CN114264838A - 基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器及其测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器及其测量装置，涉及光纤传感器的技术领域，所述风速传感器包括多芯光纤、长周期光纤光栅、光纤布拉格光栅和金属膜；所述长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅设置在多芯光纤的不同的纤芯中；所述金属膜包覆在多芯光纤的圆周上。本发明将长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅设置在多芯光纤的不同的纤芯中，使信号光和泵浦光分离传输，避免长周期光纤光栅对信号光的干扰，信号光损小；多芯光纤的圆周上包覆的金属膜用于感受温度变化，并引起光纤布拉格光栅的温度变化，进而使光纤布拉格光栅反射信号光时的波长产生变化，获得风速信息；本发明结构简单、体积小、灵敏度高，可以测得准确的风速。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器的技术领域，更具体地，涉及一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器及其测量装置。
背景技术
风作为一种自然现象无处不在，对风速的监测在工农业生产、交通运输、航空航天、汽车工业等多个领域中都有非常重要的作用。风速测量的传感器主要分为机械式风速传感器和压差式风速传感器，其中机械式风速传感器包括应力微弯式光纤风速传感器和三杯式风速计；压差式风速传感器包括压差式光纤法布里-珀罗风速传感器和皮托管式风速计。另外还有涡街式气体流速传感器、超声波风速传感器、热式气体流速传感器、粒子成像流速传感器。这些传感器容易受到电磁干扰、成本高、体积大。近年来，光纤风速计因其具有高灵敏度、使用方便、抗电磁干扰和测量范围广等优点，成为了风速测量研究的潮流，并且将光纤光栅技术与风速传感技术相结合有广阔的研究前景和研究意义。
现有技术公开了一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器，包括刻写了光纤光栅A的掺杂光纤、刻写了光纤光栅B的单模光纤、波长解调模块、波分复用器和泵浦激光器；掺杂光纤与单模光纤对芯熔接，作为传感器的传感单元，波分复用器将传感单元与泵浦激光器和波长解调模块连接。该申请将两段光纤对芯熔接，存在芯径失配、光纤同心度不良、光纤端面污染等缺陷，导致光纤传输损耗很大；并且信号光和泵浦光在同一根光纤中传输，光纤光栅会对信号光产生影响，导致最终测得的流量数据不准确。
发明内容
本发明为克服上述现有风速传感器中，信号光和泵浦光在单模光纤中共同传输时对信号光产生影响，导致测量结果不准确的缺陷，提供一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器及其测量装置，能够将信号光和泵浦光分离传输，避免对信号光产生影响，测量结果准确。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，所述风速传感器包括多芯光纤、长周期光纤光栅、光纤布拉格光栅和金属膜；
所述长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅设置在多芯光纤的不同的纤芯中；所述金属膜包覆在多芯光纤的圆周上。
本发明将长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅分别在多芯光纤的不同的纤芯中，使信号光和泵浦光在多芯光纤内分离传输，避免了长周期光纤光栅对信号光的影响，最终的测量结果更准确。
光纤光栅热线式风速传感器的原理是泵浦光通过长周期光纤光栅耦合至光纤包层，包覆在多芯光纤上的金属膜吸收泵浦光产生热量，导致光纤布拉格光栅的温度升高，反射波长红移，当外界风速不为零时，金属膜温度降低，进而光纤布拉格光栅的温度也降低，反射波长蓝移，而波长蓝移量与风速具有固定的关系，从而测出风速。
优选地，长周期光纤光栅的长度大于光纤布拉格光栅的长度。
优选地，长周期光纤光栅在多芯光纤轴线上的投影与光纤布拉格光栅在多芯光纤轴线上的投影不重叠。
优选地，长周期光纤光栅在多芯光纤轴线上的投影与光纤布拉格光栅在多芯光纤轴线上的投影之间的距离范围d为3-5毫米。
优选地，所述金属膜在多芯光纤轴线上的投影与长周期光纤光栅在多芯光纤轴线上的投影不重叠，避免金属膜的温度变化对长周期光纤光栅的透射谱产生影响。
优选地，所述金属膜在多芯光纤轴线上的投影与光纤布拉格光栅在多芯光纤轴线上的投影重合。
优选的，所述光纤布拉格光栅在多芯光纤轴线上的投影的两端从金属膜在多芯光纤轴线上的投影的两端伸出，保证金属膜产生的热量传递给光纤布拉格光栅的效率更高。
优选的，所述光纤布拉格光栅在多芯光纤轴线上的投影与金属膜在多芯光纤轴线上的投影重合，保证了光纤布拉格光栅的利用率。
优选地，所述金属膜为银膜。
本发明还提供了一种风速测量装置，所述装置包括上述的风速传感器、光纤光栅波长解调仪、泵浦光源和光子灯笼；
泵浦光源的输出端与光子灯笼的第一输入端连接，泵浦光源产生泵浦光输入光子灯笼；
光纤光栅波长解调仪的输出端与光子灯笼的第二输入端连接，光纤光栅波长解调仪产生信号光输入光子灯笼；
光子灯笼的输出端靠近风速传感器中长周期光纤光栅所在的一端，将泵浦光注入设置有长周期光纤光栅的多芯光纤的纤芯中，将信号光注入设置有光纤布拉格光栅的多芯光纤的纤芯中；泵浦光经长周期光纤光栅耦合至光纤包层被金属膜吸收；信号光经光纤布拉格光栅反射后由光子灯笼输入光纤光栅波长解调仪。
优选地，所述泵浦光源产生泵浦光的波长包含于长周期光纤光栅的共振峰中。
