CN106153978A - 基于光纤mems法珀微腔的流速测试装置与测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，测试管内有涡街发生体，测试管管壁设有内部有传输光线的光纤法珀传感器，光纤法珀传感器连有环行器，环行器连有光源和光学信号解调系统，光学信号解调系统连有线阵CCD相机、数据采集系统和信号处理单元。测试方法：测试管与被测管道连接，打开光源；流体冲击涡街发生体，产生涡街，测试管内壁的压力变化；光纤法珀传感器将压力变化转化为法珀腔长变化；光学信号解调系统将法珀腔长变化解调为光学信号的空间低相干干涉图样，线阵CCD相机转为电信号；经数据采集系统给信号处理单元，获取涡街脱离频率，计算出被测管道内流体流速。本发明避免了温度敏感问题，提高了流速测试精度。

Description

基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置与测试方法

技术领域

本发明涉及一种光纤流速测试技术，更具体的说，是涉及一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置与测试方法。

背景技术

在当前工业生产中，流速测试占有重要地位，随着光纤技术的日益成熟，基于光纤传感的流速测试方法也得到了极大发展。张文涛等人公布了一种光纤激光涡街流量计(中国发明专利申请201210464791.4)，该种光纤激光涡街流量计采用光纤光栅激光器置于发生体后侧形式，通过测试流产生涡街导致的光纤光栅应变变化获取管道流速大小。郑佳伦等人公布了包括光纤布拉格光栅传感器的卡门涡街流量计组件以及测量流体流速的方法(中国发明专利申请200780047600.1)，该专利采用光纤布拉格光栅传感器固定在复合发生体上，通过测试流体涡街交变导致光纤光栅应变变化测取管道流速。周晓军等人公布了一种光纤流量计(中国发明专利申请92108262.2)，该专利将裸光纤光栅传感器置于发生体后侧。

但光纤光栅易受温度波动影响，裸光纤光栅脆弱易失效，传感灵敏度不易调节、响应频率有限，从而导致流速测量范围受限。因此，需要开发新型光纤流速测试装置与测试方法。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置与测试方法，避免了光纤流速测试普遍存在的温度敏感问题，提高了流速测试精度，增大了流速测量范围。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

本发明的一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，包括与被测管道相连接的测试管，所述测试管内部设置有涡街发生体，所述测试管管壁设置有与其相连通的内部固定有传输光线的光纤法珀传感器，所述光纤法珀传感器连接有环行器，所述环行器连接有光源和光学信号解调系统，所述光学信号解调系统依次连接有线阵CCD相机、数据采集系统和信号处理单元。

所述光纤法珀传感器通过辅助连接装置与测试管固定连接，安装方向与所述涡街发生体相垂直，安装位置在所述涡街发生体迎流面后侧两倍迎流面宽度距离内。

所述辅助连接装置包括与测试管连通固定的空心固接结构，所述固接结构内设置有内部用于固定光纤法珀传感器的空心支撑结构，所述支撑结构和光纤法珀传感器之间设置有密封填充材料层。

所述涡街发生体设置为三棱柱或矩形棱柱或梯形棱柱或复合结构棱柱。

所述涡街发生体迎流面宽度为测试管内径的0.2～0.4倍。

所述测试管的内径和被测管道的内径相同。

本发明的目的还可通过以下技术方案实现。

一种所述的基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置的测试方法，包括以下步骤：

(1)将测试管与被测管道连接，安装基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，打开光源；

(2)被测管道中的流体流经测试管，流体冲击涡街发生体，产生涡街，测试管内壁受到的压力发生频率性变化；

(3)所述光纤法珀传感器将感测到的测试管内壁上的压力变化转化为光纤法珀传感器法珀腔长的频率性变化；

(4)所述光学信号解调系统将光纤法珀传感器法珀腔长的频率性变化解调为光学信号的空间低相干干涉图样，经线阵CCD相机转换为电信号；

(5)经所述线阵CCD相机转换后的电信号经数据采集系统后输送给信号处理单元，首先结合光纤法珀空间低相干信号与压力之间的数学关系，计算出光纤法珀传感器感测到的压力信号数值，然后结合fft算法进行时域——频域信号转换，获取测试管内壁上压力变化频率，也就是涡街脱离频率，最后根据涡街流速测试原理计算出测试管内流体的流速，即被测管道内流体的流速；其中，f_s为涡街脱离频率，S_t为斯特劳哈尔数，在大范围雷诺数R_e内，为常数，D_d为涡街发生体迎流面宽度，v为测试管内流体的流速。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

