一种光纤差压风速传感器及应用制造技术

本发明专利技术公开了一种光纤差压风速传感器及应用，该传感器包括外壳，在外壳内设置内外嵌套的端部封闭的两个圆周侧可伸缩的套管，内套管一端部与外套管的一端部之间设置传感器，在内套管与外套管之间的空腔内填充有液体以减小外界噪声影响；内套管与外套管中一个通过管路与文丘里管的圆筒段连接，二者中另一个通过管路与文丘里管的缩径段连接，以将流体穿过文丘里管产生的压力通过两个套管作用于传感器上，本发明专利技术通过双波纹管增敏结构，使传感器敏感度提高，降低了风速传感器的测量下限值；将光纤光栅置于内、外波纹管之间，避免与外界环境接触，延长了传感器的使用寿命，将内、外波纹管之间充满硅油，减轻了外界噪声对传感器测量精度的影响。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及风速传感器
，具体涉及一种光纤差压风速传感器及应用。
技术介绍
风速测量技术在煤炭油田、航海航天、气象预报、电力系统等领域有广泛的应用。很多种风速传感器被投入使用，以解决实际问题。但对于环境恶劣的场合，机械风杯式和热线式风速传感器有自身的局限性，无法使用。目前，应用较广的差压风速传感器，该类传感器绝大多数属于电子传感器，受外界电磁干扰严重，在易燃易爆的环境下电子传感器自身就带有安全隐患；同时灵敏度较差，对于较低风速无法准确进行测量。
技术实现思路
针对上述问题，为了解决现有技术的不足，本专利技术提供一种光纤差压风速传感器，利用光纤光栅的应变原理进行风速的检测，通过双套管的设置，可有效避免光纤振动带来的干扰影响，测量灵敏度得到了提高，即使较低的风速也可以准确测量。本专利技术提供的第一个方案是：一种光纤差压风速传感器，包括：外壳，在外壳内设置内外嵌套的端部封闭的两个圆周侧可伸缩的套管，内套管一端部与外套管的一端部之间设置光纤光栅，在内套管与外套管之间的空腔内填充有润滑液体以减小外界噪声影响；内套管与外套管中一个通过管路与文丘里管的圆筒段连接，二者中另一个通过管路与文丘里管的缩径段连接，以将流体穿过文丘里管产生的压力通过两个套管作用于光纤光栅上。所述套管为波纹管，波纹管为金属波纹管，具有耐压、抗腐蚀性能，抗震动性能好，采用内外嵌套的两个波纹管，实现同时向光纤光栅的两端施加压力，与普通差压传感器的光纤光栅受到两作用力之差相比，作用在光纤光栅的作用力增大，使传感器灵敏度增大，从而实现了0.3～0.5m/s低速风速下的测量。内外波纹管产生形变的计算方法：流体在文丘里管中运行时遵循能量守恒，根据伯努利方程： p 1 + ρv 1 2 2 + ρgh 1 = p 2 + ρv 2 2 2 + ρgh 2 ]]> p 1 + ρv 1 2 2 + ρgh 1 = p 3 + ρv 3 2 2 + ρgh 3 ]]>式中p1、v1为传感器标定时提供的已知量，在截面1-1处不存在引压口，h1＝0。传感器作业时，水平固定，流体经前、后引压管作用分别作用在内、外波纹管上受力点位于同一高度，因此h2＝h3。结合传感器自身特点，受力点到文丘里管中心轴向的距离为5cm作用，当流体为空气时，由重力产生势能影响为ρgh2＝1.25×9.8×0.05≈0.6Pa，其作用可以忽略。则：可得：即：当流体流经管道时，在相同时间t内每个截面上的流量相同，可知：v1*s1*t＝v2*s2*t即：则：可得：同理可得：式中h1、h2、h3分别为作用力点到文丘里管中心轴线的距离；p1、p2、p3分别为图1中截面1-1、2-2、3-3处的压强；v1、v2、v3分别为截面1-1、2-2、3-3处的流速；D1、D2、D3分别1-1、2-2、3-3的直径；截面ρ为流体密度，g为重力加速度。