CN108037308A - 一种基于游标效应的级联iffpi风速传感器及其检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种级联IFFPI风速传感器，包括导入单模光纤、传感FPI、连接单模光纤、参考FPI和导出单模光纤，在此基础上，提出一种风速检测装置，包括风杯、转轴、弹簧、支撑杆、滑块、宽谱光源、环行器、解调仪和基座。所述级联IFFPI风速传感器是通过检测两级联IFFPI产生游标干涉条纹的变化，通过事先的标定和校准确定条纹波长漂移量与风速的对应关系，从而实现风速的实时在线监测。本发明具有抗电磁干扰、结构简单、可远程测量等优点，解决了传统风速传感器灵敏度低、动态测量范围小等技术问题，对于远距离，高温高压等恶劣环境的风速监测具有极高的实用性。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种基于游标效应的级联IFFPI(Intrinsic Fiber Fabry Perot Interferometer)风速传感器及其检测装置。
背景技术
风速作为生产、气象、民航、电力、国防、交通运输等领域的重要信息参数，其检测技术近年来受到人们的广泛关注与研究。如何开发高性能、质量稳定可靠、测量灵敏度和精度高、测量范围广的微型化风速传感器一直是人们研究的重点和难点。相比于传统机械式、电信号类风速传感器存在易受电磁干扰、长期稳定性差、需持续供电、传输距离短等缺点。光纤传感器存在许多独特优势，如体积小、重量轻、耐腐蚀、不受电磁干扰、测量精度高、易于长距离传输等。因此，光纤传感器实现对风速的实时在线监测是现在研究的热点。
基于多光束干涉原理的本征型光纤法布里－珀罗干涉(IFFPI)传感器具有体积小、结构紧凑、抗电磁干扰、耐恶劣环境等优点，应用前景十分广阔。游标效应是一种常见的光学传感增敏原理，它通过将具有周期性滤波特性光学干涉仪级联，实现双重滤波，产生周期性游标干涉条纹，当级联干涉仪受到外界传感信号调制时，其物理参数(例如腔长、折射率、条纹精细度)将发生改变，从而使游标干涉条纹发生急剧变化(包络条纹的漂移量远大于干涉仪自身光谱条纹漂移量)。当前存在一些光纤风速传感器如：基于光纤光栅(FBG)波长计数法、基于悬臂梁式微弯损耗测量法等，它们都或多或少存在诸如：设计复杂、响应速度慢、灵敏度低以及动态测量范围小等缺点。因此，设计一款高性能光纤风速传感器显得十分重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于游标效应的级联光纤FPI风速传感器，用于解决传统风速传感器灵敏度低、动态测量范围小等技术问题，对于远距离，高温高压等恶劣环境的风速监测具有极高的实用性。
为达到上述要求，本发明提供一种级联IFFPI风速传感器，其特征在于，包括导入单模光纤、传感FPI、连接单模光纤、参考FPI和导出单模光纤；其中：
所述导入单模光纤一端接用于外接光环行器，另一端接传感FPI，用于向传感FPI馈入高平坦宽谱光；所述光环行器是一种多端口非互易光学器件，光信号只能沿1→2→3→4→1端口方向传输，反方向是隔离的；
传感FPI设在导入单模光纤和连接单模光纤之间，用于感知轴向应变和实现一次滤波；滤波用于选择所需波长光信号而滤除其他波段干扰光；
连接单模光纤设在传感FPI和参考FPI之间，用于将传感FPI透射光送入参考FPI的腔内；
参考FPI设在连接单模光纤和导出单模光纤之间，用于感知轴向应变和实现二次滤波；
导出单模光纤一端接参考FPI用于形成级联IFFPI风速传感器第四反射面(空气-玻璃端面)，另一端在使用时外接离心力-应力转化物件，同时起到固定级联IFFPI风速传感器作用；
所述导入单模光纤、连接单模光纤和导出单模光纤结构和参数相同，均为普通标准单模光纤；所述传感FPI和参考FPI结构相同，均为中空的圆柱状结构，可以是毛细石英管，内腔直径大于所述单模光纤纤芯直径。
进一步的，所述传感FPI和参考FPI通过选择不同腔长，实现自由光谱范围(FSR)细微差异，从而产生光学游标效应；腔长要求具有细微差异，相差太大游标干涉条纹不明显，最终使得灵敏度放大倍数降低，相同则无法产生游标干涉条纹；光学游标效应是一种常见的光学传感增敏原理，它通过将具有周期性滤波特性光学干涉仪级联，实现双重滤波，产生周期性游标干涉条纹，当级联干涉仪受到外界传感信号调制时，其物理参数如腔长、折射率、条纹精细度将发生改变，从而使游标干涉条纹发生急剧变化；光学游标效应中包络条纹的漂移量远大于干涉仪自身光谱条纹漂移量。