(1)本发明中，光纤法珀传感器安装于测试管管壁上，通过辅助连接装置与测试管管壁固定连接，辅助连接装置与测试管相连通，保证了光纤法珀传感器能够与测试管相连通，简化了光纤法珀传感器的安装结构，同时消除了光纤法珀传感器对测试管内流场的影响；

(2)本发明中，先通过测试求解出测试管内壁上压力变化频率，再根据涡街流速测试原理求解出测试管内流体流速，避免了常规光纤压力测试中存在的温度压力交叉敏感问题，提高了管道流速测试精度；

(3)本发明中，光纤法珀传感器法珀腔容易实现批量制作，一致性好，设计灵活度高，致使光纤法珀传感器灵敏度高，光纤法珀传感器采用激光熔接形式实现法珀腔无胶封装，避免了温度压力交叉敏感，使得本发明容易获得宽流速测量范围。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中涡街发生体和光纤法珀传感器的安装示意图；

图3是本发明中光纤法珀传感器的固接剖视图；

附图标记:1测试管；2涡街发生体；3光纤法珀传感器；4传输光线；5光源；6环行器；7光学信号解调系统；8线阵CCD相机；9数据采集系统；10信号处理单元；11固接结构；12支撑结构；13密封填充材料层；14垫片；15密封圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1至图3所示，本发明的一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，包括与被测管道相连接的测试管1，所述测试管1为中空的圆柱形，内径和被测管道的内径相同，所述测试管1通过法兰连接形式与被测管道固接。所述测试管1内部设置有用于产生涡街的涡街发生体2，所述涡街发生体2结构不局限于三棱柱形式，还可设置为矩形棱柱或梯形棱柱或复合结构棱柱形式，所述涡街发生体2迎流面宽度为测试管1内径的0.2～0.4倍，可采用辅助定位装置实现涡街发生体2和测试管1的固接。

所述测试管1管壁设置有与其相连通的内部固定有传输光线4的光纤法珀传感器3。所述传输光纤4包括单模光纤和多模光纤，用于实现光信号的传输。所述光纤法珀传感器3采用激光熔接形式实现法珀腔无胶封装，避免了温度压力交叉敏感，用于感测涡街频率，所述光纤法珀传感器3通过辅助连接装置与测试管1固定连接，安装方向与所述涡街发生体2相垂直，安装位置在所述涡街发生体2迎流面后侧两倍迎流面宽度距离内。所述辅助连接装置包括实现光纤法珀传感器3与测试管1连通固定的空心固接结构11，所述固接结构11可通过螺纹与测试管1固定连接，所述固接结构11内设置有空心支撑结构12，所述光纤法珀传感器3固定于支撑结构12的内部，所述支撑结构12和光纤法珀传感器3之间设置有密封填充材料层13，所述固接结构11和支撑结构12之间还可以设置有用于辅助紧固连接的垫片14和用于密封的密封圈15。

所述光纤法珀传感器3连接有环行器6，所述环行器6连接有光源5和光学信号解调系统7，所述光学信号解调系统7依次连接有线阵CCD相机8、数据采集系统9和信号处理单元10。所述光源5经过环行器6为光纤法珀传感器3提供光学信号，在所述光纤法珀传感器3法珀腔受到压力作用发生腔长变化后，反射光信号经环行器6在光学信号解调系统7中实现信号调制解调，通过测试法珀腔长变化获取压力变化。所述光学信号解调系统7包括沿光路由左至右依次设置的光学柱面准直镜、光学起偏器、光楔、检偏器和解调信号输出接口等，所述光学柱面准直镜实现光纤法珀传感器反射信号的校准，使其尽量垂直输入到光学起偏器中，所述光学起偏器完成光学信号寻常光O光和非寻常光E光的分离，实现偏振光提取，所述光楔实现光学信号的等厚干涉功能，完成空间低相干干涉信号的等效转换，所述检偏器实现干涉信号叠加，获取最大干涉强度信号，所述解调信号输出接口为光学解调信号的输出接口，与所述线阵CCD相机密封接触，避免外界自然光的干扰输入。所述数据采集系统实现对CCD信号的采集功能，并实现采集信号传输给后续信号处理单元，所述数据采集系统9型号包括但不局限于：NIDAQ——M系列或NIDAQ——X系列、嵌入式USB便携式多通道高频数据采集设备等。所述信号处理单元10包括嵌入式系统或工业计算机，用于实现光纤法珀传感器3测得压力与频率之间的转换，通过涡街流速测试中频率和流速关系最终实现管道流速的测试。

