CN102564505A

CN102564505A - 基于光纤光栅的热线式流量传感器件

Info

Publication number: CN102564505A
Application number: CN201210016727XA
Authority: CN
Inventors: 程佳; 董新永; 周艳; 周文俊; 陈哲敏
Original assignee: Zhejiang Province Institute of Metrology
Current assignee: Zhejiang Province Institute of Metrology
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: CN102564505B

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的热线式流量传感器件。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。本发明将光纤光栅技术与热线式流量传感技术相结合，实现了温度与流量双参量的实时测量，具有制作简单、体积小、灵敏度高、成本较低等优点，可用于微小气体流量的测量。

Description

基于光纤光栅的热线式流量传感器件

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器件，具体涉及一种基于光纤光栅的热线式流量传感器件。

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，但其成本高且易受电磁波干扰。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。

近年来，光纤流量传感器因其独特的优点备受人们的广泛关注。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。

传统的基于光纤的流量传感器主要有光纤涡轮流量传感器、光纤涡街流量传感器、光纤多普勒流速计、光纤小流量传感器等。

光纤涡轮流量传感器是在传统涡轮流量测量原理的基础上，采用多模光纤代替了内磁式传感器而构成的反射型光纤涡轮流量传感器。它具有线性、重复性好、抗电磁干扰能力强、测量动态范围大等优点。但是，它的应用局限在现场不带电、低粘度燃油气体流量测试。

光纤涡街流量传感器是一种以光纤作为非线性型流体产生涡流的涡街流量传感器。利用旋涡的释放频率与流速成正比，就可以测出频率从而得到流体流量。由于光纤长期处于流体中，因此光纤可能产生断裂、磨损等现象。

光纤多普勒流速计是基于光的多普勒效应来确定流体的流动速度，可实现

物体运动速度的非接触高精度测量。光纤多普勒流速计可以很好地应用于解决大管径、厚管壁、水泥内衬等场所。但是，流体中微小颗粒或者气泡是随机存在的，从而影响了其测量精度。

小流量光纤流量传感器是基于菲涅耳拖曳效应测量流量的，实现了特定领域流体低流量的测量。然而，流体流量的较小使得传感信号较弱，不利于信号的检测，降低了测量的准确度。现今，此类传感器仅仅满足油、水井流量测量的需要，难以广泛应用于流体的测量。

目前，光纤光栅技术发展十分迅速，基于光纤光栅的温度、压力、振动、湿度等物理量的传感器也层出不穷。在流体流量测量方面，靶式光纤光栅流量计将单个或多个光纤光栅、悬臂梁及靶式圆盘结合起来，提高了系统测量的多参量性、安全性和准确性，应用十分广泛。这类传感器的基本工作原理为当流体流动产生的力作用在靶式圆盘上并通过传力杆转移到悬臂上时，悬壁的扭曲变形将引起光纤光栅形变，导致光纤光栅的波长漂移，从而通过测量波长的变化量即可得到所要测量的流量值。但是，这种传感器结构相对较为复杂，测量结果与悬臂梁参数紧密相关，难以实现标准的制定。

在综上所述的研究中，现有的光纤流量传感器在性能和制作方法上各有特点，但是都存在各自的缺点，集中体现在传感结构相对复杂、体积大、使用寿命偏短、测量精度低及价格高。基于光纤流量计的广阔应用及对新型光纤流量传感器的迫切需求。

发明内容

针对现有光纤流量传感器工艺复杂、使用寿命短、体积大、价格昂贵等问题，本发明的目的在于提供了一种基于光纤光栅的热线式流量传感器件。

本发明采用的技术方案是：

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：

本发明将光纤光栅技术与热线式流量传感技术相结合，实现了温度与流量双参量的实时测量，具有制作简单、体积小、灵敏度高、成本较低等优点，可用于微小气体流量的测量。

附图说明

图1是基于光纤光栅的热线式流量传感器件的结构示意图。

图2是一种基于光纤光栅的热线式流量传感器件的检测装置图。

图3是另一种基于光纤光栅的热线式流量传感器件的检测装置图。

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、激光器，8、热线式流量传感器件，9、波分复用器，10、光纤环形器，11、宽带光源，12、光谱分析仪。

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说明。

如图1所示，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。

基于光纤光栅的新型热线式流量传感器件的基本工作原理：

如图1所示，一方面，激光由温度补偿段光纤的自由端注入，在经过错位熔接区时激光的绝大部分能量将被耦合到流量测量段光纤包层中去，从而导致金属膜吸收部分激光能量。吸收了激光能量的金属膜将释放出热量，迫使对应的光栅区形成特定的温度场。另一方面，宽度光源的光经由流量测量段光纤的自由端注入，在遇到光纤光栅时会形成反射谱，通过波长解调可以检测出光纤光栅对应的温度场。因此，当传感器件至于流体中时，利用波长解调技术可实时测量出对应的温度，从而进一步计算出流体的流量。显然，流体流速越大，带走的热量就越大，光栅区的温度就越小，温度与流体流量成负线性关系。同时，温度补偿段光纤内的光纤光栅并不受金属膜释放热量的影响，所以提供了当前环境温度的准确测量。

如图1所示，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，写入光纤光栅6离错位端1mm，中心波长为1550nm，反射率为25dB；金属离子形成金属膜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。

基于光纤光栅的新型热线式流量传感器件的检测装置有许多结构，下面列举二种检测结构，但不仅限于此。

如图2所示，采用第一种结构，激光器7经由流量传感器件8后接波分复用器9的1550nm端口，波分复用器9的Com端口接光纤环形器10的2端口，光纤环形器10的1、3端口分别接宽度光源11和光谱分析仪12。

如图3所示，采用第二种结构，流量传感器件8接波分复用器9的1550nm端，波分复用器9的1455nm端口及Com端口分别接激光器7、光纤环形器10，光纤环形器10的1、3端口分别接宽度光源11和光谱分析仪12。

Claims

1.一种基于光纤光栅的热线式流量传感器件，其特征在于：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。