CN101750120B - 光纤感测系统 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

光纤感测系统
技术领域
本发明通常涉及感测技术，更具体来说，涉及光纤感测装置。
背景技术
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。
发明内容
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
本发明的这些及其它特征、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是根据本发明的一个实施例、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是根据本发明的另一个实施例、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是根据本发明的又一个实施例、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是根据本发明的又一个实施例、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是根据本发明的又一个实施例、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引起的波长变化。
具体实施方式
本发明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一般垂直设置的光纤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相关的一例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： P d = 1 2 ρ · u 2 其中ρ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1，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：λB＝2neffΛ其中“λB”表示布拉格波长，“neff”是折射率，以及“Λ”是光栅的周期。光栅36的折射率neff和周期Λ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λ，而虚线中的波形是差压Pd所引起的偏移波长λ。相应地，通过将布拉格波长的偏移量Δλ与差压Pd相关，差压Pd因而可通过监测布拉格波长偏移Δλ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10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示出根据本发明的另一个实施例、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n1和n2，并且在一个实施例中n1＝n2。空腔48具有与反射率n1和n2不同的反射率nc。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。假定正常反射条件，透射光分量52没有与空腔48进一步相互作用。膜44的外表面49暴露于待测量的静压Ps。静压Ps的增加使膜44朝空腔48偏转。膜44的内表面由于压力增加而弯曲，使得在膜44的内表面上所反射的光线的反射角改变。到达检测器38的光线的强度相对于空腔48中的光线的强度与作用于膜44的外表面49的压力(静压Ps)相关。相应地，通过测量来自空腔48的光线的强度，可测量静压Ps。
图5示出根据本发明的另一个实施例、用于测量流径12中的总压力Pt和静压Ps的光纤感测系统60。所示光纤感测系统60包括其中具有中心槽(slot)66的纵向壳体64以及固定在壳体64的中心槽66中的光纤传感器62。光纤传感器62具有与图3的光纤传感器42相似的配置，并且具有固定在壳体64的中心槽66中的光纤28、光纤28中的布拉格光栅36、光纤28的下端46之下的膜44以及下端46与膜44之间的空腔48。
壳体64沿与流向D基本垂直的方向设置在流径12中。壳体64具有通过其上游侧、与中心槽66联系的上游开口68。总压力Pt通过开口68施加到光纤28，并引起光纤28的变形，且又引起通过布拉格光栅36的光线的波长偏移，如上所述。通过监测布拉格光栅36的波长偏移，可获得流量12的总压力Pt。在某些实施例中，光纤感测系统60还包括密封膜67，用于防止流量12通过开口68流入中心槽66，但使流量12的总压力Pt传递到光纤28。在某些实施例中，在光纤28中相邻光纤28的下游侧定义沟槽(groove)69，以便允许光纤28在总压力Pt下的变形。
