光纤感测系统技术方案

一种光纤感测系统（１０）包括设置在流径（１２）中的壳体（１４）和光纤传感器（１６）。光纤传感器包括固定在壳体中的光纤（２８）、布拉格光栅（３６）、用于将光线传输到光纤的光源（３８）以及用于检测经光纤的布拉格光栅过滤的光线并且监测所检测光线的波长变化的检测器。光纤与流径基本垂直。壳体在上游侧定义开口以便允许通过流径的流量对光纤施加压力并且引起布拉格光栅的变形。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术通常涉及感测技术，更具体来说，涉及光纤感测装置。
技术介绍
用于测量例如流速、压力、温度、质量流等流体或气体流参数的各种感测装置是已 知的。但是，对于通过难以接近的通道、如通过密封的冷却流或泄漏流的流量测量，常规感 测装置实现起来比较复杂。 希望具有一种较小尺寸的改进感测装置。
技术实现思路
根据本文所公开的一个实施例，提供一种光纤感测系统。该光纤感测系统包括设 置在流径中的壳体和光纤传感器。光纤传感器包括固定在壳体中的光纤、布拉格(Bragg) 光栅、用于将光线传输到光纤的光源以及用于检测经光纤的布拉格光栅过滤的光线并且监 测所检测光线的波长变化的检测器。光纤与流径基本垂直。壳体在上游侧定义开口，以便 允许通过流径的流量对光纤施加压力并且引起布拉格光栅的变形。 根据本文所公开的另一个实施例，提供一种光纤感测系统。该光纤感测系统包括 设置在流径中的壳体和光纤传感器。光纤传感器包括固定在壳体中的光纤。光纤与流径基 本垂直，并且包括第一部分，包含用于测量流径中的差压的第一布拉格光栅；第二部分， 包含用于测量流径中的总压力的第二布拉格光栅；以及第三部分，包含用于测量流径中的 温度的第三布拉格光栅。光纤传感器还包括光源，用于通过光纤传输光线；以及检测器， 用于检测经光纤的布拉格光栅过滤的光线并且监测所检测光线的波长变化。附图说明 本专利技术的这些及其它特征、方面和优点在参照附图阅读以下详细描述时将变得更 好理解，附图中，相似符号在整个附图中表示相似部件，其中 图1是根据本专利技术的一个实施例、用于测量流量的差压的光纤感测系统的截面 图。图2示出因施加于光纤的压力而引起的布拉格光栅的波长变化。 图3是根据本专利技术的另一个实施例、用于测量流量的差压和静压的光纤感测系统的截面图。 图4是示出图3的光纤感测系统的空腔中的光线的反射和透射(transmission) 的放大图。 图5是根据本专利技术的又一个实施例、用于测量流量的总压力和静压的光纤感测系 统的截面图。 图6是根据本专利技术的又一个实施例、用于测量流量的流向和总压力的光纤感测系 统的截面图。 图7是沿图6的线条7-7的光纤感测系统的截面图。 图8是根据本专利技术的又一个实施例、用于测量流量的总压力、差压和温度的光纤 感测系统的侧视图。 图9是沿图8的线条9-9的截面图。 图10示出三个布拉格光栅分别由于通过图8和图9的实施例的流量的总压力、差 压和温度的改变而弓I起的波长变化。具体实施例方式本专利技术的实施例公开用于测量流体(液体或气体)流参数的光纤感测系统。光纤 感测系统包括各具有布拉格光栅的光纤传感器。通过监测所检测光线的波长的变化，可测 量流量的差压、静压、流速和/或温度。为了简化描述，不同实施例的共同元件共用相同的 参考标号。 图1示出一种光纤感测系统10，它包括设置在流径12中的壳体14和光纤传感器 16。光纤传感器16包括固定在壳体14中的光纤28，并且其上具有布拉格光栅36。光纤28 与流径基本垂直，以及壳体在上游侧定义开口，以便允许通过流径的流量对光纤28施加压 力，并且引起布拉格光栅36的变形。光纤传感器16还包括光源38，用于通过光纤28传 输光线；以及检测器39，用于检测通过光纤的布拉格光栅所过滤的光线并且监测所检测光 线的波长变化。 图1还示出用于测量流径12中的差压的示范光纤感测系统10。通过流径12的流 体流量一般沿流向D，相应地，如下文所使用的术语"下游"和"上游"均相对于流向D来定 义。在图1的实施例中，壳体14包括基本成直角的隧道18，其中具有沿流向D的上游通道 20以及与流向D基本垂直的下游通道22。上游和下游通道20、22分别包括在壳体14正面 的上游开口 24以及在壳体14底面的下游开口 26。