测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器制造技术

测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，包括流速管部分（流速管和双锥体分速装置）、传感圆筒部分（一个传感圆筒、铝箔管和等强度悬臂梁）和测量部分（光纤耦合器、光源、光探测器）。等强度悬臂梁分别连接传感圆筒和铝箔管，双光纤光栅粘贴在等强度悬臂梁上下表面并通过光纤与测量部分相连。流速管壁上至少开有三个孔，其中一个孔位于双锥体对应区域以外并与铝箔管的外部连通，另外两个孔通过控制开关与铝箔管的内部连通，利用开关控制不同孔的导通实现对不同流速段流速的测量。当由流速产生的外力作用在等强度悬臂梁自由端时，两个光纤光栅反射谱中心波长随之漂移，而环境温度对两个光栅波长差不产生影响。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种光纤光栅流速传感器，能够对流体的流速进行高灵敏度感测，并在一定程度上改变传感及测量范围，属于光纤传感

技术介绍
流速是工业生产过程、能源计量等实际应用中的重要参量，人们已开发出多种类型的流速传感器。其中，机械转子式流速器技术相对成熟，但测量误差较大，精度低；超声波流速仪、电磁流速仪和声学多普勒流速仪等具有良好的测量精度，但成本高，且易受电磁波干扰；光纤流速传感器一般是基于光纤的应变、干涉以及光栅中心波长的变化等原理设计而成，但现有技术尚无法同时提供测量范围可调且温度不敏感的解决方案。光纤具有质量轻、柔韧性好、抗电磁干扰、易设计加工等优良特性，它是新型流速传感器设计和研制的优选材料。采用紫外曝光、激光刻蚀、化学腐蚀等技术，能够在光纤的纤芯或包层上产生周期性折射率分布，形成光纤光栅。这种周期性的结构可以改变或控制光波在光纤中的传播行为，并易于设计和研制精度高、适于恶劣环境工作的光纤光栅传感器。通过把光纤光栅埋入衬底材料和结构内部或粘贴在其表面，可使其对流速、温度、应力、 应变、压力、位移、曲率、压强、速度、加速度等待测参量敏感，并通过光纤光栅波长及带宽的变化来感测这些待测参量的大小及方向，从而设计并研制各种工程所需的光纤光栅传感器。光纤光栅传感器已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测以及科学研究等诸多领域，属于一种新颖的光学检测技术。检索结果表明，目前尚没有采用光纤布喇格光栅传感器，能对流体流速进行高灵敏度感测，并且具有测量范围可调特性的报道。
技术实现思路
本技术的目的旨在设计出一种能对流体的流速进行高灵敏度感测、测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器。本技术提供的测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，包括流速管部分、传感圆筒部分和测量部分；流速管部分包括流速管和双锥体分速装置，待测流体由流速管中流过，并经由管内固定设置的双锥体分速装置进行分速；在与双锥体分速装置对应区域的不同截面处的流速管壁上至少开有两个孔，在与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上开有一个孔；所述的传感圆筒部分包括一个密闭传感圆筒，筒内固定设置有一个铝箔管；与双锥体分速装置对应区域的流速管壁上的两个孔分别通过管路经选择控制开关与铝箔管的内部连通，与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上的孔通过管路与铝箔管的外部连通；密闭传感圆筒另一端的端面上固定有一个等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的自由端与铝箔管封闭一侧的底面连接，沿等强度悬臂梁中线靠近固定端的上表面和下表面对应粘贴中心波长不同的两个光纤光栅，光栅轴向与直梁平行；所述的测量部分包括2X2光纤耦合器、光源和光探测器，2X2光纤耦合器一侧的两根光纤分别连接两个光纤光栅；光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根接光探测器(多波长计或光谱仪)。所述的双锥体和等强度悬臂梁的材料为杨氏模量IOOOMPa 4000MPa的弹性材料(有机聚合物等)、金属或合金材料。所述的光纤光栅为玻璃或塑料的光纤布喇格光栅。所述的光纤为单模光纤。感测原理当某流速的流体流经流速管时，在固定设置的双锥体分速装置的两个不同横截面积的位置将产生不同的压强(如附图说明图1中的a、力处)；将这两个不同压强分别引入传感圆筒内铝箔管底面的两侧(如图2)，则会对铝箔管底面产生一沿圆筒轴向的作用力；该力作用在与铝箔管底面相连的等强度梁上，带动粘贴其上下表面中心波长不同的两个光纤布喇格光栅的栅格周期发生变化，从而使两个光栅的谐振峰中心波长发生漂移。根据理论分析，流速可测范围取决于流速管开孔处对应的横截面积；流速管的一个开孔横截面积固定(如图1 中的a处)，另一开孔横截面积根据需要可作变动(如图1中的力、c处，由双锥体位置决定)。 本流速管装置上设计了两个开孔，分别对应双锥体的大横截面积和小横截面积。理论分析表明横截面较大处适合感测较小的流速(如选择图1中的力孔)，反之则适合感测较大的流速(如选择图1中的c孔)。