CN106645793B - 一种基于聚合物光波导的流速传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于聚合物光波导的流速传感器，属于流场传感器及其制造技术领域。本发明可以用于航行器表面流场的高精度检测和反馈控制。本发明的流速传感器包括激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤、位敏探测器、信号处理系统和固定箱体；聚合物光波导和光纤输出端固定并直接耦合，光纤输入端则和激光光源及其驱动电路相连，共同固定在固定箱体上的一侧，位敏探测器和信号输出系统相连接，固定在固定箱体的对面侧上。固定箱体顶部设置通孔。本发明中聚合物光波导柔性非常好，同时可以传输光信号，流场的极小变化所引起的聚合物的小挠曲变形通过光路传播后可以在位敏探测器上放大变形量，从而实现高精度测量流场的流速。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于聚合物光波导的流速传感器，适合于航行器表面的流场检测与反馈控制，属于流场传感器及其制造技术领域。
背景技术
航行器是人类探索自然的重要工具，其表面的流场变化影响着它们的性能发挥。因此，实现航行器表面流场流速高精度监测具有重要意义。现有的流速传感器有热电式、电容式、压阻式、压电式等。这些类型的传感器普遍存在着受环境影响大，测量精度低、可靠性差等缺点。
光纤由于其测量精度高、抗干扰能力强等优点被越来越多的应用在流速传感领域。人们将光纤与传统流速测量方式，如压差式、涡轮式、涡街式，相结合，但存在着测量精度不高，光纤容易折断等问题。而使用光纤光栅的流速传感器也存在着结构复杂、成本高等问题，限制了其应用范围。
中国发明专利(公开号CN 104340587 A)公开了一种光纤流速传感器，该传感器使用杠杆和悬臂梁结构将液体冲击力转换成光纤的变形，利用光纤在弯曲状态下引起的弯曲损耗现象，通过检测弯曲光纤的输出光强来达到测量流速的目的。但是该传感器具有复杂的机械结构，体积大，可靠性差。此外，该传感器使用靶体测量冲击力，靶体面积大，对流场流速影响大，使得测量流速精度不高。
发明内容
本发明提供了一种基于聚合物光波导的流速传感器，可以用于航行器表面流场的高精度检测和反馈控制。
本发明提供的所述基于聚合物光波导的流速传感器，包括激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤、位敏探测器(PSD)、信号处理系统和固定箱体；它们之间的连接关系是：聚合物光波导在制造过程中和光纤输出端固定并直接耦合，光纤输入端则和激光光源及其驱动电路相连，共同固定在固定箱体上的一侧，位敏探测器(PSD)和信号输出系统相连接，固定在固定箱体的对面侧上，即与激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤相对布置。
当流场以速度v流动时，聚合物光波导由于具有较大的柔性，在流固耦合作用下随着流体的流动而发生挠曲变形，相对于原位置发生角度θ的变形且变形方向与流动方向一致；聚合物光波导传输单色光光路随之发生变化。位敏探测器(PSD)上形成光斑的位置也会随之发生变化。利用位敏探测器和信号处理系统可以得到光斑偏移信息；从而可以得到聚合物光波导挠曲变形情况，由此可以得到流场的流速信息。
所述的激光光源及其驱动电路，用于产生导入光纤和聚合物光波导的单色光。
所述的聚合物光波导，呈扁平状。内芯为折射率较高的柔性材质，外层为折射率较低的柔性材质，一端固定在光纤端部并直接耦合，一端为自由端可随流体的流动、在流固耦合作用下而发生挠曲。
所述的光纤，一端与聚合物光波导固定并直接耦合，另一端与激光光源及其驱动电路连接。
所述的聚合物光波导通过如下方式制备得到：
在光纤上先制备折射率高的内芯柔性材料，再制备折射率低的外层柔性材料；切掉端面，通过湿法刻蚀光纤，刻蚀掉光纤的长度根据聚合物光波导的长度设置；最后挤压键合刻蚀掉光纤部分的内芯柔性材料，使两部分内芯柔性材料合为一体，制作而成聚合物光波导，具有内芯和外层的扁平状结构。
所述的位敏探测器(PSD)，位于聚合物光波导对面侧，用于探测聚合物光波导的变形量。
所述的信号处理系统，与位敏探测器(PSD)相连，用于放大PSD的信号，并给出聚合物光波导的变形量信息。
所述的固定箱体，用于固定激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤、位敏探测器(PSD)等，在所述的固定箱体的顶部具有开孔，用于流体的通过。
本发明还提供一种基于聚合物光波导的流速传感器阵列，所述的传感器阵列是在固定箱体的顶部沿流体流速方向和垂直流体流速方向设置等间距的多个通孔形成通孔阵列，在沿流体流速方向上的任意两个通孔之间设置一个流速传感器，形成流速传感阵列；或者在固定箱体的顶部沿流体流速方向设置等间距的多个通孔，任意两个通孔之间设置一个流速传感器，一个或多个相同的固定箱体垂直于流体流速方向并排设置，一个或多个固定箱体内的通孔和流速传感器位置对应，形成流速传感器阵列。