膜44固定到壳体64的下端，并且经受静压Ps。如上所述，空腔48的距离d的变化引起空腔48的强度变化，该强度变化与静压Ps相关。相应地，通过监测空腔48的强度变化，可获得流量12的静压Ps。
图6和图7示出根据本发明的另一个实施例、用于测量流量12的流向和总压力Pt的光纤感测系统70。参照图6，光线感测系统70包括光纤传感器71和保持光纤传感器71的壳体72。在一个实施例中，光纤传感器71包括包含第一、第二和第三光纤73、74、75的至少三个光纤。在一个实施例中，壳体72具有等腰三角形截面，其中等腰三角形的顶端(tip)一般面对通过流径12的流量，并且两边相对于一般流向对称分布。第一开口76在壳体72的顶端中定义，并且第二与第三开口77和78对称地分布于两边。第一、第二和第三光纤73、74、75固定在壳体72中，并且各具有分别在第一、第二和第三开口76、77、78中暴露的部分。在其它实施例中，壳体可具有奇数条边的多边形截面。流量通过流径12入射到多边形的顶端中安装的传感器。至少一对边相对于一般流向对称分布，并且各边定义有开口。在又一个实施例中，壳体72可具有其它截面形状。第一、第二和第三光纤73、74、75分别具有暴露于开口76、77和78的测量平面，并且测量平面的方位相互成一角度。
光纤73、74和75中的每个包括布拉格光栅36。在一些实施例中，各布拉格光栅36是相同的。参照上文针对图5的描述，光纤73、74和75中的每个因流体流经流径12而变形。当流量正好在流向D时，从第一光纤73的布拉格光栅36透射或反射的光线的波长指示总压力Pt，而影响第二和第三光纤74、75的布拉格光栅36的压力小于总压力，并且产生相同的波长偏移。当流向改变时，将存在影响第一光纤73的布拉格光栅36的所感测总压力的减小，并且第二和第三光纤74、75所感测的压力发生变化。例如，通过先前校准和构造的查找表，可推导出流向和总压力。在一个实施例中，光纤传感器71还包括用于接收来自检测器39的信号并且估计流向的控制器79(图7)。在另一个实施例中，控制器79嵌于检测器39中，使得检测器39执行估计功能。在又一个实施例中，速度及其方向可通过在光纤传感器71的校准期间所开发的算法来确定，其可在计算机或者在相似的数据获取系统上实现。
参照示出沿图6的线条7-7的截面图的图7，在一个实施例中，密封膜67设置在第一光纤73与第一开口76之间，用于防止流量12通过第一开口76流入壳体72，但准许流量12的压力到达第一光纤73。在某些实施例中，开口76设置成没有与第一光纤73的布拉格光栅36相邻，以便防止布拉格光栅36被损坏。在一个实施例中，沟槽69设置在相对于布拉格光栅36的下游方向，以便允许第一光纤73在流量12的压力下的充分变形。在某些实施例中，壳体72具有与用于图7的第一光纤73相似的用于保持第二和第三光纤74、75的布置。
图8和图9示出根据本发明的另一个实施例、用于测量流径12中的总压力Pt、差压Ps和温度的光纤感测系统80。光纤感测系统80包括光纤82、保持光纤82的壳体84以及光纤82中用于分别测量差压Pd、总压力Pt和温度的第一、第二、第三布拉格光栅86、87、88。在一个实施例中，布拉格光栅86、87和88在一个公共光纤82中。参照图8和图9，壳体84设置在流径12中，并且以光纤82沿与流向基本垂直的方向保持在壳体84中的方式设置。光纤82包括分别保持第一、第二和第三布拉格光栅86、87、88的第一、第二和第三部分90、91、92。壳体84包括一般沿流向并且与光纤82的第一部分90相邻的侧通孔94。来自流径12的流量部分流经通孔94。相应地，差压Pd在光纤92的第一部分90上引起应变，从而朝下游方向变形。来自第一布拉格光栅86的波长变化与流量12的差压Pd相关。通过监测第一布拉格光栅86的波长变化，可获得差压Pd。在某些实施例中，布拉格光栅86设置成低于或高于通孔94，以便防止布拉格光栅86被损坏。在一个实施例中，沟槽100设置在布拉格光栅86的下游侧，以便允许第一部分90在流量的差压下的充分变形。
壳体84定义与光纤28的第二部分91相邻的侧开口96。密封膜67设置在光纤82与侧开口96之间，用于防止流量12通过侧开口96流入壳体84，但可将流量12的总压力传递到光纤82的第二部分91。相应地，光纤28的第二部分经受流量12的总压力Pt，因而第二布拉格光栅87的波长变化与流量12的总压力Pt相关。通过监测第二布拉格光栅87的波长变化，可获得流量12的总压力Pt。
在某些实施例中，第一和第二部分90、91分别具有采用支承固定到壳体87的上端和下端，因而第一和第二部分90、91的偏转不会相互转移。
当第三布拉格光栅88的温度具有增加ΔT时，第三布拉格光栅88的布拉格波长由于对折射率调制的热膨胀效应和第三布拉格光栅88的光栅周期而朝较长波长偏移。因此，流径12中的温度变化可通过监测第三布拉格光栅88的波长偏移来监测。壳体84定义空腔98，并且空腔98中的布拉格光栅88对温度变化敏感。在一个实施例中，刚性盖子102设置在空腔98中，以便进一步防止来自流径12的任何压力影响光纤82的第三部分92。