将上述两个开孔联合起来，并用一开关控制开孔的选择，则在测量时选择不同的开孔，就可测量不同流速段的流速，从而弥补了单一开孔结构可测范围受限的不足。另外， 由于等强度梁是用同一材料制作，故其直梁上各点的热学性质是一致的。当环境温度变化时，由于光栅各点的热膨胀系数相同，因而温度变化引起的光栅栅格周期变化是相同的，因此温度效应仅使两个光栅的中心波长差整体漂移而不会导致其改变。通过光探测器(多波长计或光谱仪)测量该光栅的谐振峰漂移量，并根据需要控制开关选择不同流速管的开孔， 就能实现测量范围可调且温度不敏感的高灵敏度流速感测。测量方法光源发出的光经光纤耦合器进入光纤光栅发生反射，反射光再次经光纤光栅耦合器进入到光探测器进行检测，从光探测器中提取传感信号，经相关公式转换实现待测参量 (流速)的感测。等强度悬臂梁选用均质、等厚、杨氏模量(IOOOMPa 4000MPa)的弹性材料制作。中心波长不同的两个光纤布喇格光栅(FBG)沿等强度悬臂梁的中线分别粘贴在上表面和下表面靠近固定端处(如图3)。光纤是单模光纤，光纤耦合器是2X2光纤耦合器；光源是宽带光源或可调谐光纤激光器；光探测器是多波长计或光纤光谱仪。传感器的工作环境温度为 -20°C 80°C之间。对于本光纤光栅流速传感器，其受力分析如下设流速管开口 a处流速为 V1，压强为P1,截面积S1 = πΡ.2 ,其中左为流速管半径；设开口力处流速为、，压强为朽，截面积S2 =对Λ2 -Γ2),其中r为锥型体底面半径。由流体连续性方程和伯努利方程可得Apm = ^yi⑴将长度为4、中心波长分别为、、Λο (Λο^Λο)的两个光纤布喇格光栅FBGU FBG2沿等强度悬臂梁的上表面和下表面中线粘贴在固定端附近。在恒温、外力厂的作用下，上下表面两个光纤光栅FBG1、FBG2的中心波长漂移量之差为权利要求1.一种测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，其特征在于该传感器包括流速管部分、传感圆筒部分和测量部分；流速管部分包括流速管和双锥体分速装置，待测流体由流速管中流过，并经由管内固定设置的双锥体分速装置进行分速；在与双锥体分速装置对应区域的不同截面处的流速管壁上至少开有两个孔，在与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上开有一个孔；所述的传感圆筒部分包括一个密闭传感圆筒，筒内固定设置有一个铝箔管；与双锥体分速装置对应区域的流速管壁上的两个孔分别通过管路经选择控制开关与铝箔管的内部连通，与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上的孔通过管路与铝箔管的外部连通；密闭传感圆筒另一端的端面上固定有一个等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的自由端与铝箔管封闭一侧的底面连接，沿等强度悬臂梁中线靠近固定端的上表面和下表面对应粘贴中心波长不同的两个光纤光栅，光栅轴向与直梁平行；所述的测量部分包括2X2光纤耦合器、光源和光探测器，2X2光纤耦合器一侧的两根光纤分别连接两个光纤光栅；光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根接光探测器。2.根据权利要求1所述的测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，其特征在于所述的光纤为单模光纤。3.根据权利要求1所述的测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，其特征在于所述的光源是宽带光源或可调谐光纤激光器；所本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，其特征在于：该传感器包括流速管部分、传感圆筒部分和测量部分；流速管部分包括流速管和双锥体分速装置，待测流体由流速管中流过，并经由管内固定设置的双锥体分速装置进行分速；在与双锥体分速装置对应区域的不同截面处的流速管壁上至少开有两个孔，在与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上开有一个孔；所述的传感圆筒部分包括一个密闭传感圆筒，筒内固定设置有一个铝箔管；与双锥体分速装置对应区域的流速管壁上的两个孔分别通过管路经选择控制开关与铝箔管的内部连通，与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上的孔通过管路与铝箔管的外部连通；密闭传感圆筒另一端的端面上固定有一个等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的自由端与铝箔管封闭一侧的底面连接，沿等强度悬臂梁中线靠近固定端的上表面和下表面对应粘贴中心波长不同的两个光纤光栅，光栅轴向与直梁平行；所述的测量部分包括２×２光纤耦合器、光源和光探测器，２×２光纤耦合器一侧的两根光纤分别连接两个光纤光栅；光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根接光探测器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟刚，钟诚，李晓兰，尚佳彬，颜爱东，严肃源，
申请(专利权)人：南开大学，
类型：实用新型
国别省市：12