Flow sensor based on a twin optical fiber interferometer

A study about a new concept of a flow sensor is presented. The sensor configuration is based on the article by James P. Wissman, Kaushik Sampath, Simon E. Freeman and Charles A. Rohde Capacitive Bio-Inspired Flow Sensing Cupula by with the surface neuromast bio-inspired polydimethylsiloxane (PDMS) compliant cupula. Nevertheless, the sensor bending measuring system was changed to a double core optical fiber interferometric bending sensor (other than a capacitive system, prior utilized by James P. Wissman et al.) proposed by Qu H., Yan G. and Skorobogatiy M. in the article Interferometric fiber-optic bending/nano-displacement sensor using plastic dual-core fiber and adapted to the geometry proposed. This change is done with the intention to overcome the problems created by the liquid metal gallium alloy inside the sensor, such as the internal liquid metal flow in the sensor and the interaction of this fluid with the viscoelastic cupula, that affects the sensing capability. A series of 8 configurations of sensors were tested in 2D fluid-structure interaction simulations using COMSOL Multiphysics® software under laminar flow regime. The 8 sensors vary in height (1.5 mm and 3 mm), to minimize the flow distortion after the sensor, width (0.5 mm and 1 mm), to better fit the optical fibers inside the sensor, and material utilized in the optical fiber double core (fused silica glass and polycarbonate), with the goal of creating the most compliant sensor possible. Afterwards, the best performing sensor, chosen through a parametric analysis, is selected to be tested numerically in a 3D fluid-structure simulation. The results of the 2D simulations indicate that the polycarbonate optical fiber sensor with width of 0.5 mm and height of 3 mm gives the higher deflection in comparison with other 7 sensors, under all laminar regime flows, for Reynolds number from 0.01 to 2000. This sensor is chosen to be modeled in 3D to run the same kind of laminar flow fluid-structure interaction analysis. The final 3D modeled sensor shows promising numerical results for its sensing capability under two different interferometric techniques: the first one is the fringe detection method in which the threshold of detection is from Re ≈ 1200 (corresponding in the proposed system to a mean flow velocity of 0.4 m/s) and the detection of the intensity of the interference signal technique, which gave the detection threshold of Re ≈ 15 (corresponding in the proposed system to a mean flow velocity of 5 · 10−3 m/s). Overall, the mechanical behavior of the sensor and the detection threshold shows that sensor configuration is viable, being needed yet laboratory testing and turbulent condition dynamic simulations.

E qui presentato uno studio riguardo una nuova idea di sensore di flusso d’acqua. Il sensore proposto si basa sull’articolo di James P. Wissman, Kaushik Sampath, Simon E. Freeman and Charles A. Rohde Capacitive BioInspired Flow Sensing Cupula, il quale presenta una cupola deformabile in PDMS, ispirata dai neuromasti superficiali dei pesci, rendendolo bio-ispirato. L’impianto che si occupa della misurazione della deformazione viene modificato da un sistema capacitivo a un sistema interferometrico costituito da due fibre ottiche, proposto da Qu H., Yan G. and Skorobogatiy M. nell’articolo Interferometric fiber-optic bending/nano-displacement sensor using plastic dual-core fiber, e che è stato adattato alla geometria consigliata. Una serie di otto impostazioni per il sensore è testata con simulazioni 2D d’interazione fluido-struttura (fluid-structure interaction) utilizando il software COMSOL Multiphysics® software [1], sotto regime laminare di flusso d’acqua. Le otto impostazioni del sensore variano in altezza (1.5 mm e 3 mm) per minimizzare la distorsione del flusso una volta superato il sensore, spessore dei sensori (0.5 mm e 1 mm), per far adattare meglio le fibre ottiche presenti nel sensore, e materiale utilizzato per le fibre ottiche (vetro di silice fuso e policarbonato), con l’obiettivo di creare un sensore più flessibile. Dopodiché il sensore più performante, scelto tramite un’analisi parametrica, viene selezionato per essere testato numericamente in una simulazione 3D di struttura del fluido. I risultati delle simulazioni in 2D indicano che fibre ottiche in policarbonato di 0.5 mm di spessore e 3 mm di altezza danno maggior deflessione paragonate con quelle degli altri 7 sensori, tutti sotto regime laminare con numero di 0.01 < Re < 2000. Questo sensore è scelto per essere modellizzato in 3D ed essere sottoposto allo stesso tipo di analisi d’interazione fluido-struttura sotto regime laminare. Il sensore definitivo modellizzato in 3D mostra risultati numerici promettenti per via delle sue capacità di rilevamento sotto due diverse tecniche interferometriche: la prima consiste nel metodo di rilevamento delle frange d’interferenza aventi come soglia minima Re ≈ 1200 (corrispondente, nel sistema proposto, ad una velocità media del flusso di 0.4 m/s), mentre la seconda consiste nel rilevamento dell’intensità del segnale d’interferenza con Re ≈ 15 (corrispondente nel sistema proposto ad una velocit`a media del flusso di 5 · 10−3 m/s). In definitiva, il comportamento meccanico del sensore e la soglia di rilevamento mostrano che la configurazione del sensore è attuabile, nonostante necessiti ancora di test in laboratorio e di simulazioni dinamiche sotto regime di moto turbolento.