CN101886937A - 光纤布拉格光栅传感系统 - Google Patents

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CN101886937A CN2010101837481A CN201010183748A CN101886937A CN 101886937 A CN101886937 A CN 101886937A CN 2010101837481 A CN2010101837481 A CN 2010101837481A CN 201010183748 A CN201010183748 A CN 201010183748A CN 101886937 A CN101886937 A CN 101886937A
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R·C·潘内基特
R·罗德里格斯埃尔蒙格
A·K·辛普森
E·J·鲁吉罗
C·E·沃尔夫
S·G·M·克雷默
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Abstract

本发明涉及一种光纤布拉格光栅传感系统(10，48，91)，其包括：包括固定可被流体流偏转的至少两个自由臂(16，18，20，50，51，52，93，94，95)的固定端部分(49)的悬臂式支承部件(12，47，92)；各自固定在支承部件的对应的自由臂中的至少两根光学纤维(22，24，26，53，54)，光学纤维中的各个刻有布拉格光栅；用于将光传输到光学纤维的至少一个光源(36)；以及用于探测光学纤维的布拉格光栅所过滤的光和监测被探测的光的波长变化的至少一个探测器模块(38)。该至少两个自由臂从固定端的前周缘延伸，且向前延伸超过固定端部分。

Description

光纤布拉格光栅传感系统
技术领域
本发明大体涉及传感技术，且更具体而言涉及光纤布拉格(Bragg)光栅传感系统。
背景技术
已知用于测量诸如流速、压力、温度、质量流量等的流体或气体流参数的各种传感装置。但是，对于通过难以接近的通道的流动测量，例如通过密封件的冷却流或泄漏流，传统的传感装置实现起来是相对复杂的。
具有一种大小相对小的改进的传感装置将是合乎需要的。
发明内容
根据本文公开的一个实施例，一种光纤布拉格光栅传感系统包括：包括固定可被流体流偏转的至少两个自由臂的固定端部分的悬臂式支承部件；各自固定在支承部件的对应的自由臂中的至少两根光学纤维，各个光学纤维上刻有布拉格光栅；用于将光传输到光学纤维的至少一个光源；以及用于探测光学纤维的布拉格光栅所过滤的光和监测被探测的光的波长变化的至少一个探测器模块。该至少两个自由臂自固定端的前周缘延伸，且向前延伸超过固定端部分。
根据本文公开的另一个实施例，一种光纤布拉格光栅传感系统包括：包括固定可被流体流偏转的自由臂的固定端部分的悬臂式支承部件；以及至少两根光学纤维。悬臂式支承部件包括固定可被流体流偏转的自由臂的固定端部分，且自由臂限定中心槽口。至少两根光学纤维接收在自由臂的中心槽口中，且被光学纤维周围的填充材料固定在中心槽口中。各个光学纤维上刻有布拉格光栅。光纤布拉格光栅传感系统进一步包括用于将光传输到光学纤维的至少一个光源，以及用于探测光学纤维的布拉格光栅所过滤的光和监测被探测的光的波长变化的至少一个探测器模块。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，同样的符号在所有图中表示同样的部件，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的、用于测量流体流的流向和流速的光纤布拉格光栅(FBG)传感系统的透视图。
图2是图1的FBG传感系统的局部截面图。
图3是FBG传感系统的沿着图1的线3-3的截面图。
图4是根据本发明的另一个实施例的、用于测量流体流的流向和流速的FBG传感系统的截面图。
图5是图4的FBG传感系统的局部截面图。
图6是根据本发明的又一个实施例的、用于测量流体流的流向和流速的FBG传感系统的截面图。
图7是根据本发明的又一个实施例的、用于测量流体流的流向和流速的FBG传感系统的截面图。