在某些实施例中，因流量的温度变化而引起的第一和第二布拉格光栅86、87的波长变化将根据第三布拉格光栅88的测量进一步校准。
参照图10，在一个实施例中，第一、第二和第三组布拉格光栅86、87、88具有不同的反射谱，并且将以不同波长λB1、λB2和λB3进行反射。因此，检测器39接收第一、第二和第三光栅86、87、88的全部三个波长λB1、λB2和λB3，并且分别监测其中的变化。
除非另加说明，否则本文所使用的科技术语具有与本发明所属领域的技术人员普遍理解相同的含义。本文所使用的术语“第一”、“第二”等并不表示任何顺序、量或重要性，而是用来区分各个元件。另外，术语“一个”并不表示量的限制，而是表示存在所引用项的至少一个，并且除非另加说明，否则例如“前”、“后”、“底部”和/或“顶部”等术语的使用只是便于描述，而并不局限于任何一个位置或空间方位。
既然已经参照示范实施例描述了本发明，那么本领域的技术人员会理解，在没有背离本发明的范围的情况下，可进行各种变更，并且等效方案可代替其中的元件。另外，可对本发明的教导在没有背离其本质范围的情况下进行多种修改以适合具体情况或材料。因此，意图是本发明并不局限于作为预期用于执行本发明的最佳模式而公开的特定实施例，本发明将包括落入所附权利要求书的范围之内的所有实施例。
要理解，不一定按照任何具体实施例可实现以上所述的所有这类目的或优点。因此，例如，本领域的技术人员将领会，本文所述的系统和技术可通过下列方式来体现或执行：实现或优化本文教导的一个或一组优点，而不一定实现本文可能教导或暗示的其它目的或优点。
此外，技术人员将领会来自不同实施例的各种特征的可交换性。所述的各种特征以及各特征的其它已知等效体可由本领域的技术人员进行混合和匹配，以便根据本公开的原理构建其它系统和技术。部件清单：10        光纤感测系统12        流量14        壳体16        光纤传感器18        成直角的隧道20，22    上游和下游通道24        上游开口26        下游开口28        光纤27，29    光纤28的芯和外层30        光纤28的中间部分32，34    经受总压力Pt和静压Ps的两侧36        布拉格光栅38        光源39        检测器40        光纤感测系统42        光纤传感器44        介电膜46        光纤28的下端48        空腔47，49    膜44的内表面和外表面50        反射光分量52        透射光分量60        光纤感测系统62            光纤传感器64            壳体66            中心槽68            壳体64的上游开口67            密封膜69            沟槽70            光纤感测系统71            光纤传感器72            壳体73，74，75    第一、第二和第三光纤76，77，78    壳体中的第一、第二和第三开口79            控制器80            光纤感测系统82            光纤84            壳体86，87，88    第一、第二和第三布拉格光栅90，91，92    光纤82的第一、第二和第三部分94            通孔96            开口98            空腔100           沟槽102           刚性盖子

Claims (20)

1.一种光纤感测系统，包括：
设置在流径中的壳体；以及
光纤传感器，包括：
光纤，固定在所述壳体中并且包括布拉格光栅，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；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检测光线的波长变化，其中，所述壳体包括基本成直角的隧道，其中具有沿所述流径的初始流向的上游通道以及与所述上游通道基本垂直并且在其下游端部具有下游开口的下游通道。
2.如权利要求1所述的光纤感测系统，其中，所述光纤设置在所述上游通道中，其中一侧经受所述流量的总压力，而另一侧经受流量的静压。
3.如权利要求2所述的光纤感测系统，其中，所述光纤传感器还包括固定到所述壳体并且面向所述光纤的端部的膜，其中空腔定义在所述壳体中在所述膜与所述光纤的端部之间，以及其中所述膜经受所述静压。
4.一种光纤感测系统，包括：
设置在流径中的壳体；以及
光纤传感器，包括：
光纤，固定在所述壳体中并且包括布拉格光栅，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；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检测光线的波长变化，