泵浦光源用于产生泵浦光，泵浦光的波长需包含于长周期光纤光栅的共振峰中，经过光子灯笼注入设置有长周期光纤光栅的多芯光纤的纤芯中，长周期光纤光栅将泵浦光耦合到光纤包层；多芯光纤的光纤包层外包覆金属膜，金属膜吸收泵浦光的能量后温度升高，进而光纤布拉格光栅的温度也会升高；光纤光栅波长解调仪产生的信号光经光子灯笼注入设置有光纤布拉格光栅的多芯光纤的纤芯中；信号光经光纤布拉格光栅反射后在由光子灯笼输入光纤光栅波长解调仪，光纤光栅波长解调仪能够解析反射光的波长；由于光纤布拉格光栅温度升高，反射的波长红移，风速不为零时，金属膜温度降温，光纤布拉格光栅温度也降低，反射的波长蓝移，蓝移量与风速之间具有固定关系，通过测量反射波长的蓝移量即可解调出风速。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明将长周期光纤光栅和光纤布拉格光栅设置在多芯光纤的不同的纤芯中，使信号光和泵浦光分离传输，泵浦光不会对信号光和反射光造成干扰，信号光损小；多芯光纤的圆周上包覆的金属膜用于产生温度变化，并引起光纤布拉格光栅的温度变化，进而使光纤布拉格光栅反射信号光的波长产生变化，获得风速信息；本发明结构简单、体积小、灵敏度高，可以测得准确的风速。
附图说明
图1为实施例1所述的一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器的结构示意图。
图2为实施例2所述的一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器的结构示意图。
图3为实施例3所述的一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器的结构示意图。
图4为实施例4所述的一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器的结构示意图。
图5为实施例5所述的一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器的结构示意图。
图6为实施例6所述的一种风速测量装置的结构示意图。
图中，1-多芯光纤，2-长周期光纤光栅，3-光纤布拉格光栅，4-金属膜，5-光纤光栅波长解调仪，6-泵浦光源，7-光子灯笼。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，如图1所示，所述风速传感器包括多芯光纤1、长周期光纤光栅2、光纤布拉格光栅3和金属膜4。
所述长周期光纤光栅2和光纤布拉格光栅3设置在多芯光纤1的不同的纤芯中；金属膜4包覆在多芯光纤1的圆周上；长周期光纤光栅2的长度大于光纤布拉格光栅3的长度。
长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影不重叠；金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影与长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影不重叠。光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影的两端从金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影的两端伸出；
在具体实施过程中，本实施例提供的风速传感器，长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影存在距离，距离d为3毫米；金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影长度比光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影长度更短，保证金属膜4产生的热量传递给光纤布拉格光栅3的效率更高；但与长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影也存在距离，避免金属膜4的温度变化对长周期光纤光栅2的透射谱产生影响；本实施例中金属膜4为银膜。
实施例2
本实施例提供一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，如图2所示，所述风速传感器包括多芯光纤1、长周期光纤光栅2、光纤布拉格光栅3和金属膜4。
所述长周期光纤光栅2和光纤布拉格光栅3设置在多芯光纤1的不同的纤芯中；所述金属膜4包覆在多芯光纤1的圆周上；长周期光纤光栅2的长度大于光纤布拉格光栅3的长度。
长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影不重叠；金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影与长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影不重叠。光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影的两端从金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影的两端伸出。
在具体实施过程中，本实施例提供的风速传感器，长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影存在距离,距离d为5毫米；金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影长度比光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影长度更短，保证金属膜4产生的热量传递给光纤布拉格光栅3的效率更高；但与长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影也存在距离，避免金属膜4的温度变化对长周期光纤光栅2的透射谱产生影响；本实施例中金属膜4为银膜。