图8示出了FBG传感系统的沿着图7的线8-8的截面图。
部件列表
10光纤布拉格光栅传感系统
12支承部件
14固定端部分
16，18，20自由臂
22，24，26光纤
28，30，32悬臂梁
34布拉格光栅
36光源
38探测器模块
40槽口
42，44平面薄板
45自由端
46控制器
43盖
41间隙
48光纤布拉格光栅(FBG)传感系统
47支承部件
49固定端部分
50，51，52自由臂
53，54光纤
55，56，57悬臂梁
60，62布拉格光栅
64薄膜
91光纤布拉格光栅(FBG)传感系统
92支承部件
93，94，95自由臂
96凹槽
97，98，99悬臂梁
66光纤布拉格光栅(FBG)传感系统
68支承部件
69中心槽口
70固定端部分
72自由臂
74，76，78，80光学纤维
82悬臂梁
84布拉格光栅
85偏转的轮廓
86梁的开口端
88填充材料
90帽
具体实施方式
本发明的实施例涉及用于测量流体流的光纤布拉格光栅(FBG)传感系统。
图1-3描述了根据本发明的一个实施例的FBG传感系统10。FBG光栅系统包括包含固定端部分14的支承部件12和从固定端部分14延伸到流体流径中的至少两根光学纤维。在图1的所示实施例中，FBG传感系统10包括三个自由臂16、18、20和各自固定在对应的自由臂16、18、20中以形成悬臂梁28、30、32的三根光学纤维22、24、26(图3)。各个光纤22、24、26上刻有布拉格光栅34(图2)。在一个实施例中，布拉格光栅34布置成离固定端部分14比离各个自由臂16、18、20的自由端更近。最接近固定端部分的区域是悬臂梁的偏转造成的应变或应力最大的地方。FBG传感系统10进一步包括用于通过光学纤维22、24、26将光传输到布拉格光栅34的至少一个光源36，以及用于接收从布拉格光栅34反射的光的探测器模块38。
在所示实施例中，自由臂16、18、20各自固定到固定端部分14的前周缘上。在一个实施例中，例如，固定端部分14在其外表面中限定了三个槽口40(图2)，以固定自由臂16、18、20。图2是用于更好地示意悬臂梁30的FBG传感系统10的局部截面图。悬臂梁28、32具有与悬臂梁30相同的结构，且为了便于示意梁30，从图2中省略了悬臂梁28、32。在所示实施例中，自由臂18是包括第一平面薄板42和第二平面薄板44的纵向平面板，且在第一平面薄板42和第二平面薄板44之间布置了一根光纤24。在某些实施例中，第一平面薄板42和第二平面薄板44的自由端45例如通过粘合剂或通过额外的盖43结合在一起(图2)。因此，在第一平面薄板42和第二平面薄板44之间限定了纵向间隙41，以用于容纳光纤24。
在某些实施例中，自由臂18由环氧树脂或其它有机/无机粘合剂固定在对应的槽口40中，在一个实例中，自由臂18向前延伸超过固定端部分14而进入流径中。在其它实施例中，在自由臂16、18、20安装在槽口40中之后，可通过在固定端部分14的外表面周围布置外套管(未显示)来将自由臂16、18、20固定在对应的槽口40中。在本发明的又一个实施例中，自由臂16、18、20可包括固定端部分14的整体部分(未显示)。
参照图3，在所示示例性实施例中，各个悬臂梁28、30、32是纵向平面板，且悬臂梁28、30、32不平行。流体流在各个悬臂梁28、30、32上产生拖曳力，并且因此，悬臂梁28、30、32各自向下游方向偏转，且具有自由端位移(σ)。
可根据下列拖曳方程来计算各个悬臂梁28、30、32上的拖曳力F：
F = 1 2 ρ · Cd · V 2 A f
其中，ρ是流体的流密度，Cd是拖曳系数，V是流速，而Af是正面面积。因此，拖曳力(F)是流速(V)的函数。另外，根据悬臂梁理论，各个悬臂梁的自由端位移(σ)是分布在悬臂梁上的拖曳力(F)的函数，并且就此而言(in term)是流速(V)的函数。
悬臂梁的偏转使光纤22、24、26中的布拉格光栅34变形，且造成从布拉格光栅34反射的光的波长偏移。在基本稳定的温度下，各个波长偏移是在对应的布拉格光栅34处的应变或应力的指示，且是悬臂梁的自由端位移(σ)的指示。流体流的流速可与从各个布拉格光栅34反射的光的波长偏移相互关联。通过用从第一光纤、第二光纤和第三光纤中的布拉格光栅反射的光的波长对流速和流向进行在先的实验性标定，可通过监测从布拉格光栅34反射的波长来获得流速和流向。