其中，所述壳体具有多边形截面和至少一对边，所述多边形截面的顶端直接面向所述流径，
其中，所述壳体具有三角形截面和一对边，其中所述三角形的顶端面向所述流径，并且其中第一、第二和第三开口在所述顶端和所述一对边中定义，并且
其中，所述壳体包括基本成直角的隧道，其中具有沿所述流径的初始流向的上游通道以及与所述上游通道基本垂直并且在其下游端部具有下游开口的下游通道。
5.如权利要求4所述的光纤感测系统，其中，所述光纤包括：
第一、第二和第三光纤，分别具有面向所述第一、第二和第三开口的部分。
6.如权利要求5所述的光纤感测系统，其中，所述光纤传感器还包括用于接收来自检测器的信号并且估计流向的控制器。
7.如权利要求4所述的光纤感测系统，其中，所述布拉格光栅设置于在上游侧所定义的开口的下游。
8.一种光纤感测系统，包括：
设置在流径中的壳体；以及
光纤传感器，包括：
光纤，固定在所述壳体中并且包括布拉格光栅，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；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检测光线的波长变化，其中，所述光纤包括：第一部分，包含用于测量所述流径内的差压的第一布拉格光栅；第二部分，包含用于测量所述流径内的总压力的第二布拉格光栅；以及第三部分，包含用于测量所述流径内的温度的第三布拉格光栅，
其中，所述壳体包括基本成直角的隧道，其中具有沿所述流径的初始流向的上游通道以及与所述上游通道基本垂直并且在其下游端部具有下游开口的下游通道。
9.如权利要求8所述的光纤感测系统，其中，所述壳体定义沿流向并且与所述光纤的所述第一部分的一部分相邻的通孔，使得所述流径中的差压在所述光纤的所述第一部分上引起应变。
10.如权利要求9所述的光纤感测系统，其中，所述第一布拉格光栅设置成低于或高于所述通孔。
11.如权利要求10所述的光纤感测系统，其中，所述壳体在所述第一布拉格光栅的下游侧定义沟槽，以允许所述光纤的所述第一部分的变形。
12.如权利要求8所述的光纤感测系统，其中，所述壳体的、在上游侧所定义的开口与所述光纤的所述第二部分相邻，使得所述流径中的总压力在所述光纤的所述第二部分上引起应变。
13.如权利要求12所述的光纤感测系统，其中，在所述光纤和在上游侧所定义的开口之间设置密封膜，用于防止流体从所述流径流到所述壳体中同时允许所述流径中的压力在所述光纤的所述第二部分上引起应变。
14.如权利要求8所述的光纤感测系统，其中，所述壳体包括与所述光纤的所述第三部分相邻的空腔，并且其中所述光纤的所述第三部分在所述空腔中具有有所述第三布拉格光栅的部分，并且其中所述光纤传感器还包括刚性盖子，其设置在所述空腔中以便隔离影响所述光纤的所述第三部分的、来自所述流径的压力。
15.如权利要求14所述的光纤感测系统，其中，所述第一、第二和第三布拉格光栅具有不同的光栅图并且以不同波长反射。
16.一种光纤感测系统，包括：
设置在流径中的壳体；以及
光纤传感器，包括：
固定在所述壳体中的光纤，与所述流径基本垂直并且包括：第一部分，包含用于测量所述流径内的差压的第一布拉格光栅；第二部分，包含用于测量所述流径内的总压力的第二布拉格光栅；以及第三部分，包含用于测量所述流径内的温度的第三布拉格光栅；
用于通过所述光纤传输光线的光源；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检测光线的波长变化，
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；并且所述壳体包括基本成直角的隧道，其中具有沿所述流径的初始流向的上游通道以及与所述上游通道基本垂直并且在其下游端部具有下游开口的下游通道。
17.如权利要求16所述的光纤感测系统，其中，所述壳体定义沿流向并且与所述光纤的所述第一部分的一部分相邻的通孔，使得所述流径中的差压在所述光纤的所述第一部分上引起应变。
18.如权利要求16所述的光纤感测系统，其中，所述壳体的、在上游侧所定义的开口与所述光纤的所述第二部分相邻，使得所述流径中的总压力在所述光纤的所述第二部分上引起应变。
19.如权利要求18所述的光纤感测系统，其中，在所述光纤和在上游侧所定义的开口之间设置密封膜，用于防止流体从所述流径流到所述壳体中同时允许所述流径中的压力在所述光纤的所述第二部分上引起应变。
20.如权利要求16所述的光纤感测系统，其中，所述壳体包括与所述光纤的所述第三部分相邻的空腔，并且其中所述光纤的所述第三部分在所述空腔中具有有所述第三布拉格光栅的部分，并且其中所述光纤传感器还包括刚性盖子，其设置在所述空腔中以便隔离影响所述光纤的所述第三部分的、来自所述流径的压力。
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