CN102564504A - 多截面分布式光纤光栅热式流量传感器 - Google Patents

多截面分布式光纤光栅热式流量传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器。在管道的管壁上沿轴向设有多个钻孔，在每个径向截面上设有2个以上钻孔，每个钻孔中分别安装密封连接件，光纤通过密封连接件固定在钻孔内，尾纤从其中相对的一个钻孔中引出，每个光纤中均串接一个光纤光栅热式流量传感器件，同一径向截面上光纤光栅热式流量传感器件保持均匀分布，并且其温度补偿段光纤靠近尾纤的一端。光纤光栅技术与热式流量传感技术相结合，实现了流量的精确测量，具有制作简单、体积小、灵敏度高、成本较低。同时，本发明提供的光信号可通过光纤远距离传输，广泛应用于各种气体运输管道的流速、流量检测，也可适用于电磁干扰强、湿度大等恶劣环境中。

Description

多截面分布式光纤光栅热式流量传感器
技术领域
本发明涉及一种光纤传感器件，具体涉及一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器。
背景技术
流速、流量的测量在石油、化工、医药、能源计量、环境监测等工业生产过程中占据着举足轻重的地位。因此，流速、流量传感器是流体检测和控制过程中不可缺少的传感器件。传统的机械式流速、流量传感器测量误差大、精度低。例如，采用超声波的流速测量仪、电磁波的流速仪或声学多普勒效应的流速仪等，虽然测量精度较高，但易受电磁波干扰。
随着光纤技术的发展，出现了很多基于光学原理的光纤流速、流量传感器。光纤流量传感器是采用光在光纤中传输时光的特性(如强度、相位、频率、波长等)会受流量的调制并将相应的调制量解调为流体流速的原理实现的。与传统的流量传感器相比，光纤流量传感器具有如下优点： (1)准确度、灵敏度高；(2)耐高压、耐高温、抗电磁干扰，在易燃、易爆环境下安全可靠；(3)频带宽、动态范围广；(4)便于远距离测量和控制；(5)体积小、质量轻。由于具有抗电磁干扰、抗环境噪声，电气绝缘性及自身安全性等特点，因此光纤流量传感器将有着巨大的市场价值。
在实际的流体中，无论是再管道内的流动，还是绕物体流动，都会导致流体的能量受到不同程度的损耗，也就是说，在同一截面的流速并均匀。
发明内容
本发明的目的是提供一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器，进行管道中各处的流场分布的测量。
为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：
本发明在管道一的管壁上沿轴向设有多个钻孔，在每个径向截面上设有2个以上钻孔，每个钻孔中分别安装密封连接件，光纤通过密封连接件固定在钻孔内，尾纤从其中相对的一个钻孔中引出，每个光纤中均串接一个光纤光栅热式流量传感器件，同一径向截面上光纤光栅热式流量传感器件保持均匀分布，并且光纤光栅热式流量传感器件的温度补偿段光纤靠近尾纤的一端。
所述的在测量管管壁上沿轴向的每个径向截面上均分别等分设有6个钻孔，沿径向3个钻孔对称布置成“川”字形，6个钻孔位于同一径向平面上。
所述的在测量管管壁上沿轴向的每个径向截面上等分设有3个钻孔，3个钻孔位于同一径向平面上呈三角形布置。
所述的在测量管管壁上沿轴向的每个径向截面上等分设有4个钻孔，4个钻孔位于同一径向平面上呈正方形布置，并在其中一个对角线上布置，在对角线上又串接另一个光纤光栅热式流量传感器件。
所述的光纤光栅热式流量传感器件包括：温度补偿段光纤和流量测量段光纤；温度补偿段光纤纤芯写入第一光纤光栅，流量测量段光纤纤芯写入第二光纤光栅，第二光纤光栅所在光纤的包层表面镀有一层金属离子形成金属膜，错位熔接区的耦合率通过调整温度补偿段光纤和流量测量段光纤端面的横向错位距离来实现。
本发明具有的有益效果是：
通过测量每个FBG的中心波长，可得到FBG所处位置的流量信息，并可分析出各个传感器件所在平面的流量分布。光纤光栅技术与热式流量传感技术相结合，实现了流量的精确测量，具有制作简单、体积小、灵敏度高、成本较低等优点，填补了现有技术的空白。同时，此结构提供的光信号可通过光纤远距离传输，广泛应用于各种气体运输管道的流速、流量检测中，可适用于电磁强干扰、湿度大等恶劣环境中。
附图说明
图1是多截面分布式光纤光栅热式流量传感器的剖面图。
图2是第一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器的径向视图。
图3是第二种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器的径向视图。
图4是第三种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器的径向视图。
图5是光纤光栅热式流量传感器件的结构示意图。
图中：1、温度补偿段光纤，2、流量测量段光纤，3、第一光纤光栅，4、错位熔接区，5、金属离子形成金属膜，6、第二光纤光栅，7、光纤光栅热式流量传感器件，8、光纤，9、管道，10、密封连接件，11、尾纤。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。
多截面分布式光纤光栅热式流量传感器的结构装置有很多种，下面列举三种，但不仅限于此。
如图1所示，本发明在管道9的管壁上沿轴向设有多个钻孔，图1中为三个截面，在每个径向截面上设有2个以上钻孔，每个钻孔中分别安装密封连接件10，光纤8通过密封连接件10固定在钻孔内，尾纤11从其中相对的一个钻孔中引出，每个光纤8中均串接一个光纤光栅热式流量传感器件7，同一径向截面上光纤光栅热式流量传感器件7保持均匀分布，并且光纤光栅热式流量传感器件7的温度补偿段光纤1靠近尾纤11的一端。
如图2所示，所述的在测量管9管壁上沿轴向的每个径向截面上均分别等分设有6个钻孔，沿径向3个钻孔对称布置成“川”字形，6个钻孔位于同一径向平面上。
如图3所示，所述的在测量管9管壁上沿轴向的每个径向截面上等分设有3个钻孔，3个钻孔位于同一径向平面上呈三角形布置。
如图4所示，所述的在测量管9管壁上沿轴向的每个径向截面上等分设有4个钻孔，4个钻孔位于同一径向平面上呈正方形布置，并在其中一个对角线上布置，在对角线上又串接另一个光纤光栅热式流量传感器件7。
以上三种结构装置可以在同一个传感器中单一使用，也可以在同一个传感器中交叉使用。
如图5所示，所述的光纤光栅热式流量传感器件7包括：温度补偿段光纤1和流量测量段光纤2；温度补偿段光纤1纤芯写入第一光纤光栅3，流量测量段光纤2纤芯写入第二光纤光栅6，第二光纤光栅6所在光纤的包层表面镀有一层金属离子形成金属膜5，错位熔接区4的耦合率通过调整温度补偿段光纤1和流量测量段光纤2端面的横向错位距离来实现，横向错位距离可以为7～8微米。
其中，温度补偿段光纤1长度为8cm，写入光纤光栅3为1cm，光纤光栅3离错位端25mm，中心波长为1520nm，反射率为13dB；流量测量段光纤2长度为4cm，写入光纤光栅6为4mm，光纤光栅6离错位端1mm，中心波长为1550nm，反射率为25dB；金属膜5是使用真空蒸发镀膜机进行镀银的，镀银长度为4mm，镀银厚度为25nm，银的外表面镀上SiO2，厚度约为100nm；错位熔接区4约为5dB；激光器7为连续拉曼光纤激光器，中心波长为1455nm，功率0-1.2W可调；波分复用器9为1455/1550nm高功率波分复用器；宽度光源11为带宽1520-1620nm的ASE光源；光谱分析仪为AQ8683。