在一个实施例中，其中，自由臂各自包括平面板，自由臂相对于流体流的总体流向之间的角是彼此不同的。在图3的所示实施例中，总体流向D与悬臂梁28垂直，并且由此悬臂梁28、30、32上的拖曳力(F)依次减小。从而悬臂梁28、30、32中的布拉格光栅34的变形相应地依次降低。
在一个实施例中，FBG传感系统10进一步包括用于接收来自探测器模块38(图1)的信号以及估计流速和流向的控制器46(图1)。在另一个实施例中，控制器嵌在探测器模块38内，使得探测器模块38执行估计功能。在又一个实施例中，可借助可在计算机或类似的数据采集系统上实现的、在FBG传感系统10的标定期间开发的算法来确定速度及其方向。
图4和5示出了根据本发明的另一个实施例的FBG传感系统48。FBG传感系统48包括支承部件47，支承部件47包括固定端部分49和自固定端部分49的前周缘端部延伸的至少两个自由臂。在所示实施例中，支承部件47包括自固定端部分49延伸的三个自由臂50、51、52。FBG传感系统48包括固定在各个自由臂50、51、52中以便形成三个悬臂梁55、56、57的两根光学纤维53、54(图5)。
图5是用于更好地示意悬臂梁56的FBG传感系统48的局部截面图。悬臂梁55、57各自具有类似的结构，且从图5中省略了悬臂梁55、57。如图所示，悬臂梁56中的两根光学纤维53、54分别刻有布拉格光栅60、62。在一个实施例中，悬臂梁56进一步包括薄膜64，且两根光学纤维50、52分别在薄膜64的相对侧上，且在一对平面薄板42、44之间受到进一步保护。
从布拉格光栅60、62反射的光的波长偏移是应变和温度的函数。由于在同一悬臂梁中的布拉格光栅60、62彼此接近且在相同的温度下，所以从两个布拉格光栅60、62反射的波长的温度效应是基本相同的。参照图4和5，在一个实施例中，FBG传感系统48以这样的方式布置：即，使得在测量期间，流体流的拖曳力分别在各个悬臂梁55、56、57中的两个布拉格光栅60、62中引起拉伸和压缩。布拉格光栅60中的拉伸使从其反射的波长增大，而布拉格光栅62中的压缩则使从其反射的波长减小。因此，从两个布拉格光栅60、62反射的波长偏移之间的波长偏移差异是应变的指示，且消除或减小了温度效应。另外，通过用从第一悬臂梁55、第二悬臂梁56和第三悬臂梁57中的各个中的两个布拉格光栅60、62反射的光的波长偏移差异来对流速和流向进行实验性在先标定，可通过监测从布拉格光栅60、62反射的波长偏移差异来获得流速和流向。
参照图6，根据本发明的又一个实施例的FBG传感系统91包括支承部件92，支承部件92包括固定端部分49和自固定端部分49的前周缘端部延伸的至少两个自由臂。在所示实施例中，支承部件92包括自固定端部分49延伸的三个自由臂93、94、95。FBG传感系统91包括固定在各个自由臂93、94、95中以形成三个悬臂梁97、98、99的两根光学纤维53、54。在所示实施例中，各个自由臂包括平面板，且在其相对的平面中限定了两个凹槽96。两根光学纤维53和54分别接收在这两个凹槽96中，且可由环氧树脂或其它粘合性材料进一步固定在凹槽96中。因此，参照图4和5的在先描述，通过用从第一悬臂梁97、第二悬臂梁98和第三悬臂梁99中的各个中的两个布拉格光栅反射的光的波长偏移差异来对流速和流向进行实验性在先标定，可通过监测从布拉格光栅反射的波长偏移差异来获得流速和流向。在图6的所示实施例中，各个自由臂包括一件式平面板。在其它实施例中，各个自由臂可包括彼此固定的两个平面薄板。两个平面薄板中的各个将光学纤维固定在外表面中。
参照图7和8，根据本发明的又一个实施例，FBG传感系统66包括：大体纵向的悬臂式支承部件68，其包括固定端部分70和自固定端部分70延伸的自由臂72；以及固定在支承部件68的自由臂72中且与纵向支承部件68基本平行的光学纤维74、76、78、80。在所示实施例中，支承部件68是限定了用于接收光学纤维74、76、78、80的纵向中心槽口69的纵向套管。在一个实施例中，支承部件68的固定端部分72固定到固定部件上，例如流径中的管道的侧壁或特定的固定支承件。因此，支承部件68和固定在其中的光学纤维74、76、78、80形成了悬臂梁82。悬臂梁82延伸到流径中，且与总体流向D基本垂直。在某些实施例中，支承部件68具有基本圆形或椭圆形的截面图。