本发明提供的一种基于聚合物光波导的流速传感器具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种基于聚合物光波导的流速传感器，核心组成是聚合物光波导和位敏探测器(PSD)。位敏探测器(PSD)与聚合物光波导相对布置。该传感器可以实现对流场流速的检测。
(2)本发明提供的聚合物光波导呈扁平状，内芯为折射率较高的柔性材质，外层为折射率较低的柔性材质，一端固定在光纤端部并直接耦合，一端为自由端可随流体的流动在流固耦合作用下而发生挠曲。聚合物光波导柔性非常好，同时可以传输光信号，可以将很小的流速通过光路变化转换成较大的信号输出。
(3)位敏探测器具有很高的分辨率和响应速度。流场的极小变化所引起的聚合物的小挠曲变形通过光路传播后可以在位敏探测器上放大变形量，从而实现高精度测量。
附图说明
图1为本发明中一种基于聚合物光波导的流速传感器结构示意图。
图2为图1中A-A剖面图。
图3为本发明中流速传感器的一个应用实施例的结构布置示意图。
图4为图3中流速传感阵列的的侧视图。
图5为本发明中聚合物光波导的制造方法的过程示意图。
图中：
1.激光光源及其驱动电路；2.光纤；3.聚合物光波导；
4.位敏探测器(PSD)；5.信号处理系统；6.固定箱体；7.通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供的基于聚合物光波导的流速传感器的一个实施例如图1和图2所示，图1是所述的基于聚合物光波导的流速传感器的主视图，图2是图1在A-A方向的剖视图，显示位敏探测器PSD上光斑移动情况。所述的基于聚合物光波导的流速传感器包括设置在固定箱体6内的激光光源及其驱动电路1、光纤2、聚合物光波导3、位敏探测器(PSD)4和信号处理系统5。所述的聚合物光波导3在制造过程中和光纤2输出端固定并直接耦合，光纤2输入端则和激光光源及其驱动电路1相连，它们共同固定在固定箱体6上的一侧。位敏探测器(PSD)4和信号处理系统5相连接，固定在固定箱体6的对面侧上，即与激光光源及其驱动电路1、聚合物光波导3、光纤2相对布置，位敏探测器4用于接收和显示聚合物光波导3的光斑。
所述激光光源及其驱动电路1，用于产生导入光纤2和聚合物光波导3的单色光。
所述聚合物光波导3，呈扁平状。内芯为折射率较高的柔性材质，外层为折射率较低的柔性材质，一端固定在光纤2输出端部并直接耦合，另一端为自由端可随流体流动，在流固耦合作用下发生挠曲。
所述光纤2，输出端与聚合物光波导3固定并直接耦合，输入端与激光光源及其驱动电路1连接。用于连接聚合物光波导3，并将激光光源发出的单色光传播到聚合物光波导3。
所述位敏探测器(PSD)4，位于聚合物光波导3对面侧，用于显示和接收聚合物光波导3的光斑，探测聚合物光波导3的位移变形量。
所述信号处理系统5，与位敏探测器(PSD)4相连，用于放大PSD的信号，并给出聚合物光波导3的变形量信息。
所述固定箱体6，为半圆形或矩形截面、顶部等间隔开有通孔7的柱形空腔，可以使用聚甲基硅氧烷(PDMS)浇筑模具制成,用于固定激光光源及其驱动电路1、聚合物光波导3、光纤2、位敏探测器(PSD)4等。顶部可由激光等距离开孔，将外部流体压差转换为微腔体内部流体流动。所述通孔7的轴向垂直与聚合物光波导3的轴向，并且在所述的聚合物光波导3的前后位置各设置至少一个通孔7。
下面以液态流场为例详述本发明提供的一种基于述聚合物光波导流速传感器工作原理。
将本发明的基于聚合物光波导的流速传感器放入液态流场中。当流场以速度v流动时，流体通过固定箱体6顶部的通孔7进入固定箱体6内部，聚合物光波导3由于具有较大的柔性，在流固耦合作用下随着流体的流动而发生挠曲变形，相对于原位置发生角度θ的变形且变形方向与流动方向一致。如图1和图2所示，聚合物光波导3传输单色光光路随之发生变化。布置在对面侧的位敏探测器(PSD)4可以接收光信号，经单色光照射可以形成光斑。当光路因为聚合物光波导3变形而发生变化时，位敏探测器(PSD)4上形成光斑的位置也会随之发生变化，如图2。利用位敏探测器(PSD)4实时的将光斑位置传送给信号处理系统5，信号处理系统5可以得到光斑偏移信息；从而可以根据光斑偏移信息得到聚合物光波导3挠曲变形情况，由此可以得到流场的流速信息。
