CN105806592B - 光纤湍流传感器及湍流测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光纤湍流传感器及湍流测量系统，所述光纤湍流传感器包括：探针、悬臂梁、两根光纤以及耦合器，其中所述探针与所述悬臂梁连接，所述悬臂梁固定连接所述两根光纤，所述两根光纤分别含有应变敏感元件，所述两根光纤通过所述耦合器连接在一起。所述湍流测量系统包括光源、耦合器/环形器、光谱探测及分析模块以及光纤湍流传感器，所述光源与所述耦合器/环形器连接，所述耦合器/环形器分别与所述光谱探测及分析模块和所述光纤湍流传感器连接。本发明具有如下优点：全光纤的方式，本征绝缘，传感器在水下无功耗；避免各种水密封装对传感器性能的影响。

Description

光纤湍流传感器及湍流测量系统
技术领域
本发明涉及一种物理海洋传感器，特别涉及用于海水湍流观测的湍流传感器及湍流测量系统。
背景技术
作为海洋科学的基础学科，物理海洋学关注的是海洋中的动量、能量与物质输运过程及其变化规律，其基本研究对象是海水的运动。而海水运动由大尺度到小尺度，最终以湍流混合的形式耗散。海洋湍流能量耗散过程成为物理海洋学的重要研究焦点。
研究海洋湍流的基础是海洋观测与观测资料分析。研究海洋微结构湍流的关键是得到湍流动能耗散率。剪切流传感器是目前微结构湍流测量的常用仪器。
目前，剪切流传感器一般采用压电陶瓷作为敏感材料，技术日趋成熟，并且已经有多种类型(如自由匀速下落、坐底锚系、运载体放置)的湍流剖面仪投入应用，但还存在如下缺点：
1)水密要求高：因为电子仪器一旦漏水系统即完全失效，因此，电子学的传感器在水密封装上面要求较高；
2)仪器本身复杂：剪切流传感器的应用方式决定了该系统包括采集、电源、信号处理、仪器舱等核心部件，成本较高。
光纤传感技术可以追溯到上世纪70年代，在光通信成熟普及后，其相关元器件、模块成本大幅降低，传感技术得到长足发展和完善，特别是以光纤光栅为代表的敏感元件及其传感器，已经在土木工程、电力、消防、军工高技术等领域得到广泛商用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于现有技术中的用于海水湍流观测的剪切流传感器存在诸多缺陷，本发明的目的是提供一种全新的光纤湍流传感器及湍流测量系统。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供下述技术方案：
一种光纤湍流传感器，所述光纤湍流传感器包括：探针、悬臂梁、两根光纤以及耦合器，其中所述探针与所述悬臂梁连接，所述悬臂梁固定连接所述两根光纤，所述两根光纤分别含有应变敏感元件，所述两根光纤通过所述耦合器连接在一起。
优选地，所述探针和所述悬臂梁之间通过放大杆连接；更优选地，所述放大杆的长度能够调节。
优选地，所述应变敏感元件为光纤光栅、相移光纤光栅、光纤光栅激光器或光纤法布里波罗干涉腔。
优选地，所述两根光纤固定在所述悬臂梁的两侧一定距离处；更优选地，所述悬臂梁的两端分别设有突起，所述两根光纤中的每一根分别与所述悬臂梁的两端的所述突起固定连接；所述悬臂梁为等截面梁或等强度梁。
优选地，所述两根光纤固定贴附在所述悬臂梁的中轴线上或者嵌设于沿所述悬臂梁的中轴线布置的槽内；更优选地，所述悬臂梁为等强度梁。
本发明还提供一种湍流测量系统，所述湍流测量系统包括光源、耦合器/环形器、光谱探测及分析模块以及如前所述的光纤湍流传感器，所述光源与所述耦合器/环形器连接，所述耦合器/环形器分别与所述光谱探测及分析模块和所述光纤湍流传感器连接。
(三)有益效果
本发明为海洋湍流观测领域提供了一种新型的传感器，该传感器相对以往的传感器特别是电子类传感器，具有如下优点：
1)全光纤的方式，本征绝缘，传感器在水下无功耗；
2)本征绝缘，避免各种水密封装对传感器性能的影响；
3)光纤敏感介质可以是光纤光栅、相移光纤光栅、光纤光栅激光器、光纤法布里波罗干涉腔等各种形式；
4)双光栅推挽工作的方式，消除了海水温度和压力对系统的影响。
附图说明
图1是本发明实施例1的光纤湍流传感器的结构示意图，其中放大杆较长。
图2是本发明实施例1的光纤湍流传感器的结构示意图，其中放大杆较短。
图3是本发明实施例2的光纤湍流传感器的结构示意图。
图4是本发明湍流传感器及湍流测量系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本申请的发明人在研究中发现，传统的湍流传感器由压电陶瓷和翼型探针、悬臂梁等构成。海洋湍流对翼型探针产生作用力，探针对其轴线方向的分力不敏感，但垂直于轴线方向的分力使探针受力，探针将力传递给压电陶瓷片使之发生变形产生电荷，压电电荷经电荷放大器转化为电压并被电路采集处理，剪切流大小同电压信号近似线性关系。
光纤传感技术具备本征绝缘、免电磁干扰、长距离传输微弱信号能力强、容易组网复用等特点，特别适合海洋、石油、煤炭等特殊领域应用。在海洋领域，光纤传感器既可以感测敏感量，又可以实时传输光谱信息，且不存在绝缘和供电等问题，“传”“感”合一，易于原位和实时测量。