各个光学纤维74、76、78、80上刻有布拉格光栅84，且布拉格光栅84可通过本领域已知的任何方法形成于光纤74、76、78、80上。在一个实例中，这种制造包括使用干涉型式的紫外光来产生折射率的永久调制。流体流在悬臂梁82上施加拖曳力，且使得悬臂梁82偏转，并且就此而言引起从布拉格光栅84反射的光的波长变化，该变化是流速和流向的指示。
支承部件68可包括任何在结构上适当的材料，以便与几个实例(包括不锈钢、塑料和复合铝)一起进行意图的操作性使用。光纤74、76、78、80可通过自由臂72的开口端86插入中心槽口69中，或者可在附连自由臂72之前预先附连到固定端部分70上。在一个实施例中，光纤74、76、78、80由在中心槽口69内支承光学纤维的填充材料88进一步固定在中心槽口69中。填充材料可为中心槽口69中及光学纤维74、76、78、80周围的环氧树脂或粘胶。在另一个实施例中，可使用玻璃焊剂来将光学纤维的端部固定到开口端86上。在图8的所示实施例中，支承部件68进一步包括定位成以便在光学纤维74、76、78、80固定在中心槽口69中之后覆盖开口端86的帽90。在某些实施例中，支承部件68和帽90包含聚酰亚胺、不锈钢或碳纤维编织的复合材料。
如图8所示，FBG传感系统66可进一步包括用于通过光学纤维74、76、78、80将光传输到布拉格光栅84的至少一个光源36，以及用于接收从布拉格光栅84反射的光的探测器模块38。光源36可包括例如可调激光器、LED、激光二极管或任何其它准单色源。探测器模块38接收来自布拉格光栅84的反射的光信号，且与各种硬件和软件构件协作来分析光信号内嵌入的信息。
FBG传感系统66以这样的方式布置：即，使得悬臂梁82延伸到流径中，且与总体流向D基本垂直。第一光学纤维74、第二光学纤维76、第三光学纤维78和第四光学纤维80以这样的方式布置：即，使得各个布拉格光栅84基本沿着悬臂梁82的纵向方向。悬臂梁82由于流体流而像轮廓85中所示的那样向下游方向偏转。如之前参照图1-3所描述，从各个布拉格光栅反射的光的波长偏移是流速和流向的指示。通过用从第一光学纤维74、第二光学纤维76、第三光学纤维78和第四光学纤维80中的布拉格光栅反射的光的波长来对流速和流向进行实验性在先标定，可通过监测从布拉格光栅84反射的波长来获得流速和流向。
在某些实施例中，FBG传感系统66以这样的方式来布置：即，使得悬臂梁82的偏转在布拉格光栅84中的至少一个上导致拉伸，且在布拉格光栅84中的至少另一个上导致压缩。在所示实施例中，悬臂梁82的偏转在刻在第一光学纤维74和第二光学纤维76上的布拉格光栅84上引起拉伸，且在刻在第三光学纤维78和第四光学纤维80上的布拉格光栅84上引起压缩。第一光纤74和第二光纤76中的布拉格光栅84的拉伸使得从布拉格光栅84反射的光的波长增大，而第三光纤78和第四光纤80中的布拉格光栅84的压缩则使得从被压缩的布拉格光栅84反射的光的波长减小。例如，通过在先的实验性标定和建立查找表，可通过监测各个布拉格光栅84的波长变化来推导出流速。
再参照图8，一旦流向改变，施加在悬臂梁上的拖曳力也改变，且还在光纤74、76、78、80中的各个布拉格光栅84中导致波长偏移。例如，当流体流以相同的流速将方向从D变化到方向D1时，施加在悬臂梁82上的拖曳力(F)就减小，且在光纤74、76、78、80中的布拉格光栅84中进一步引起波长偏移。例如，通过在先标定和建立查找表，就可推导出流向和流速。
如以上所论述，布拉格光栅可布置在支承部件的固定端部分附近，其中悬臂梁的偏转所造成的应变或应力是最大的。FBG传感器是有用的，因为其大小相对较小，且对应变敏感。另外，与其它变送器(如果该变送器具有较长的管，则响应时间变得较长)相反，FBG传感器的响应时间与光纤的长度无关。因此，可在难以接近的流动区域中(例如通过燃气涡轮机中的密封件的冷却流或泄漏流)使用FBG传感系统。
