光纖光柵流速傳感裝置的製作方法
2023-05-08 01:08:56 1
專利名稱：光纖光柵流速傳感裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感裝置，能對各種流體的流速、流量等參量進行高精度實時監控與測量，可以廣泛應用於建築結構、航天航空、海洋探測及科學研究等諸多領域，屬於一種新穎的無損檢測技術。
背景技術：
光纖光柵是近期出現的一種新興光子器件，它是在光纖纖芯中形成的一種空間周期性折射率分布。這種周期結構可以改變和控制光波在光纖中的傳播行為。光纖光柵傳感器是通過把光纖光柵埋入襯底材料和結構內部或粘貼在其表面，使其對待測參量敏感，並通過光纖光柵波長及帶寬的變化來感測待測參量的大小及方向。將光纖光柵傳感器陣列化並與波分復用和時分復用系統相結合，可對材料的特性(如溫度、應變、壓力、位移、速度、加速度等)實現多點監測。光纖光柵傳感技術已被廣泛應用於建築結構、航天航空、海洋探測及科學研究等諸多領域，屬於一種新穎的無損檢測技術。
本發明是一種能對流速、流量等進行高精度感測的光纖光柵傳感裝置。檢索結果表明，目前尚沒有採用光纖光柵來實現流速、流量感測的專利報導。
發明內容
本發明的目的是公開一種光纖光柵傳感裝置的結構，它能對流體的流速、流量等參量進行高精度感測。本發明以光纖光柵為傳感基元，具有精度高、抗電磁幹擾、能遠程及多點分布式測量監控等優點。
本發明的感測原理首先，利用流速-壓強管，通過它能把其管內的流速轉化為壓強；然後，設計相應的光纖光柵壓強傳感機構感測壓強；根據測量的壓強大小反推得到管內的流速值。其主要特徵在於利用流速-壓強管把流速轉換為壓強，然後由光纖光柵壓強傳感機構感測與監控。
本發明的技術方案光纖光柵流速傳感裝置，它包括流速-壓強管，其特點徵在於導管7分別通過流速-壓強管1上方的氣孔a和密閉圓筒3的氣孔c把兩者連接起來，導管8分別通過流速-壓強管上方的氣孔b和密閉圓筒中央的氣孔d把兩者連接起來，並且和密閉圓筒中央的密閉伸縮管2相通，倒置的開口環5在密閉圓筒內部右側，分別通過連杆9和10與密閉伸縮管和密閉圓筒連接固定，光纖光柵4寫在光纖6上，並且粘貼於開口環的側面，光纖6的一端懸空，另一端穿過密閉圓筒。
根據伯努利方程，管內壓強與流速相關，流速越大，壓強越小。流速-壓強管管內存在兩處不同流速V1、V2，這兩處的壓強P1、P2也不一樣，存在一個壓強差ΔP，即能用壓強差ΔP來表徵流速。由流體連續性方程和伯努利方程可得，流速V1與流速V2之間的壓強差ΔP可表示為
P=P1-P2=V12+C=V2+C(1)]]>式中κ與流速-壓強管結構相關的係數，ρ為流體的密度，C為常數，V＝V1為流體的流速。從(1)式可以看流速V1與流速V2之間的壓強差ΔP與流速V的平方成正比。即流速V測量能轉換為壓強差ΔP測量，而壓強差ΔP則能通過光纖光柵壓強傳感機構測量。
光纖光柵壓強傳感機構主要由密閉伸縮管、密閉圓筒、光纖光柵、開口環、光纖組成。密閉伸縮管彈性係數很小，只能沿軸向方向伸縮，密閉伸縮管的一端粘貼於密閉圓筒的一端。開口環平放於密閉圓筒裡，開口環的半圓拱分別通過連接杆與密閉伸縮管和密閉圓筒連接固定。光纖光柵粘貼於開口環側面，並且光柵軸向與開口環側面平行。光纖一端懸空，另一端穿過密閉圓筒。當密閉伸縮管內外存在壓強差時，伸縮管將沿著軸向方向伸長或縮短，從而使開口環管半圓拱處受到壓力或拉力，進而使光纖光柵拉伸或壓縮，通過光柵中心波長的變化，能測得密閉伸縮管內外的壓強差。一根導管分別通過流速-壓強管上方的氣孔a和密閉圓筒的氣孔c把流速-壓強管和密閉圓筒連接起來，另一根分別通過流速-壓強管上方的氣孔b和密閉圓筒中央的氣孔d把兩者連接起來，並且和密閉圓筒中央的密閉伸縮管2相通，此時密閉伸縮管軸向上內外的壓強差等於流速V1與流速V2之間的壓強差ΔP，而ΔP與流速相對應，因此能通過光柵中心波長的變化測得流速的大小。