常温下金属波纹管可以看成弹簧，金属波纹管的弹性系数： k = 1.7 * mD m E nC f ( S p + C 2 h ) 3 ]]>式中：m为波纹管层数(m＝1)，Dm为平均直径，E为杨氏模量，h为波纹管的波深，n为波纹管的波数，C2为腐蚀量(通常认为0)，Cf为系数，Sp为波纹管的波厚。波纹管的总变形量为两个波纹管变形量之和：光纤光栅波长变化可表示为：式中，s内和s外分别表示内、外波纹管和的受力面；pe为光纤光栅有效光弹系数，大约为0.22；结合以上分析，传感器结构确定后将设计参数带入上式，可知m和n为常数，光纤光栅中心波长变化仅与速度有关，通过光纤光栅的测量结果带入上式即可求得风速。进一步地，两个所述的套管一端部固定于外壳内一侧，外套管的一端部与外壳内另一侧间隔设定距离。进一步地，为了消除温度对光纤光栅测量的影响，在所述外壳内设置有温度补偿光栅，以确保光纤光栅对应变的测量，温度补偿光栅的一侧通过设于外壳上的出纤孔悬挂于外壳内，在出纤孔内温度补偿光栅的圆周设置密封圈进行密封。进一步地，所述液体为硅油，硅油的填充可有效减小外界噪声影响，使传感器达到高灵 敏度，降低风速传感器的测量下限值。进一步地，所述传感器在所述液体中通过密封件进行设置，光纤光栅置于内、外波纹管之间一个封闭的环境中，避免与液体接触，减小流体冲击对光纤光栅产生的振动影响。进一步地，所述内套管与外套管一端部共同固定于一底座上，在底座上设有用于和外壳密封连接的螺纹凸台，和用于安装内、外波纹管的凹槽，以及用于连接引压管的螺纹孔，该底座与所述的外壳固定，内、外波纹管通过凹槽与底座固定后，再通过激光进行焊接。进一步地，所述内套管与外套管均为铍青铜金属波纹管。本专利技术提供的第二个方案如下：所述的一种光纤差压风速传感器在矿山环境下的应用，也可以应用于其他恶劣环境中。本专利技术中传感器依据光纤光栅应变传感原理，将光纤光栅置于内、外波纹管之间的轴心方向；流体风经文丘里管在截面2-2和截面3-3产生压力，通过引压管将压力作用到内、外波纹管上，波纹管产生弹性形变进而使光纤光栅产生应变，使光纤光栅中心波长产生变化，从而确定流体速度。本专利技术提供的第二种方案是：一种提高差压风速传感器测量灵敏度的方法，采用所述的光纤差压风速传感器。本专利技术的有益效果是：1)本专利技术通过双波纹管增敏结构，使传感器敏感度提高，降低了风速传感器的测量下限值。2)本专利技术将光纤光栅置于内、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤差压风速传感器，其特征在于，包括：外壳，在外壳内设置内外嵌套的端部封闭的两个圆周侧可伸缩的套管，内套管一端部与外套管的一端部之间设置光纤光栅，在内套管与外套管之间的空腔内填充有润滑液体以减小外界噪声影响；内套管与外套管中一个通过管路与文丘里管的圆筒段连接，二者中另一个通过管路与文丘里管的缩径段连接，以将流体穿过文丘里管产生的压力通过两个套管作用于光纤光栅上。

【技术特征摘要】
1.一种光纤差压风速传感器，其特征在于，包括：外壳，在外壳内设置内外嵌套的端部封闭的两个圆周侧可伸缩的套管，内套管一端部与外套管的一端部之间设置光纤光栅，在内套管与外套管之间的空腔内填充有润滑液体以减小外界噪声影响；内套管与外套管中一个通过管路与文丘里管的圆筒段连接，二者中另一个通过管路与文丘里管的缩径段连接，以将流体穿过文丘里管产生的压力通过两个套管作用于光纤光栅上。2.根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，所述套管为波纹管。3.根据权利要求1或2所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，两个所述的套管一端部固定于外壳内一侧，外套管的一端部与外壳内另一侧间隔...

【专利技术属性】
技术研发人员：李振，王纪强，刘统玉，赵林，侯墨语，
申请(专利权)人：山东省科学院激光研究所，
类型：发明
国别省市：山东;37