基于所述级联IFFPI风速传感器，本发明提出一种风速检测装置，包括风速-应变转化装置和所述级联IFFPI风速传感器；所述风速-应变转化装置包括流线型风杯、转轴、弹簧、支撑杆、滑块、宽谱光源、环行器、解调仪和基座；其中：
所述基座设有轴承，用于安装转轴；所述转轴垂直设在基座上；所述风杯通过连接杆固定在转轴上部，用于接受风力，带动转轴旋转；
所述转轴设有与其垂直的水平支撑杆；所述水平支撑杆根部固定在转轴上，末端设有滑块，其可沿支撑杆左右滑动；所述滑块与转轴之间，设有级联IFFPI风速传感器，该传感器的导出单模光纤接滑块，导入单模光纤接转轴用于感知滑块和转轴间轴向应力；所述宽谱光源与环行器第一端口相连，用于向级联IFFPI风速传感器提供C+L波段范围内增益强度均匀的泵浦探测光；所述级联IFFPI风速传感器通过导入单模光纤接环形器第二端口，用于接收宽谱光，并向环行器回馈反射光信号；所述解调仪输入端与环行器第三端口相连，用于接收级联IFFPI风速传感器反射传感光信号，并进行相关解调求出对应风速大小。
进一步的，滑块与转轴之间，设有弹簧；弹簧用于将较大的离心力转化为较小轴向应力，防止滑块高速运动，造成所述级联IFFPI风速传感器过载，以免损坏级联IFFPI风速传感器。
进一步的，所述弹簧弹性系数和预紧力可以调整，即劲度系数可调的弹簧，以适应不同的测量条件，从而使得所述级联IFFPI风速传感器的测量灵敏度和动态范围均可调谐。
进一步的，所述的风速检测装置，工作时，由于级联IFFPI风速传感器空气-玻璃端面，包括四个空气-玻璃端面的折射率不匹配会产生菲涅尔反射，宽谱探测光通过两个级联的传感FPI和参考FPI时，来自传感FPI和参考FPI的反射干涉谱会在导入光纤相遇叠加，产生游标干涉条纹；由于最终要实现反射光谱的测量，故叠加后的反射干涉谱从导入光纤经光环行器传输至解调设备；自由光谱范围(FSR)细微差异，会导致干涉谱叠加，产生游标效应，故称“游标干涉条纹”；当风杯受到风力作用时会带动转轴旋转，支撑杆上的滑块做离心运动拉伸弹簧，同时给予级联IFFPI风速传感器轴向应变作用，改变级联IFFPI风速传感器两个FPI的腔长差，使得游标干涉条纹发生漂移，通过事先的校准和标定可以确定包络条纹波长漂移量与风速的对应关系，通过检测游标条纹波长的漂移来实现风速的实时在线监测。
进一步的，所述风杯为流线型设计，以利于降低流动分离，减小压差阻力。
进一步的，所述解调仪为高精度光纤解调仪，能实时在线显示各时刻的游标干涉谱位置、风速测量值大小、测量误差等信息。
进一步的，所述宽谱光源为基于放大自发辐射原理、波长范围涵盖C+L波段的高增益平坦的ASE光源。
本发明所述的基于游标效应的级联IFFPI风速传感器及其检测装置突出优点是：
1、采用光谱解调，对于光源相干性要求不高、对光源频率功率抖动不敏感、不受传输链路各器件损耗的影响。
2、由于游标干涉条纹的漂移远大于单个干涉仪波长漂移量，系统测量灵敏度极大提高，测量动态范围更广，测量精度更高。
3、由于IFFPI采用毛细管结构，内部空气对温度的敏感性极差，且传感器采用特殊的涂覆与封装，使其能稳定工作与高温高压环境中，且抗电磁干扰。
4、由于采用简单的全光纤式结构，质量轻、成本低，可远程测量等。
附图说明
图1为本发明所述光纤风速传感器的风速-应变转化装置图；
图2为本发明所述光纤风速传感器结构图；
图3为本发明所述光纤风速传感器检测装置；
其中1——流线型风杯，2——保护端帽，3——转轴，4——支撑杆，5——弹簧，6——滑块，7——基座，8——风速传感器，9——导入单模光纤，10——传感FPI，11——连接单模光纤，12——参考FPI，13——导出单模光纤，14——宽带光源，15——光环行器，16——解调仪。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
作为一种实施方式，传感器和风速转化装置可以经过精密机械加工工艺，设计成高性能微型化风速传感器如图1所示：组件1-8经过精密设计与加工后按如图1所式进行组装和调试，其中流线型风杯1互成120°方向，此处理可保证最佳风力受力面积；弹簧5的劲度系数可调节，可使得风速测量灵敏度和动态范围均可调谐；转轴3与基座7之间通过高性能、动摩擦因数极小轴承进行连接；风速传感器8封装后连接在转轴3与滑块6之间，呈水平伸直状态，流线型风杯1受到风力作用带动转轴3转动，使得滑块6在光滑水平支撑杆4上做快速离心运动，从而使弹簧5和风速传感器8同时受到拉伸，最终使风力转化为风速传感器8轴向应力。
