一种高灵敏的流体流速光学测量传感器和测量方法技术

本发明专利技术提供了一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，包括：端面切平的单模光纤、光反射镜、以及连接反射镜的弹性长条；所述单模光纤固定在不锈钢或适合水下使用材料的固定套管中,所述反射镜固定于弹性长条的一端，并朝向所述单模光纤的一端面，以使得所述单模光纤和反射镜沿着水槽中水流的方向前后设置构成法布里

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏的流体流速光学测量传感器和测量方法


[0001]本专利技术涉及一种高灵敏的流体流速光学测量传感器。

技术介绍

[0002]流速流量是工业生产和自动化控制中的重要参数，其准确测量在能源计量、气象预报、农业生产、生物医疗等众多领域中具有重要意义，因而种类繁多的流速流量传感器被广泛应用。其中激光多普勒测速仪是利用多普勒原理，通过检测流体中运动粒子引起散射波的多普勒频移计算出待测流速。由于利用激光散射的原理，该方法容易受到待测流体性质的影响，虽具有较高的测量精度但也伴随着高成本和复杂的信号处理系统；基于示踪技术进行流速测量是将示踪物质放入流体中，当其随着流体流动时，可通过检测其运动规律可以得到待测流速。但示踪剂可能会对水质造成影响，对环境造成污染，尤其当示踪剂为放射性元素或同位素时，其发出的射线能量难以捕获，并可能对人体健康造成危害。当面临渗流检测等微小流速测量的应用需求时，该方法需要很长的测量时间并且较为稳定的测量环境；热式流量(速)计是依据对流传热原理进行流速测量的，根据流体与热源之间的热量传递以及二者的热量交换关系可得待测流速。然而当在流体中的热源需要供电时，会引发流体中的用电安全问题，且实际应用中也面临着整个测量系统大功耗和高成本等问题。除上述类型的传感器之外，靶式流量(速)计也被广泛应用于日常生活生产之中，该类传感器结构主要由靶片和与之连接的金属片(杆)构成，金属片(杆)上贴有应变传感器，例如光纤布拉格光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)，其测量原理是靶片受到流体流动的冲击而产生作用力，进而使金属片(杆)受力产生应变，导致粘贴在金属片(杆)上的FBG中心波长移动。因此通过测量FBG的中心波长变化可以得到待测流速。虽然该传感器具有体积小，可点式实时测量，易于复用等优点，但受限于普通FBG的应变灵敏度较低(约为1.2pm/με)，当测量微小流速时，靶片受到流体的冲击作用力很小，难以使金属片(杆)上的FBG发生较大的波长变化。在深海、地下水渗流等需要测量流体微小流速变化的应用场景，上述类型传感器的灵敏度不够高，难以实现对微小流速的测量。