在图1的实施例中，光纤传感器16包括 与流向D —般垂直设置的光纤28，其中上端和下端在壳体14中固定并且密封，使得光纤端 部没有与流径12接触。光纤28包括芯27以及围绕芯27的外层29，并且光纤28的中间部 分30设置在上游通道20中并且与下游通道22相邻。 因此，流体从上游开口 24流入隧道18并且从下游开口 26流出隧道18，其中光纤 28的中间部分30具有与流体流量的总压力Pt相关的一侧32和经受流体流量的静压Ps的 另一侧34。因流量12而施加于光纤28的总压力Pt和静压Ps服从伯努利(Bernoulli)方 程 Pt = Ps+Pd 其中"Pd"是按照下式与流速的平方成正比的动压或差压 Pd =全P. U2 其中p是单位为kg/m3的流体密度，以及u是单位为m *s—1的流体速度。相应地， 光纤28的偏转与差压Pd成正比，并且又指示流速u。 继续参照图l，光纤传感器16还包括光纤28中的布拉格光栅36、用于向光纤28 发射光线的光源38以及接收从布拉格光栅36所反射的光线的检测器39。在一个实施例 中，布拉格光栅36包括在光纤28的中间部分30中的分布式周期性光栅，而在另一个实施例中，布拉格光栅36位于光纤28的中间部分30之下或之上。光源38可包括例如可调谐 激光器、LED、激光二极管或者任何其它准单色源，它们可通过通常1400至1500纳米的波长 范围来进行扫描。 布拉格光栅36可通过本领域已知的任何方法在光纤28上形成，并且在一个示例 中，这种制造包括使用紫外光的干扰图来创建折射率的永久调制。当来自光源38的光线通 过光纤28传输到布拉格光栅36时，布拉格光栅在下式给出的对应布拉格波长反射光能 AB = 2neffA 其中"A B"表示布拉格波长，"neff"是折射率，以及"A "是光栅的周期。光栅36 的折射率rwf和周期A是温度和应变(strain)的函数。因此，施加到布拉格光栅36的差 压Pd在布拉格光栅36上引起应变，该应变导致反射光线的布拉格波长的变化。 如图2所示，实线中的波形是没有给光纤28垂直施加的压力的原始波长A ，而虚 线中的波形是差压Pd所引起的偏移波长A 。相应地，通过将布拉格波长的偏移量A A与 差压Pd相关，差压Pd因而可通过监测布拉格波长偏移A A来获得。光纤传感器由于尺寸 较小并且对应变敏感而有用。因此，光纤感测系统io可用于例如通过燃气涡轮机中的密封 的冷却流或泄漏流等难以接近的流量区域。 图3示出根据本专利技术的另一个实施例、用于测量差压Pd和静压Ps的光纤感测系 统40，其中光纤传感器42包括包含固定在壳体14的下端部分并且在光纤28下方的介电 膜44的法布里-珀罗(Fabry-Perot)光学传感器。光纤28包括下端46。膜44包括面向 光纤28的内表面47以及暴露于流径12并且经受静压Ps的外表面49。具有距离d的空腔 48在光纤28的下端46与膜44的内表面47之间形成。 参照图4，来自光源38(图3)的光线通过光纤28进行传输，并且被部分送入空腔 48。光纤28的下端和膜44分别具有反射率ni和n2，并且在一个实施例中& = n2。空腔48 具有与反射率&和n2不同的反射率ne。送入空腔48的光线包括在光纤28的下端46与空 腔48中的膜44之间反射的反射光分量50以及通过光纤28的下端46从空腔48透射并且 由检测器38接收的透射光分量52。假本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤感测系统（１０），包括：设置在流径（１２）中的壳体（１４）；以及光纤传感器（１６），包括：光纤（２８），固定在所述壳体中，并且包括布拉格光栅（３６），所述光纤与所述流径基本垂直，其中所述壳体在上游侧定义开口以便允许通过所述流径的流量对所述光纤施加压力并引起所述布拉格光栅的变形；用于将光线传输到所述光纤的光源（３８）；以及检测器，用于检测经所述光纤的所述布拉格光栅过滤的光线并且监测所述所检测光线的波长变化。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：R罗德里古滋埃德门格，EJ鲁吉尔奥，AK辛普森，CE沃尔夫，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]