本发明的光纤湍流传感器同样基于翼型理论，但是在内部的换能机构上进行了创新，引入光纤传感这一新技术。工作时，剪切流对翼型探针进行作用，导致翼型探针受力而将力量传递给内部的悬臂梁，悬臂梁两侧固定着应变敏感的光纤传感器，如布拉格光纤光栅、相移光纤光栅、分布式光纤光栅激光器、光纤法布里波罗干涉腔等，悬臂梁的变形引起上述敏感器件的作用，并最终对传输于内部的光信号进行了调制。在解调端，被调制的光信息被解调机构解调，从而得到原始的剪切流信息。
本发明的光纤湍流传感器的工作原理如下：
光纤湍流传感器由翼型探针、悬臂梁和光纤构成，探针和悬臂梁作为换能器，其主要作用是将海水湍流的脉动转化为光纤敏感器件(如光纤光栅)可以探测的物理量——变形，即海水湍流使得机械机构发生微弱变形，该微弱变形作用在应变敏感器件(如光纤光栅)上使得其内部的光谱信息(如光纤光栅反射回的中心波长)产生改变，即应变敏感器件的中心波长受到湍流相应的调制。
实施例1
图1和图2是悬空型光纤湍流传感器的示意图。
在图1和图2中，湍流传感器的外壳1的截面呈圆形，下端由探针7组成，探针7具备翼状结构特征，可以在湍流作用下产生一定的应力并传导到内部的敏感元件上，外壳1和探针7整体具备流线型结构用于降低流阻及对水流的影响；悬臂梁2设置在安装基座12，对于悬空封装型，悬臂梁2的两端有突起11，含有应变敏感元件4和10的光纤3固定在突起11上，固定点5可以使用胶水固定，也可以是焊接等其他方式；应变敏感元件4和10对称固定在悬臂梁2的两侧，同步推挽工作，用以消除温度和外界压力等影响；两路光纤3由耦合器8连接在一起，并由耦合器的光纤9同解调端相连；放大杠杆6的长度可以改变，其作用是将探针7的应力应变进行放大，但杠杆会降低传感器的响应频率。应变敏感元件4和10可以是布拉格光纤光栅，也可以是相移光栅、分布式光纤光栅激光器、光纤法布里波罗干涉腔等。
实施例2
图3是表贴型光纤湍流传感器的示意图，其结构与实施例1的悬空型光纤湍流传感器大致相同。对于相同的部件及其附图标记编号此处不再重复赘述，现仅将区别列出：在图3中，含有应变敏感器件4和10的光纤3被贴在悬臂梁2的中轴线上，也可以在中轴线上刻槽后嵌入，然后再以胶水固定。区别于实施例1的悬空型，该方案要求悬臂梁2为等强度梁，以避免悬臂梁2的表面应变分布不均现象，如若应变敏感器件4和10为光纤光栅，则会产生光栅的反射光谱展宽的啁啾现象。根据杠杆原理，相比于图3中表贴型的封装结构，图1和图2中两路光纤两路悬空的封装方式会放大悬臂梁2的弯曲导致光纤应变器件变形的幅度，具有一定的放大作用。
图4是本发明的湍流测量系统的整体示意图。
在本系统中，从宽带光源21(ASE光源、SLED光源、白光光源、宽带可调谐光源等)发出的光通过耦合器22(或者环形器等具备类似功能的器件)进入湍流传感器24中，光谱进入传感器后进入图1-3所示的光纤3中，经过被湍流剪切信号调制的应变敏感器件4和10后，光谱信号发生了变化，并原路返回，经过传输光纤23后，在器件22处被引导进入光谱探测及分析模块25中。
本发明的传感器应用中具有下述有益效果：
1)全光纤的方式，本征绝缘，传感器在水下无功耗；
2)本征绝缘，避免各种水密封装对传感器性能的影响；
3)光纤敏感介质可以是光纤光栅、相移光纤光栅、光纤光栅激光器、光纤法布里波罗干涉腔等各种形式；
4)双光栅推挽工作的方式，消除了海水温度和压力对系统的影响。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤湍流传感器，其特征在于，所述光纤湍流传感器包括：探针、悬臂梁、两根光纤以及耦合器，其中所述探针与所述悬臂梁连接，所述悬臂梁固定连接所述两根光纤，所述两根光纤分别含有应变敏感元件，所述两根光纤通过所述耦合器连接在一起。
2.根据权利要求1所述的光纤湍流传感器，其特征在于，所述探针和所述悬臂梁之间通过放大杆连接。
3.根据权利要求2所述的光纤湍流传感器，其特征在于，所述放大杆的长度能够调节。
4.根据权利要求1所述的光纤湍流传感器，其特征在于，所述应变敏感元件为光纤光栅、相移光纤光栅、光纤光栅激光器或光纤法布里波罗干涉腔。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤湍流传感器，其特征在于，所述两根光纤固定在所述悬臂梁的两侧一定距离处。
6.根据权利要求5所述的光纤湍流传感器，其特征在于，所述悬臂梁的两端分别设有突起，所述两根光纤中的每一根分别与所述悬臂梁的两端的所述突起固定连接。
7.根据权利要求5所述的光纤湍流传感器，其特征在于，所述悬臂梁为等截面梁或等强度梁。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的光纤湍流传感器，其特征在于，所述两根光纤固定贴附在所述悬臂梁的中轴线上或者嵌设于沿所述悬臂梁的中轴线布置的槽内。
9.根据权利要求8所述的光纤湍流传感器，其特征在于，所述悬臂梁为等强度梁。
10.一种湍流测量系统，其特征在于，所述湍流测量系统包括光源、耦合器/环形器、光谱探测及分析模块以及如权利要求1-9中任一项所述的光纤湍流传感器，所述光源与所述耦合器/环形器连接，所述耦合器/环形器分别与所述光谱探测及分析模块和所述光纤湍流传感器连接。
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