在恆定溫度下，開口環在拉力F作用下，光纖光柵中心波長將向短波漂移=1210(1-pe)dEa3b(a2-a212d)F(2)]]>其中a為開口環直梁寬度，b為直梁厚度，開口環半圓拱半徑為r，力矩作用距離d＝r+a/2為外力F與直梁中線間的距離，pe為光纖的有效彈光係數，約為0.22，E為開口環材料的楊氏模量，λ0為光纖光柵的中心波長，μ1為開口環應變傳遞因子，它與襯底材料及粘貼情況等因素相關。而F＝ΔPS，ΔP為密閉伸縮管內外的壓強差，S為伸縮管的橫截面積。此時=1210(1-pe)dEa3b(a2-a212d)PS=12120(1-pe)dSEa3b(a2-a212d)V2+(3)]]>其中=1210(1-pe)dCSEa3b(a2-a212d),]]>μ2為該傳感裝置的修正係數。
從(3)式易知，光纖光柵中心波長漂移量Δλ與流速平方成線性關係，因此我們能利用光柵波長編碼技術來測量流體的流速。另外，從上式可知，光纖光柵波長漂移量Δλ與力矩作用距離d、直梁寬度a、厚度b以及流速-壓強管的結構有關。改進流速-壓強管及開口環的參數能進一步提高傳感靈敏度。
而流量W是流速V與流速-壓強管橫截面面積s的乘積，即W＝sV。
本發明的有益效果是，以光纖光柵為傳感基元，結構簡便、方法新穎、測量精度高。基於光纖光柵本身的優點，這種傳感器還具有抗電磁幹擾、耐腐蝕、適於易燃易爆高溫高壓等惡劣環境下工作以及能遠程及多點分布式測量等優點。
圖1是光纖光柵流速傳感裝置結構示意圖。
圖2是本發明的測量裝置圖。
圖3是本發明在一定流速範圍內的典型光譜圖。
圖4是本發明中心波長漂移量與對應流速的關係圖。
其中1流速-壓強管，2密閉伸縮管，3密閉圓筒，4光纖光柵，5開口環，6光纖，7導管，8導管，9連接杆，10連接杆，11流體入口，12流體出口，13光纖耦合器，14光源，15光探測器，V1、V2流速-壓強管管內的流體的流速，a.氣孔，b.氣孔，c.氣孔，d.氣孔。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施方式進行進一步的具體說明圖1是光纖光柵流速傳感裝置結構示意圖，圖2是測量裝置圖。
本發明的技術方案光纖光柵流速傳感裝置，它包括流速-壓強管，其特點徵在於導管7分別通過流速-壓強管1上方的氣孔a和密閉圓筒3的氣孔c把兩者連接起來，導管8分別通過流速-壓強管上方的氣孔b和密閉圓筒中央的氣孔d把兩者連接起來，並且和密閉圓筒中央的密閉伸縮管2相通，倒置的開口環5在密閉圓筒內部右側，分別通過連接杆9和10與密閉伸縮管和密閉圓筒連接固定，光纖光柵4寫在光纖6上，並且粘貼於開口環的側面，光纖6的一端懸空，另一端穿過密閉圓筒。將流速-壓強管1及密閉圓筒3水平放置。光纖光柵4粘貼於開口環5的側面，開口環5和導管的連接方式如上所述。光源14發出的光經光纖耦合器13到達光纖光柵4而反射，反射光再次經光纖光柵耦合器13，入射到光探測器15。
所述的V1、V2是流速-壓強管管內不同的流速，流速-壓強管由玻璃、聚合物、金屬、合金等材料製作。
所述的密閉伸縮管只能沿軸向伸縮，它由有機聚合物、鋁箔材料製作。
所述的光纖光柵為玻璃、塑料的光纖布拉格光柵或長周期光纖光柵。
所述的開口環由中等楊氏模量1000MPa～4000MPa的有機聚合物或金屬材料製作。
所述的光纖為單模光纖。
光纖光柵流速傳感裝置的工作環境溫度是-20℃～70℃之間。
實施例流速-壓強管選用玻璃製作。
密閉伸縮管選用鋁箔管制作。
密閉圓筒及開口環選用有機玻璃(楊氏模量約為2500Mpa)製作。
