CN106404269A - 一种光纤差分干涉的压力测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光纤差分干涉的压力测量装置及方法，包括光纤激光单元、光纤耦合单元、反射差分单元、光纤扩束准直单元、光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；其中，反射差分单元为特殊结构设计的反射位相光栅，用于实现对反射光波的剪切。反射位相光栅一个周期内包含两个非透光部分和两个反射光部分，其中两个反射光部分包含直接反射部分(无相位延迟)和π相位延迟反射部分；反射位相光栅占空比为1/2，即非透光部分与反射光部分的尺寸大小之比为1/2。利用本发明装置，可以实现高温、高腐蚀的压力测量，具有抗电磁干扰和抗辐照等优势。另外，结合压差型流量计本发明可以实现高温介质流量测量。
Description
技术领域
本发明属于热工流体测量领域，涉及一种光纤差分干涉的压力测量装置及方法。
背景技术
压力流量的测量在工业生产和过程控制中占有重要地位，其在电厂、冶金、航空、机械及核反应堆等领域均有广泛应用需求。随着科学技术的发展,测量对象的日益增多，对压力的测量要求也越来越高，如高温介质压力测量。目前测量气体或水介质的常规压力仪表是不能胜任高温液态金属压力测量，尤其液态重金属反应堆中高温液态重金属对压力的测量要求更高，其面临高温、腐蚀、辐照等恶劣环境。目前报道的钠堆中一般采用充有钠钾合金的膜片式压力计可以用来测量液态钠的压力，然而，压力输出特性对于充有钠钾合金的毛细管的变化是很敏感的。
目前常用的电类压力传感单元有压阻式、压电式、电容式等压力传感单元，分别采用Si(SiC)、压电材料等为弹性传感元件感知压力的变形，并通过后续惠更斯电桥或电容极板将信号转化为电信号。其中，SiC具备很好的抗热塑性变形(达到1000℃左右)，目前作为高温压阻式压力传感单元的使用材料之一。前述的电类传感单元电类传感单元采用电信号进行传输，一般在高温、高压、腐蚀、电磁干扰的恶劣环境下难以长期稳定工作，而且一些需要克服温度对测量的影响而进行补偿处理。
光纤传感技术具有高灵敏度、耐高温高压、抗环境干扰、抗电磁干扰、光纤信号传输能耗低等优点而受到测量领域研究的青睐，具有克服电类压力传感单元的不足。光纤压力传感技术可分为传感型光纤传感器和传光型光纤压力传感器。前者主要将外界压力作用下对光纤自身的某些光学特性(光强，相位、偏振态、波长)进行调制，调制区在光纤之内。传光型光纤传感器借助其他光学敏感元件来完成传感功能，调制区在光纤之外，光纤只起传输作用。目前光纤压力传感技术研究比较多，主要代表性研究有光纤Bragg光栅压力传感器(如专利US20150141843A1和WO2000033046A1所报道)以及光纤干涉型压力传感器，后者主要结合光纤传感和传统的干涉技术，比如光纤迈克尔逊(Michelson)干涉仪(如专利CN201010272269.7)，光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot)干涉仪(如专利US6078706和US20150141843所报道)。然而，目前前述的光纤Bragg光栅压力传感器长期在高温环境下还有退化问题，前述的光纤干涉型压力传感器一般为非共光路干涉仪，容易受背景环境因素的影响，从而影响测量准确性；另外，温度的影响需要通过一定的技术手段进行补偿。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有压力测量方法存在不足的问题，提供一种光纤差分干涉的压力测量装置及方法，可以实现高温、高腐蚀的压力测量，具有抗电磁干扰和抗辐照等优势。另外，结合压差型流量计本发明可以实现高温介质流量测量。
本发明所采用的技术方案如下：一种光纤差分干涉的压力测量装置，包括光纤激光单元、光纤耦合单元、反射差分单元、光纤扩束准直单元、光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；
光纤激光单元发出的光波经过光纤传输至光纤耦合单元后并传输至光纤扩束准直单元；
光纤扩束准直单元与反射差分单元相连，并用于照射反射差分单元；反射差分单元与引压管相连，引压管与密闭管道相连；反射差分单元受密闭管道内流体流至引压管的压力影响产生而变形，表现为对反射差分单元的±1级反射光中分别引入位相变化；
光电探测单元与存储单元相连，用于采集来自反射差分单元的±1级衍射光所形成的差分干涉图并传输给存储单元；
