CN105301280A - 一种基于模间干涉的高灵敏度自加热式光纤流速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于模间干涉的高灵敏度自加热式光纤流速传感器，主要可调谐激光器1、FDFA放大器2、耦合器3、ASE宽谱光源4、环形器5、传感探头6、光谱仪7、真空泵8、标准流量计9。其中传感探头6是由第一段单模光纤61和第二段单模光纤62错位熔接，并在第二段单模光纤62镀上一层银膜63组成。ASE宽谱光源8产生宽谱光通过错位熔接点后激发出包层模式，因此形成包层和纤芯两种模式的光并发生模间干涉。同时，可调谐激光器7产生的高功率光耦合进入第二段单模光纤32的包层，对包层外的银膜33进行加热。当外界气流进过传感探头3时，带走一部分热量，传感探头3温度下降，使其有效折射率差发生变化从而引起干涉谱的移动，达到测量流速的目的。

Description

一种基于模间干涉的高灵敏度自加热式光纤流速传感器

技术领域

本发明是一种基于模间干涉的高灵敏度自加热式光纤流速传感器，属于光纤传感器技术领域。

背景技术

气体流速的测量在工业生产、日常生活，以及航空航天领域有着广泛的应用。气体流速的测量和控制关系着产品的性能，是装置能否安全运行的一个重要指标。在燃气或者密封装置的泄露问题的检测上，小流速气体传感器也发挥了至关重要的作用。目前已经有很多种流速测量方法，传统的流速传感器类型主要有热线式、超声波、多普勒及粒子成像流速计。近几年，流量传感器向高集成、小型化、高精度方向发展。而光纤传感器具有响应快、体积下、易集成、抗电磁干扰等优点，满足了人们对传感器的需求。人们将光纤传感器原理应用于流量流速测量领域。初期人们将光纤传感器与差压、靶式、涡街等流量计相结合，主要应用光纤光栅测量应变实现，但其主要弊端是测量准确度不高且光纤易断，且在体积上并未得到改善。近年来，光纤光栅热式流量计得到发展，但是由于此类的传感器均利用光纤光栅测温原理进行测量的，故存在着温度灵敏度低的缺点。并且由于光纤光栅加热功率延轴线衰减，使其受热不均而产生啁啾现象。本文提出一种基于高灵敏度自加热式的光纤流速传感装置，其主要基于模间干涉原理制作而成，具有高灵敏度、成本低、制作简单、不受电磁干扰、光谱形状固定易于信号处理等优点。

发明内容

(一)、要解决的技术问题

本发明主要解决了传统的流量传感其存在的体积大、受电磁干扰、长距离传输信号衰减等问题以及光纤光栅热式流量计存在的灵敏度低等问题。

(二)、技术方案

为了达到上述目的，本发明设计了一种基于模间干涉的高灵敏度自加热式光纤流速传感器，主要包括要包括真空泵、标准流量计、传感探头、环形器、耦合器、光谱仪、可调谐激光器、ASE宽谱光源，其特征在于：可调谐激光器（DFB）产生高功率光，再经过EDFA放大器放大加热光，ASE宽谱光产生的宽谱光与加热光通过90%、10%的耦合器耦合后进入环形器并输入到传感探头，宽谱光在传感探头内发生干涉形成干涉谱，此干涉谱经过传感器端面发生反射后由光谱分析仪OSA显示，加热光进入包层后，对包层外表面的银膜进行加热，使得传感探头的温度升高，干涉谱向长波长方向移动，当气流经传感探头时，气流带走传感探头一部分热量，传感器温度降低光谱向短波长方向移动，气体流速不同，温度变化也不同，则干涉谱移动量也不同，从而达到测量流速的目的。

上述方案中的传感探头全部由单模光纤组成，且在第二段单模光纤表面镀上一层银膜，其中第一段单模光纤与第二段单模光纤的错位距离为7μm，宽谱光进入第一段单模光纤后在其纤芯内传输，当通过错位熔接点时，一部分宽谱光进入第二段单模光纤的包层当中激发包层模式的光，另一部分进入第二段单模光纤的纤芯内为纤芯模式，包层模式的有效折射率与纤芯模式的光的有效折射率不同，这两路光在传输至传感器端面时光发生反射，反射回来的光再经过错位熔接点汇聚，由于纤芯模式和包层模式的光的有效折射率不同导致光程差的存在，因此产生特定的干涉谱，此干涉的基本原理为模间干涉。当外界温度发生改变时，包层模式的有效折射率发生改变，进而引起光程差发生改变，则干涉谱发生移动。

上述方案中，单模光纤的纤芯直径为8.3μm，包层直径为125μm，第一段单模光纤和第二段单模光纤通过光纤熔接机熔接，并设置错位距离为7μm，第二段单模光纤的长度为1.5cm。