实施例3
本实施例提供一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，如图3所示，所述风速传感器包括多芯光纤1、长周期光纤光栅2、光纤布拉格光栅3和金属膜4；
所述长周期光纤光栅2和光纤布拉格光栅3设置在多芯光纤1的不同的纤芯中；所述金属膜4包覆在多芯光纤1的圆周上；长周期光纤光栅2的长度大于光纤布拉格光栅3的长度；
长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影不重叠；所述金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影重合；
在具体实施过程中，本实施例提供的风速传感器，长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影存在距离，距离d为3毫米，距离为3毫米；金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影长度比光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影重合，既保证了金属膜4产生的热量传递给光纤布拉格光栅3的效率，又保证了光纤布拉格光栅的利用率；与长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影也存在距离，距离也为3毫米，避免金属膜4的温度变化对长周期光纤光栅2的透射谱产生影响；本实施例中金属膜4为银膜。
实施例4
本实施例提供一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，如图4所示，所述风速传感器包括多芯光纤1、长周期光纤光栅2、光纤布拉格光栅3和金属膜4；
所述长周期光纤光栅2和光纤布拉格光栅3设置在多芯光纤1的不同的纤芯中；所述金属膜4包覆在多芯光纤1的圆周上；长周期光纤光栅2的长度大于光纤布拉格光栅3的长度；
长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影不重叠；所述金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影重合；
在具体实施过程中，本实施例提供的风速传感器，长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影存在距离，距离d为4毫米；金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影长度比光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影重合，既保证了金属膜4产生的热量传递给光纤布拉格光栅3的效率，又保证了光纤布拉格光栅的利用率；与长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影也存在距离，距离同样为4毫米，避免金属膜4的温度变化对长周期光纤光栅2的透射谱产生影响；本实施例中金属膜4为银膜。
实施例5
本实施例提供一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，如图5所示，所述风速传感器包括多芯光纤1、长周期光纤光栅2、光纤布拉格光栅3和金属膜4；
所述长周期光纤光栅2和光纤布拉格光栅3设置在多芯光纤1的不同的纤芯中；所述金属膜4包覆在多芯光纤1的圆周上；长周期光纤光栅2的长度大于光纤布拉格光栅3的长度；
长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影不重叠；所述金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影重合；
在具体实施过程中，本实施例提供的风速传感器，长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影与光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影存在距离，距离d为5毫米；金属膜4在多芯光纤1轴线上的投影长度比光纤布拉格光栅3在多芯光纤1轴线上的投影重合，既保证了金属膜4产生的热量传递给光纤布拉格光栅3的效率，又保证了光纤布拉格光栅的利用率；与长周期光纤光栅2在多芯光纤1轴线上的投影也存在距离，距离同样为5毫米，避免金属膜4的温度变化对长周期光纤光栅2的透射谱产生影响；本实施例中金属膜4为银膜。
实施例6
本实施提供一种风速测量装置，如图6所示，包括上述任一实施例所述的风速传感器、光纤光栅波长解调仪5、泵浦光源6和光子灯笼7。
泵浦光源6的输出端与光子灯笼7的第一输入端连接，泵浦光源6产生泵浦光输入光子灯笼7，所述泵浦光源6产生泵浦光的波长包含于长周期光纤光栅2的共振峰中。
光纤光栅波长解调仪5的输出端与光子灯笼7的第二输入端连接，光纤光栅波长解调仪5产生信号光输入光子灯笼7；
光子灯笼7的输出端靠近风速传感器中长周期光纤光栅2所在的一端，将泵浦光注入设置有长周期光纤光栅2的多芯光纤1的纤芯中，将信号光注入设置有光纤布拉格光栅3的多芯光纤1的纤芯中；泵浦光经长周期光纤光栅2耦合至金属膜4；信号光经光纤布拉格光栅3反射后由光子灯笼7输入光纤光栅波长解调仪5。