Claims (5)

1.一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器，其特征在于：在测量管道（9）的管壁上沿轴向设有多个钻孔，在每个径向截面上设有2个以上钻孔，每个钻孔中分别安装密封连接件（10），光纤（8）通过密封连接件（10）固定在钻孔内，尾纤（11）从其中相对的一个钻孔中引出，每个光纤（8）中均串接一个光纤光栅热式流量传感器件（7），同一径向截面上光纤光栅热式流量传感器件（7）保持均匀分布，并且光纤光栅热式流量传感器件（7）的温度补偿段光纤（1）靠近尾纤（11）的一端。
2.根据权利要求1所述的一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器，其特征在于：所述的在测量管（9）管壁上沿轴向的每个径向截面上均分别等分设有6个钻孔，沿径向3个钻孔对称布置成“川”字形，6个钻孔位于同一径向平面上。
3.根据权利要求1所述的一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器，其特征在于：所述的在测量管（9）管壁上沿轴向的每个径向截面上等分设有3个钻孔，3个钻孔位于同一径向平面上呈三角形布置。
4.根据权利要求1所述的的一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器，其特征在于：所述的在测量管（9）管壁上沿轴向的每个径向截面上等分设有4个钻孔，4个钻孔位于同一径向平面上呈正方形布置，并在其中一个对角线上布置，在对角线上又串接另一个光纤光栅热式流量传感器件（7）。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种多截面分布式光纤光栅热式流量传感器，其特征在于，所述的光纤光栅热式流量传感器件（7）包括：温度补偿段光纤（1）和流量测量段光纤（2）；温度补偿段光纤（1）纤芯写入第一光纤光栅（3），流量测量段光纤（2）纤芯写入第二光纤光栅（6），第二光纤光栅（6）所在光纤的包层表面镀有一层金属离子形成金属膜（5），错位熔接区（4）的耦合率通过调整温度补偿段光纤（1）和流量测量段光纤（2）端面的横向错位距离来实现。
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