上述方案中银膜包裹在整个第二段光纤的表面，厚度为125nm，同时具有反射光强和改变传感探头温度两种功能。

上述方案中的耦合器为90%（宽谱光）、10%耦合（加热光）。

(三)、有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1）可以有效的解决目前流速传感其存在的体积大、长距离传输信号衰减、灵敏度低等问题。

2）本发明属于光纤传感领域，可以有效地适用于存在电磁干扰以及危险气体流量检测的领域。

(四)、附图说明

图1是一种基于模间干涉的高灵敏度自加热式光纤流速传感器示意图。

图2是不同流量时的测量干涉光谱移动图。

图3是干涉光谱波谷波长与倾斜角拟合曲线。

（五）、具体实施方式

为使上述目的、优点更加易懂，下面结合附图以及具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，可调谐激光器1与EDFA放大器2相连，EDFA放大器2连接至耦合器3的第一个端口31，耦合器3的第二个端口32与ASE宽谱光源4相连，耦合器3的第三个端口33与环形器5的第一个端口51相连，环形器的第二个端口52与传感探头6相连，环形器的第三个端口53与光谱分析仪7相连。其中传感探头6由第一段单模光纤61和第二段单模光纤62通过错位熔接而成，同时第二段单模光纤62表面镀上一层银膜63。可调谐激光器1产生高功率光，再经过EDFA放大器2放大至500mW形成加热光，ASE宽谱光源4产生的宽谱光与加热光通过90%、10%的耦合器3耦合后进入环形器5并输入到传感探头6，宽谱光进入第一段单模光纤61后在其纤芯内传输，当通过错位熔接点时，一部分宽谱光进入第二段单模光纤62的包层当中激发包层模式的光，另一部分进入第二段单模光纤62的纤芯内为纤芯模式，包层模式的有效折射率与纤芯模式的光的有效折射率不同，这两路光在传输至传感器端面时发生反射，反射回来的光再经过错位熔接点汇聚，由于纤芯模式和包层模式的光的有效折射率不同导致光程差的存在，因此产生特定的干涉谱并由光谱分析仪7显示。与此同时，加热光通过错位熔接点进入包层后，对包层外表面的银膜63进行加热，使得传感探头6的温度升高，干涉谱向长波长方向移动，当气流经传感探头时，气流带走传感探头一部分热量，传感器温度降低光谱向短波长方向移动，气体流速不同，干涉谱也不同，通过调节真空泵8的流量大小，得到不同流量时干涉谱，如图2所示，最左条曲线代表不加热时候的干涉谱，最右边代表加热后流量为0时的干涉谱，中间三条曲线分别是加热后流量分别为0.025M/S、2.1M/S和7.8M/S的干涉谱。取干涉谱的波谷波长为特征波长，由标准流量计9进行标定并绘制拟合流量-特征波长的拟合曲线，如图3所示，即可达到测量未知流量的目的。

Claims (4)

1.一种基于模间干涉的高灵敏度自加热式光纤流速传感器，主要包括要包括真空泵、标准流量计、传感探头、环形器、耦合器、光谱仪、可调谐激光器、ASE宽谱光源，其特征在于：可调谐激光器（DFB）产生高功率光，再经过EDFA放大器放大加热光，ASE宽谱光产生的宽谱光与加热光通过90%、10%的耦合器耦合后进入环形器并输入到传感探头，宽谱光在传感探头内发生模间干涉形成干涉谱，此干涉谱经过传感器端面发生反射后由光谱分析仪OSA显示，加热光进入包层后，对包层外表面的银膜进行加热，使得传感探头的温度升高，干涉谱向长波长方向移动，当气流经传感探头时，气流带走传感探头一部分热量，传感器温度降低光谱向短波长方向移动，气体流速不同，移动量也不同，从而达到测量流速的目的。

2.如权利要求项1所述的传感探头其特征在于：全部由单模光纤组成，且在第二段单模光纤表面镀上一层银膜，其中第一段单模光纤与第二段单模光纤的错位距离为7μm，第二段单模光纤长度为1.5cm，宽谱光进入第一段单模光纤后在其纤芯内传输，当通过错位熔接点时，一部分宽谱光进入第二段单模光纤的包层当中，另一部分进入第二段单模光纤的纤芯内，这两路光在传输至传感器端面时光发生反射，反射回来的光再经过错位熔接点汇聚，由于纤芯和包层的有效折射率不同导致光程差的存在，因此产生特定的干涉谱，此干涉原理为模间干涉。

3.如权利要求项1所述的银膜其特征在于：厚度为125nm，包裹在整个第二段光纤的表面，同时具有使光发生反射和改变传感探头温度两种功能。

4.如权利要求项1所述的加热光其特征在于：由可调谐激光器产生并经过EDFA放大器放大产生且最终功率大小为500mW。