在具体实施过程中，将本实施例提供的装置放置在需要测量风速的环境中，泵浦光源6用于产生泵浦光，经过光子灯笼7注入设置有长周期光纤光栅2的多芯光纤1的纤芯中，长周期光纤光栅2将泵浦光耦合到光纤包层；多芯光纤1的光纤包层外包覆金属膜4，金属膜4吸收泵浦光后温度升高，进而使光纤布拉格光栅3温度也升高；光纤光栅波长解调仪5产生的信号光经光子灯笼7注入设置有光纤布拉格光栅3的多芯光纤1的纤芯中；信号光经光纤布拉格光栅3反射后在由光子灯笼7输入光纤光栅波长解调仪5，光纤光栅波长解调仪5能够解析反射光的波长；由于光纤布拉格光栅3温度升高，反射的波长红移，风速不为零时，金属膜4温度降温，光纤布拉格光栅3温度也降低，反射的波长蓝移，蓝移量与风速之间具有固定关系，通过测量反射波长的蓝移量即可解调出风速。
具体计算方法为：
金属膜吸收泵浦光产生的热量等于传感器传热给周围空气的热量时，达到热平衡状态，热平衡状态方程为：
式中，P为泵浦光输入光纤的能量，
为耦合效率，aAg表示银膜对泵浦光的吸收效率，Hloss表示传感器损耗到空气的热量；
根据传热定理和牛顿冷却定律，传感器损耗到空气的热量Hloss表示为：
式中，T(v)表示传感器的温度，Te表示环境温度，A,B表示经验校准常数，v表示风速；则传感器的温度T(v)和风速v的关系为：
光纤布拉格光栅的中心波长漂移与温度变化的关系为：
Δλ＝λ0(αΛ+ζ)ΔT
ΔT＝T(v)-Te
Δλ＝λ-λ0
式中，Δλ表示光纤布拉格光栅的中心波长漂移量，λ0表示光纤布拉格光栅升温前的初始波长，λ表示光纤布拉格光栅当前升温时刻的波长，αΛ表示多芯光纤的热膨胀系数，ζ表示多芯光纤的热光系数；
整理得到光纤布拉格光栅当前升温时刻的波长λ和风速v的关系：
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，其特征在于，所述风速传感器包括多芯光纤(1)、长周期光纤光栅(2)、光纤布拉格光栅(3)和金属膜(4)；
所述长周期光纤光栅(2)和光纤布拉格光栅(3)设置在多芯光纤(1)的不同的纤芯中；所述金属膜(4)包覆在多芯光纤(1)的圆周上。
2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，其特征在于，长周期光纤光栅(2)的长度大于光纤布拉格光栅(3)的长度。
3.根据权利要求2所述的基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，其特征在于，长周期光纤光栅(2)在多芯光纤(1)轴线上的投影与光纤布拉格光栅(3)在多芯光纤(1)轴线上的投影不重叠。
4.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，其特征在于，长周期光纤光栅(2)在多芯光纤(1)轴线上的投影与光纤布拉格光栅(3)在多芯光纤(1)轴线上的投影之间的距离范围d为3-5毫米。
5.根据权利要求4所述的基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，其特征在于，所述金属膜(4)在多芯光纤(1)轴线上的投影与长周期光纤光栅(2)在多芯光纤(1)轴线上的投影不重叠。
6.根据权利要求5所述的基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅(3)在多芯光纤(1)轴线上的投影的两端从金属膜(4)在多芯光纤(1)轴线上的投影的两端伸出。
7.根据权利要求5所述的基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，其特征在于，所述光纤布拉格光栅(3)在多芯光纤(1)轴线上的投影与金属膜(4)在多芯光纤(1)轴线上的投影重合。
8.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的光纤光栅热线式风速传感器，其特征在于，所述金属膜(4)为银膜。
9.一种风速测量装置，其特征在于，所述装置包括权利要求1-8任意一项所述的风速传感器、光纤光栅波长解调仪(5)、泵浦光源(6)和光子灯笼(7)；
泵浦光源(6)的输出端与光子灯笼(7)的第一输入端连接，泵浦光源(6)产生泵浦光输入光子灯笼(7)；
光纤光栅波长解调仪(5)的输出端与光子灯笼(7)的第二输入端连接，光纤光栅波长解调仪(5)产生信号光输入光子灯笼(7)；
光子灯笼(7)的输出端靠近风速传感器中长周期光纤光栅(2)所在的一端，将泵浦光设置有长周期光纤光栅(2)的多芯光纤(1)的纤芯中，将信号光注入多芯光纤(1)的设置有光纤布拉格光栅(3)的纤芯中；泵浦光经长周期光纤光栅(2)耦合至光纤包层被金属膜(4)吸收；信号光经光纤布拉格光栅(3)反射后由光子灯笼(7)输入光纤光栅波长解调仪(5)。
10.根据权利要求9所述的风速测量装置，其特征在于，所述泵浦光源(6)产生泵浦光的波长包含于长周期光纤光栅(2)的共振峰中。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116859080A (zh) * | 2023-09-04 | 2023-10-10 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤风速传感探头、风速测量装置及方法 |
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2021
- 2021-12-21 CN CN202111573835.2A patent/CN114264838A/zh active Pending
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116859080A (zh) * | 2023-09-04 | 2023-10-10 | 山东省科学院激光研究所 | 一种光纤风速传感探头、风速测量装置及方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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