存储单元与信号处理单元相连，用于存储光电探测单元传输过来的差分干涉图，以及用于存储信号处理单元传输过来的压力值对应的位相信息及压力信息；信号处理单元用于根据存储单元存储的差分干涉图计算测量点的压力在干涉图中所引入的位相信息，进而计算得到压力值。所述反射差分单元为特殊结构设计的反射位相光栅，用于实现对反射光波的剪切；反射位相光栅一个周期内包含两个非透光部分和两个反射光部分，其中两个反射光部分包含直接反射部分即无相位延迟和π相位延迟反射部分；而且两个非透光部分尺寸相同，直接反射部分和π相位延迟反射部分尺寸相同；
所述反射位相光栅基底材料采用SiC，非透光部分利用镍铬合金膜，反射位相光栅中直接反射部分材料采用SiC，π相位延迟反射部分采用蓝宝石(Al2O3)，厚度为d＝nλ/4,d为蓝宝石厚度，n为蓝宝石折射率，λ为光波波长。
所述反射位相光栅占空比为1/2，即非透光部分与反射光部分的尺寸大小之比为1/2。
一种利用所述光纤差分干涉的压力测量装置的测量方法，具体步骤为：
步骤一、光纤扩束准直单元出射光束照射反射差分单元，反射差分单元对入射光波实现反射，均产生±1级反射光；反射差分单元的SiC基底受流体压力产生而变形，表现为对反射差分单元的±1级反射光中分别引入位相变化为和
步骤二、光纤耦合单元对±1级反射光经进行耦合干涉形成差分干涉图，并由光电探测单元采集接收。
步骤三、信号处理单元对光电探测单元采集的差分干涉图进行处理，获得对应流体压力信息的位相值的2倍，即根据压力和压力在差分干涉图中引入位相的关系，进一步计算获得压力值P。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明检测装置中采用特殊结构设计的反射位相光栅作为反射差分单元，使得光波经过反射差分单元后的能量主要集中在±1级反射光波中，消除±3级及其倍数级反射光对检测的影响，从而可以提高检测精度；
(2)本发明检测装置通过±1级反射光波的差分干涉获得位相差值为压力值引入位相值的2倍，提高了测量信噪比，进而可以提高测量精度；另外，本装置为共光路干涉，可以消除传输路径对±1级引入额外位相差的影响；
(3)相对于现有压力测量方法，由于本发明检测装置采用光纤进行光波信号传输，传感单元利用反射位相光栅且基底采用高温SiC材料(约1000℃)作为弹性元件，可以实现高温，高腐蚀的压力测量，具有抗电磁干扰和抗辐照等优势，从而也可以应用到液态重金属反应堆内压力的测量；
(4)本发明装置可以拓展为两光路实现压差测量，与现有压差型流量计(如文丘里管)结合，同样可以实现高温，高腐蚀的介质流量测量，具有抗电磁干扰和抗辐照等优势，另外，可以应用液态重金属反应堆流量测量。
附图说明
图1为本发明装置的工作原理示意图；
图2为反射位相光栅平面示意图；
图3为反射位相光栅主视结构示意图。
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详细说明。
首先设定光纤激光光源出射光束的传播方向为z轴，并以z轴建立左手坐标系，则水平向右方向为x轴，垂直图面方向y轴。
如图1所示，本发明提出了一种光纤差分干涉的压力测量装置应用密闭管道内压力测量原理示意。其中101-待测流体管道。另外，本发明检测装置包括：光纤激光光源201、光纤耦合单元202、光纤扩束准直单元203、反射差分单元204、光电探测单元205、存储单元206、运算单元207、光纤208，引压管209。
其中，反射差分单元204-为特殊结构设计的反射位相光栅，用于实现对反射光波的剪切，反射差分单元204平面示意图如图2所示。反射位相光栅一个周期内包含非透光部分A1和A2(图2中黑色部分)，以及两个反射光部分，其中两个反射光部分分别为直接反射部分B1(无相位延迟)和π相位延迟反射部分B2(图2中白色部分)；而且，两个非透光部分A1和A2的尺寸相同，直接反射部分B1和π相位延迟反射部分B2的尺寸相同。反射位相光栅占空比为1/2，即非透光部分A1(或A2)与反射光部分B1(或B2)的x方向尺寸大小之比为1/2。
对本发明所采用的反射位相光栅原理如下：
设x方向反射位相光栅非透光部分为a,反射部分的宽度为b，反射位相延迟为θ。
根据傅里叶变换理论得到x方向反射位相光栅的反射光强度分布如公式(1)所示：
其中n为反射光级次。
从公式(1)中可以看出：当相邻透光部分的相位差θ＝π，此时反射位相光栅反射中的0级及所有偶数级次衍射光均消失；当a/(a+b)＝2/3，即a/b＝1/2时，反射位相光栅衍射反射光中的±3级及±3的倍级衍射光均消失，反射位相光栅将入射的光波主要反射成±1级衍射光。
反射差分单元204的基底材料采用SiC，非透光部分利用镍铬合金膜，反射位相光栅中直接反射部分材料同基底材料，相位延迟反射部分采用蓝宝石(Al2O3)，如图3所示。
根据图3，假设反射位相光栅中相位延迟反射部分厚度为d引入位相为θ，则相对于直接反射部分，根据光程差与位相之间的关系，得到引入的位相延迟计算公式如下所示：