使用本发明提供的流速传感器进行流体流速测量的一个实施例，如图3和图4所示。在固定箱体6的顶部沿流体流速方向和垂直流体流速方向设置等间距的多个通孔7形成通孔阵列，在沿流体流速方向上的任意两个通孔7之间设置一个流速传感器，形成流速传感阵列。也可以在固定箱体6的顶部沿流体流速方向设置等间距的多个通孔7，任意两个通孔之间设置一个流速传感器，一个或多个相同的固定箱体6垂直于流体流速方向并排设置，一个或多个固定箱体6内的通孔7和流速传感器位置对应，形成流速传感器阵列。所述流速传感器阵列中，每一个聚合物光波导3可以分别由单独的一个激光光源及驱动电路提供光源，由单独的一个位敏探测器4接收光信号；也可以是流速传感器阵列中所有聚合物光波导3共用一个激光光源及驱动提供光源，共用一个位敏探测器4接收光信号。
本发明中采用的聚合物光波导3的制造方法的一个实施例，制作过程如图5(a)～(e)所示，所述聚合物光波导3的内芯/外层的材质选择可以为N型派瑞林/C型派瑞林(Parylene N/Parylene C)。具体的制作方法包括：在光纤2上先沉积折射率高的内芯柔性材料N型派瑞林(Parylene N)，得到如图5(a)的侧面和截面形式；再沉积折射率低的外层柔性材料C型派瑞林(Parylene C)，得到如图5(b)的侧面和截面形式；切掉端面，得到5(c)所示截面；然后通过湿法刻蚀光纤，刻蚀掉光纤的长度根据聚合物光波导的长度设置，得到如图5(d)所示结构；最后挤压键合刻蚀掉光纤部分的内芯柔性材料，使两部分内芯柔性材料合为一体，制作而成如图5(e)所示的聚合物光波导3，具有内芯和外层的扁平状结构。
本发明中聚合物光波导的制造方法还可以采用蘸涂法，首先选取聚合物光波导的内芯/外层的材质为聚二甲基硅氧烷PDMS-A/PDMS-B。具体制备方法为：首先在光纤2上蘸涂PDMS-A，固化后再蘸涂PDMS-B，再固化后湿法刻蚀光纤2，最后挤压键合PDMS-A内芯制作而成。所述的PDMS-A是指预聚物和交联剂的质量比例为5:1；所述的PDMS-B是指预聚物和交联剂的质量比例为10:1。
本发明中聚合物光波导的内芯/外层材料还可以选择ZPU12-450和ZPU12-430。
所述的聚合物光波导3，内芯材料的折射率大于外层材料的折射率。应用时，将扁平结构的一侧正对流体流速方向，以便增加聚合物光波导3与流体的接触面积,以增加聚合物光波导偏移进而增大灵敏度。
Claims (5)
1.一种基于聚合物光波导的流速传感器，其特征在于：包括设置在固定箱体上的激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤、位敏探测器和信号处理系统；聚合物光波导在制造过程中和光纤输出端固定并直接耦合，光纤输入端则和激光光源及其驱动电路相连，共同固定在固定箱体上的一侧，位敏探测器和信号输出系统相连接，固定在固定箱体的对面侧上；固定箱体顶部设置通孔；当流场以速度v流动时，流体通过通孔进入固定箱体内部，聚合物光波导在流固耦合作用下随着流体的流动而发生挠曲变形，相对于原位置发生角度θ的变形且变形方向与流动方向一致；聚合物光波导传输单色光光路随之发生变化；位敏探测器上形成光斑的位置也会随之发生变化；利用位敏探测器和信号处理系统得到光斑偏移信息；从而得到聚合物光波导挠曲变形情况，由此得到流场的流速信息；
所述的聚合物光波导，呈扁平状；内芯为折射率较高的柔性材质，外层为折射率较低的柔性材质，一端固定在光纤端部并直接耦合，一端为自由端可随流体的流动、在流固耦合作用下而发生挠曲；
所述的聚合物光波导通过如下方式制备得到：
在光纤上先制备折射率高的内芯柔性材料，再制备折射率低的外层柔性材料；切掉端面，通过湿法刻蚀光纤，刻蚀掉光纤的长度根据聚合物光波导的长度设置；最后挤压键合刻蚀掉光纤部分的内芯柔性材料，使两部分内芯柔性材料合为一体，制作而成聚合物光波导，具有内芯和外层的扁平状结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光波导的流速传感器，其特征在于：所述的内芯和外出柔性材料通过沉积或者蘸涂的方法制备在所述的光纤上。
3.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光波导的流速传感器，其特征在于：所述的内芯材料的折射率比外层材料的折射率高0.1％～5％。
4.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光波导的流速传感器，其特征在于：所述的内芯和外层柔性材料分别为N型派瑞林和C型派瑞林，或者聚二甲基硅氧烷PDMS-A和PDMS-B，或者ZPU12-450和ZPU12-430；所述的PDMS-A是指预聚物和交联剂质量比为5:1，PDMS-B是指预聚物和交联剂质量比为10:1。
5.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光波导的流速传感器，其特征在于：所述通孔的轴向垂直与聚合物光波导的轴向，并且在所述的聚合物光波导的前后位置各设置至少一个通孔；聚合物光波导的扁平结构的一侧正对流体流速方向。
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