除非另作限定，本文所使用的技术和科学术语具有与本发明所属的技术领域中的技术人员所普遍理解的意思相同的意思。本文所用的用语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是相反，它们用来使元件彼此区分。而且，用语“一”和“一个”不表示对数量的限制，而是相反，表示存在所引用的物品中的至少一个，而且除非另作指示，仅为了便于描述而使用诸如“前”、“后”、“底部”和/或“顶部”等用语，且这些用语不限于任何一个位置或空间定向。
虽然已经参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是本领域技术人员将理解，可在不偏离本发明的范围的情况下作出各种改变，且等效物可代替本发明的元件。另外，可在不偏离本发明的实质范围的情况下作出许多修改，以使特定情况或材料适于本发明的教导。因此，意图的是本发明不限于作为为了实现本发明而构想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本发明将包括落在所附的权利要求书的范围内的所有实施例。
要理解的是，未必可根据任何特定的实施例来实现上述所有这样的目标或优点。因此，例如，本领域技术人员将了解，可以以下方式来实施或实现本文描述的系统和技术：即实现或优化本文教导的一个优点或一组优点，而不必实现本文可能教导或建议的其它目标或优点。
此外，熟练技术人员将了解来自不同实施例的各种特征的可互换性。本领域普通技术人员可混合和匹配所描述的各种特征以及对于各特征的其它已知等效物，以根据本公开的原理来构造另外的系统和技术。

Claims (10)

1.一种光纤布拉格光栅传感系统(10，48，91)，包括：
包括固定可被流体流偏转的至少两个自由臂(16，18，20，50，51，52，93，94，95)的固定端部分(49)的悬臂式支承部件(12，47，92)，所述至少两个自由臂自所述固定端的前周缘延伸，且向前延伸超过所述固定端部分；
各自固定在所述支承部件的对应的自由臂中的至少两根光学纤维(22，24，26，53，54)，所述光学纤维中的各个刻有布拉格光栅；
用于将光传输到所述光学纤维的至少一个光源(36)；以及
用于探测所述光学纤维的布拉格光栅所过滤的光和监测所述被探测的光的波长变化的至少一个探测器模块(38)。
2.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述布拉格光栅离所述固定端部分比离所述自由臂的自由端部分更近。
3.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述光纤传感器进一步包括用于接收来自所述探测器模块的信号以及估计流向的控制器。
4.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述固定端部分包括圆柱形形状。
5.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述自由臂包括相对于所述固定端部分的离散元件。
6.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述固定端部分在外表面中包括至少两个槽口，以用于安装所述自由臂。
7.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，自由臂各自包括平面板，并且其中，自由臂相对于所述流体流的总体流向之间的角是彼此不同的。
8.根据权利要求7所述的光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述自由臂中的一个与所述总体流向基本垂直。
9.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述至少两个自由臂中的各个包括面向彼此且接收其间的对应的光纤的第一薄板和第二薄板。
10.根据权利要求9所述的光纤布拉格光栅传感系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅传感系统在所述自由臂中的各个中包括至少两根光学纤维，并且其中，所述光学纤维中的各个各自刻有布拉格光栅。
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