其中，r为延迟部分材料折射率，λ为光波波长。
根据前面分析可知，位相延迟为θ＝π，从而结合公式(2)计算得到相位延迟反射部分的蓝宝石厚度选取公式为：
d＝nλ/4 (3)
根据图1，光纤激光单元201发出的光波经过光纤208传输至光纤耦合单元202后并传输至光纤扩束准直单元203；
光纤扩束准直单元203与反射差分单元204相连，并用于照射反射差分单元204；反射差分单元204与引压管209相连，引压管209与密闭管道101相连；反射差分单元204的SiC基底受密闭管道101内流体流至引压管的压力影响产生而变形，表现为对反射差分单元204的±1级反射光中分别引入位相变化。
光电探测单元205与存储单元206相连，用于采集来自反射差分单元的±1级衍射光所形成的差分干涉图并传输给存储单元206；
存储单元206与信号处理单元207相连，用于存储光电探测单元205传输过来的差分干涉图，以及用于存储信号处理单元207传输过来的压力值对应的位相信息及压力信息；
信号处理单元207用于根据存储单元206存储的差分干涉图计算测量点的压力值。
利用本发明压力测量装置进行压力测量的方法为：
步骤一、光纤扩束准直单元203出射光束照射反射差分单元204，反射差分单元204对入射光波实现反射，均产生±1级反射光；反射差分单元204的SiC基底受流体压力产生而变形，表现为对反射差分单元204的±1级反射光中分别引入位相变化为和
步骤二、光纤耦合单元202对±1级反射光经进行耦合干涉形成差分干涉图，并由光电探测单元205采集接收。
步骤三、信号处理单元207对光电探测单元205采集的差分干涉图进行处理，获得对应流体压力信息的位相值的2倍，即根据压力和其引入位相的关系，进一步计算获得压力值P。
另外，本发明装置可以拓展为两光路实现压差测量，与现有压差型流量计(如文丘里管)结合，同样可以实现高温，高腐蚀的介质流量测量，具有抗电磁干扰和抗辐照等优势，可以应用液态重金属反应堆流量测量。
虽然结合了附图描述了本发明的具体实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种光纤差分干涉的压力测量装置，其特征在于：包括光纤激光单元、光纤耦合单元、反射差分单元、光纤扩束准直单元、光电探测单元、存储单元以及信号处理单元；
光纤激光单元发出的光波经过光纤传输至光纤耦合单元后并传输至光纤扩束准直单元；
光纤扩束准直单元与反射差分单元相连，并用于照射反射差分单元；反射差分单元与引压管相连，引压管与密闭管道相连；反射差分单元受密闭管道内流体流至引压管的压力影响产生而变形，表现为对反射差分单元的±1级反射光中分别引入位相变化；
光电探测单元与存储单元相连，用于采集来自反射差分单元的±1级衍射光所形成的差分干涉图并传输给存储单元；存储单元与信号处理单元相连，用于存储光电探测单元传输过来的差分干涉图，以及用于存储信号处理单元传输过来的压力值对应的位相信息及压力信息；
信号处理单元用于根据存储单元存储的差分干涉图计算测量点的压力对干涉图所引入的位相信息，进而计算得到压力值。
2.根据权利要求1所述的一种光纤差分干涉的压力测量装置，其特征在于：所述反射差分单元为特殊结构设计的反射位相光栅，用于实现对反射光波的剪切；反射位相光栅一个周期内包含两个非透光部分和两个反射光部分，其中两个反射光部分包含直接反射部分即无相位延迟和π相位延迟反射部分；而且两个非透光部分尺寸相同，直接反射部分和π相位延迟反射部分尺寸相同。
3.根据权利要求2所述的一种光纤差分干涉的压力测量装置，其特征在于：所述反射位相光栅基底材料采用SiC，非透光部分利用镍铬合金膜，反射位相光栅中直接反射部分材料采用SiC，π相位延迟反射部分采用蓝宝石(Al2O3)，厚度为d＝nλ/4,d为蓝宝石厚度，n为蓝宝石折射率，λ为光波波长。
4.根据权利要求2所述的一种光纤差分干涉的压力测量装置，其特征在于：所述反射位相光栅占空比为1/2，即非透光部分与反射光部分的尺寸大小之比为1/2。
5.一种利用权利要求1所述的光纤差分干涉的压力测量装置的测量方法，其特征在于包括下列步骤：
步骤一、光纤扩束准直单元出射光束照射反射差分单元，反射差分单元对入射光波 实现反射，均产生±1级反射光；反射差分单元的SiC基底受流体压力产生而变形，表现为对反射差分单元的±1级反射光中分别引入位相变化为和
步骤二、光纤耦合单元对±1级反射光经进行耦合干涉形成差分干涉图，并由光电探测单元采集接收；
步骤三、信号处理单元对光电探测单元采集的差分干涉图进行处理，获得对应流体压力信息的位相值的2倍，即根据压力和压力在差分干涉图中引入位相的关系，进一步计算获得压力值P。
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