光纖光柵是選用石英單模光纖、採用紫外曝光技術和相位掩膜法寫制而成的光纖布拉格光柵或採用振幅掩膜法寫制而成的長周期光纖光柵。光纖光柵粘貼在開口環直梁側面。光纖為石英單模光纖；光纖耦合器是2×2或1×2光纖耦合器。
光源選用寬帶光源或可調諧光纖雷射器；光探測器選用光纖光譜儀。
實際製作的流速-壓強管的內徑26.5mm，喉部內徑11.0mm。伸縮管的有效橫截面積S＝9.5×10-3m2，所用的光纖光柵為光纖布拉格光柵，其長度約為12mm，中心波長約為1562nm，峰值大於7dB。開口環由有機玻璃(楊氏模量約為2500Mpa)製作，其半徑為r＝60.0mm，直梁長L＝40.0mm，直梁寬度a＝4.42mm，厚度b＝2.60mm，力矩作用距離d＝62.2mm。
在恆定室溫下，對該傳感裝置進行流速傳感測試，其測量裝置示意圖如圖3所示。圖4是該傳感裝置在一定流速範圍的典型光譜圖。經多次實驗表明，該傳感裝置的流速感測動態範圍為0.051～0.147m/s，且至少可分辨0.0003m/s的流速。據我們所知，這是目前所報導的最優值。改進流速-壓強管及光纖光柵壓強傳感機構的參數，能進一步提高流速感測的靈敏度。
如前面所述，通過相應公式，還能進行流體流量的高精度感測。實際應用中，通過光電轉換器將光信號轉換為電信號，再用計算機進行數據處理，能實時感測監控流速、流量。
權利要求
1.一種光纖光柵流速傳感裝置，它包括流速-壓強管，其特徵在於導管(7)分別通過流速-壓強管(1)上方的氣孔a和密閉圓筒(3)的氣孔c把兩者連接起來，導管(8)分別通過流速-壓強管上方的氣孔b和密閉圓筒中央的氣孔d把兩者連接起來，並且和密閉圓筒中央的密閉伸縮管(2)相通，倒置的開口環(5)在密閉圓筒內部右側，分別通過連杆(9)和(10)與密閉伸縮管和密閉圓筒連接固定，光纖光柵(4)寫在光纖(6)上，並且粘貼於開口環的側面，光纖(6)的一端懸空，另一端穿過密閉圓筒。
2.根據權利要求1所述的光纖光柵流速傳感裝置，其特徵在於所述的V1、V2是流速-壓強管管內不同的流速，流速-壓強管由玻璃、聚合物、金屬、合金等材料製作。
3.根據權利要求1所述的光纖光柵流速傳感裝置，其特徵在於所述的密閉伸縮管只能沿軸向伸縮，它由有機聚合物、鋁箔材料製作。
4.根據權利要求1所述的光纖光柵流速傳感裝置，其特徵在於所述的光纖光柵為玻璃、塑料的光纖布拉格光柵或長周期光纖光柵。
5.根據權利要求1所述的光纖光柵流速傳感裝置，其特徵在於所述的開口環由中等楊氏模量1000MPa～4000MPa的有機聚合物或金屬材料製作。
6.根據權利要求1所述的光纖光柵流速傳感裝置，其特徵在於所述的光纖為單模光纖。
7.根據權利要求1所述的光纖光柵流速傳感裝置，其特徵在於所述的傳感裝置的工作環境溫度是-20℃～70℃之間。
全文摘要
本發明涉及一種傳感裝置，能對各種流體的流速、流量等參量進行高精度實時監控與測量，可以廣泛應用於建築結構、航天航空、海洋探測及科學研究等諸多領域。傳感機構主要由密閉伸縮管、光纖光柵、開口環、光纖等構成。特點是設計的流速－壓強管有兩處流速不同，利用它把流速轉換為壓強，進行感測與監控。當流體通過流速－壓強管時，密閉伸縮管內外存在壓強差，從而將沿軸向方向伸長或縮短，進而帶動開口環壓縮或拉伸，最終導致光纖光柵中心波長的漂移。在恆定工作環境溫度下，根據中心波長的漂移量，利用相應的公式，獲得高靈敏度的流速、流量等參量的感測與監控。該裝置以光纖光柵為傳感基元，結構簡便、方法新穎、測量精度高。
文檔編號G01F1/34GK1758061SQ20051001589
公開日2006年4月12日 申請日期2005年11月4日 優先權日2005年11月4日
發明者張偉剛, 塗勤昌, 陳建軍, 劉波, 金龍, 鄒玉姣, 開桂雲, 袁樹忠, 董孝義 申請人:南開大學