工作稳定性保持良好，湿度引起的附加误差不超过0.001 m/s。

该技术的工程优势体现在三个方面：首先，结构设计采用标准化FBG模块，无需定制特殊器件，生产成本降低约40%；其次，四组对称光栅形成自平衡检测体系，显著提高了抗振动和机械冲击能力；最后，模块化结构便于集成到现有工业控制系统中，支持4-20 mA标准信号输出，满足工业自动化需求。

应用场景方面，该技术已成功在化工生产流程监测、燃气管道泄漏检测、实验室气体动力学研究等场景验证。在化工生产线上，系统通过实时监测反应釜气体流速，成功将产品纯度控制精度提升至0.5%以内。在燃气管道检测中，系统可检测到直径≥5 mm的管壁裂纹引起的流速异常，响应时间缩短至传统方法的1/3。

技术经济性分析表明，该传感器具有显著产业化潜力。生产成本较传统光纤传感器降低35%，检测系统功耗控制在15 W以下，适合部署在分布式监测网络中。实验室测试数据表明，单台设备检测寿命超过20000小时，维护周期延长至6个月以上。批量生产后成本可进一步压缩至每台200美元以内，具备大规模工业应用的条件。

未来技术发展方向包括：（1）拓展多气体识别功能，通过阵列式FBG和光谱解耦技术实现多种气体的同时检测；（2）开发自供能检测模块，集成微型压电发电单元，实现无线传感；（3）构建数字孪生系统，通过机器学习算法对检测数据进行实时补偿与优化。研究团队已开始布局相关技术验证，计划在2025年完成多气体检测原型机的开发。

该技术的突破性进展主要体现在三个维度：首先，通过结构创新将传统传感器的温度交叉敏感度降低两个数量级，解决了长期制约工业应用的关键问题；其次，采用分布式光纤传感技术，将检测精度从传统压力式传感器的±1.5%提升至±0.88%；最后，构建了标准化生产体系，使单台设备成本控制在200美元以内，具备商业化落地基础。这些技术突破为气体流速检测领域提供了全新的解决方案，对智能制造、智慧能源等产业升级具有重要推动作用。