技术实现思路

[0003]针对上述问题，本专利技术提出了一种基于法布里
‑
珀罗干涉仪(F
‑
P，Fabry
‑
Perot)的流速测量传感器结构设计、以及结合虚拟参考干涉仪的灵敏度增强测量方法，实现了对微小流速的高灵敏测量。
[0004]为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，包括：端面切平的单模光纤、反射镜、弹性长条；
[0005]所述单模光纤固定在套管中,所述反射镜固定于弹性长条的一端，并朝向所述单模光纤的一端面，以使得所述单模光纤和反射镜沿着水槽中水流的方向前后设置构成法布里
‑
珀罗干涉仪结构；所述单模光纤的另一端面与光源连接。
[0006]在一较佳实施例中：所述不锈钢套管的直径为0.3mm。
[0007]在一较佳实施例中：所述反射镜为半径10mm，厚度0.1mm的圆形载玻片。
[0008]在一较佳实施例中：所述反射镜的表面通过磁控溅射技术镀有200nm厚度的金膜。
[0009]本专利技术还提供了如上所述的基于光学游标效应的流速传感器灵敏度增强的测量方法，即首先利用光在单模光纤的端面和反射镜处分别反射后再发生干涉，当反射镜受到流体流动的冲击产生位移时，根据法布里
‑
珀罗干涉仪的腔长变化得到待测流速；然后根据测量得到的干涉仪腔长，构造一个腔长与之相近的虚拟干涉仪，将虚拟干涉仪的光谱与传感干涉仪的光谱叠加，得到包络周期变化的光谱。通过测量包络光谱的自由谱宽随流体流速的变化，实现高灵敏度的流速测量。
[0010]在一较佳实施例中：当光从单模光纤端面和反射镜处分别反射后发生干涉后，其反射光谱强度I可以用下式表示：
[0011][0012]其中I1和I2分别是两束相干的反射光强度，φ表示二者之间的相位差。
[0013]在一较佳实施例中：所述相位差φ表示为：
[0014][0015]其中λ为光波长，L为干涉仪的腔长。光强I将随λ呈周期性变化。
[0016]在一较佳实施例中：设λ1和λ2分别代表光谱中两个相邻峰或谷值的波长，则流速传感器的自由谱宽FSR和法布里
‑
珀罗结构的腔长L通过下式计算：
[0017]FSR＝|λ2‑
λ1|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0018][0019]根据测量得到的L，构造一个腔长与L接近的虚拟参考干涉仪。根据我们的理论分析，这种基于游标效应的灵敏度增强因子M与两个腔长的比值g有关，即：
[0020][0021]其中L
R
为虚拟参考干涉仪的腔长。
[0022]在实际中，可以根据需要，通过设定M为10～50(或其它数值，确定g值，从而计算得到参考腔的长度。
[0023]进而虚拟参考干涉仪的光谱强度I
R
可表示为：
[0024][0025]因此，传感的法布里
‑
珀罗干涉仪与参考干涉仪的叠加光谱的输出光强I
′
可表示为：
[0026][0027]可以定义叠加光谱包络中心波长附近的两个相邻波峰波长λ
E1
和λ
E2
的差为包络的自由谱宽FSR
E
，由此可得叠加光谱包络的自由光谱范围FSR
E
为
[0028][0029]通过叠加光谱包络的自由光谱范围FSR
E
在不同流速下的变化，实现高灵敏的流速
测量。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下突出的技术效果和优点：
[0031]本专利技术提供了一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，该传感器可以进行点式测量，灵敏度高，还可以通过灵活调整反射镜和弹性长条的几何参数以满足不同的应用需求，具有很大的实用性，并且基于数值仿真构造一个虚拟的参考干涉仪，通过游标效应实现高灵敏度的流速测量。
附图说明
[0032]图1为光纤流速传感器结构图。
[0033]图2为流速测量装置图。
[0034]图3为不同流速下传感器的干涉光谱图。
[0035]图4为不同流速下自由谱宽FSR与流速v的实验曲线。
[0036]图5为虚拟参考干涉仪的干涉光谱图。
[0037]图6为不同流速下叠加光谱的自由光谱范围FSR
E
与流速v的实验曲线。
具体实施方式
[0038]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0039]在本专利技术的描述中，需本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，其特征在于包括：端面切平的单模光纤、反射镜、弹性长条；所述单模光纤固定在套管中,所述反射镜固定于弹性长条的一端，并朝向所述单模光纤的一端面，以使得所述单模光纤和反射镜沿着水槽中水流的方向前后设置构成法布里
‑
珀罗干涉仪结构；所述单模光纤的另一端面与光源连接。2.权利要求1所述的流速传感器的测量方法，其特征在于：利用光在单模光纤的端面和反射镜处分别反射后再发生干涉，当反射镜受到流体流动的冲击产生位移时，根据法布里
‑
珀罗结构的腔长变化得到待测流速。3.根据权利要求2所述的流速传感器计算流速的方法，其特征在于：当光从单模光纤端面和反射镜处分别反射后发生干涉后，其反射光谱强度I可以用下式表示：其中I1和I2分别是两束相干的反射光强度，φ表示二者之间的相位差。4.根据权利要求3所述的流速传感器计算流速的方法，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：董小鹏，关云卿，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：