上述的基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置的测试方法，包括以下步骤：将测试管1通过法兰与被测管道固定连接，按照设计要求安装基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，打开光源5，所述光源5经过环行器6为光纤法珀传感器3提供光学信号。被测管道中的流体流经测试管1，当流体以一定流速冲击涡街发生体2时，在涡街发生体2后侧垂直于流速方向上产生一定频率性变化的涡街，涡街的频率性变化会导致测试管1内壁受到的压力发生频率性交变。所述光纤法珀传感器3将感测到的测试管1内壁受到的压力交变转化为光纤法珀传感器3法珀腔长的频率性变化，反射光信号经环行器6传递给光学信号解调系统7，法珀腔长的频率性变化进一步转化为光学低相干信号的频率性变化。所述光学信号解调系统7将光纤法珀传感器3法珀腔长的频率性变化解调为光学信号的空间低相干干涉图样，经线阵CCD相机8转换为电信号。经所述线阵CCD相机8转换后的电信号经数据采集系统9后输送给信号处理单元10，在信号处理单元10内，首先结合光纤法珀空间低相干信号与压力之间的数学关系，计算出光纤法珀传感器3感测到的压力信号的数值，然后结合fft等数学算法进行时域——频域信号转换，获取测试管1内壁受到的压力变化频率，也就是涡街脱离频率，最后根据涡街流速测试原理计算出测试管1内流体的流速，即为被测管道内流体的流速；其中，f_s为涡街脱离频率，S_t为斯特劳哈尔数，在大范围雷诺数R_e内，为常数，D_d为涡街发生体2迎流面宽度，单位为米，v为测试管1内流体的流速，单位为米每秒。

尽管上面结合附图对本发明的功能及工作过程进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体功能和工作过程，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，包括与被测管道相连接的测试管，所述测试管内部设置有涡街发生体，其特征在于，所述测试管管壁设置有与其相连通的内部固定有传输光线的光纤法珀传感器，所述光纤法珀传感器连接有环行器，所述环行器连接有光源和光学信号解调系统，所述光学信号解调系统依次连接有线阵CCD相机、数据采集系统和信号处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，其特征在于，所述光纤法珀传感器通过辅助连接装置与测试管固定连接，安装方向与所述涡街发生体相垂直，安装位置在所述涡街发生体迎流面后侧两倍迎流面宽度距离内。

3.根据权利要求2所述的一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，其特征在于，所述辅助连接装置包括与测试管连通固定的空心固接结构，所述固接结构内设置有内部用于固定光纤法珀传感器的空心支撑结构，所述支撑结构和光纤法珀传感器之间设置有密封填充材料层。

4.根据权利要求1所述的一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，其特征在于，所述涡街发生体设置为三棱柱或矩形棱柱或梯形棱柱或复合结构棱柱。

5.根据权利要求1所述的一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，其特征在于，所述涡街发生体迎流面宽度为测试管内径的0.2～0.4倍。

6.根据权利要求1所述的一种基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，其特征在于，所述测试管的内径和被测管道的内径相同。

7.一种权利要求1至6任意一项所述的基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将测试管与被测管道连接，安装基于光纤MEMS法珀微腔的流速测试装置，打开光源；

(2)被测管道中的流体流经测试管，流体冲击涡街发生体，产生涡街，测试管内壁受到的压力发生频率性变化；

(3)所述光纤法珀传感器将感测到的测试管内壁上的压力变化转化为光纤法珀传感器法珀腔长的频率性变化；

(4)所述光学信号解调系统将光纤法珀传感器法珀腔长的频率性变化解调为光学信号的空间低相干干涉图样，经线阵CCD相机转换为电信号；

(5)经所述线阵CCD相机转换后的电信号经数据采集系统后输送给信号处理单元，首先结合光纤法珀空间低相干信号与压力之间的数学关系，计算出光纤法珀传感器感测到的压力信号数值，然后结合fft算法进行时域——频域信号转换，获取测试管内壁上压力变化频率，也就是涡街脱离频率，最后根据涡街流速测试原理计算出测试管内流体的流速，即被测管道内流体的流速；其中，f_s为涡街脱离频率，S_t为斯特劳哈尔数，在大范围雷诺数R_e内，为常数，D_d为涡街发生体迎流面宽度，v为测试管内流体的流速。