如图2所示，为所述级联IFFPI风速传感器，具体设计与制作过程如下：用光纤切割刀将导入单模光纤(9)和传感FPI(10)端面进行平整化处理，用光纤熔接机(FSM-80S)将两者进行熔接处理(熔接参数如放电时间、放电功率等已优化达到最佳状态，从而保持熔接点的机械强度，避免熔接塌陷)，重复上述过程，将连接单模光纤(11)、参考FPI(12)、导出单模光纤(13)依次熔接，并进行特殊涂覆(如聚亚酰胺)，用以增强抗腐蚀能力、抗划伤能力等，最后进行封装处理(如高强度石英管)，以提高风速传感器的抗高温高压能力。所述级联IFFPI风速传感器制作完成后进行了相应的应力、压强、温度测试，从中选择光学性能优良(条纹对比度高、精细度好等)的风速传感器用于涂覆、封装处理，最后安装在转化装置上。
如图3所示，宽谱光源14发出的高增益平坦探测光通过光环行器15进入到光纤风速传感器8，由两个级联的FPI产生的叠加的多光束游标干涉谱再次经过光环行器15后进入高精度光纤解调仪16进行相关解调处理。
实施中，根据实际监测需要确定各部件组合方式。如果是远程测量，则将所述风速传感器固定于待测环境中，解调设备置于机房进行相关解调与实时在线监测；如果是直接测量风速，可将各部件集成到一起，做成便携式高性能风速检测仪。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种级联IFFPI风速传感器，其特征在于，包括导入单模光纤(9)、传感FPI(10)、连接单模光纤(11)、参考FPI(12)和导出单模光纤(13)；其中：
所述导入单模光纤(9)一端接用于外接光环行器(15)，另一端接传感FPI(10)，用于向传感FPI(10)馈入宽谱光；
传感FPI(10)设在导入单模光纤(9)和连接单模光纤(11)之间，用于感知轴向应变和实现一次滤波；
连接单模光纤(11)设在传感FPI(10)和参考FPI(12)之间，用于将传感FPI(10)透射光送入参考FPI(12)的腔内；
参考FPI(12)设在连接单模光纤(11)和导出单模光纤(13)之间，用于感知轴向应变和实现二次滤波；
导出单模光纤(13)一端接参考FPI(12)用于形成级联IFFPI风速传感器第四反射面(空气-玻璃端面)，另一端在使用时外接离心力-应力转化物件，同时起到固定级联IFFPI风速传感器作用；
所述导入单模光纤(9)、连接单模光纤(11)和导出单模光纤(13)结构和参数相同；所述传感FPI(10)和参考FPI(12)结构相同，均为中空的圆柱状结构，内腔直径大于所述单模光纤纤芯直径。
2.根据权利要求1所述级联IFFPI传感器，其特征在于，所述传感FPI和参考FPI通过选择不同腔长，实现自由光谱范围(FSR)细微差异，从而产生光学游标效应。
3.根据权利要求1所述级联IFFPI传感器，其特征在于，所述光纤均为普通标准单模光纤。
4.一种风速检测装置，其特征在于，包括权利要求1或2所述级联IFFPI风速传感器(8)和风速-应变转化装置；所述风速-应变转化装置包括流线型风杯(1)、转轴(3)、弹簧(5)、支撑杆(4)、滑块(6)、宽谱光源(14)、环行器(15)、解调仪(16)和基座(7)；其中：
所述基座(7)设有轴承，用于安装转轴；所述转轴(3)垂直设在基座(7)上；所述风杯(1)通过连接杆固定在转轴(3)上部，用于接受风力，带动转轴(3)旋转；
所述转轴(3)设有与其垂直的水平支撑杆(4)；所述水平支撑杆(4)根部固定在转轴上，末端设有滑块(6)，其可沿支撑杆(4)左右滑动；所述滑块(6)与转轴(3)之间，设有级联IFFPI风速传感器(8)，该传感器的导出单模光纤(13)接滑块，导入单模光纤(9)接转轴(3)，用于感知滑块和转轴间轴向应力；
所述宽谱光源(14)与环行器(15)第一端口相连，用于向级联IFFPI风速传感器提供泵浦探测光；所述级联IFFPI风速传感器通过导入单模光纤(9)接环形器第二端口，用于接收宽谱光，并向环行器回馈反射光信号；所述解调仪(16)输入端与环行器(15)第三端口相连，用于接收级联IFFPI风速传感器的反射传感光信号，并进行相关解调求出对应风速大小。
5.根据权利要求4所述的风速检测装置，其特征在于，滑块(6)与转轴(3)之间，设有弹簧(5)；弹簧(5)用于将较大的离心力转化为较小轴向应力，防止滑块高速运动，造成所述级联IFFPI风速传感器(8)过载，以免损坏级联IFFPI风速传感器。
6.根据权利要求5所述的风速检测装置，其特征在于，所述弹簧(5)弹性系数和预紧力可以调整，以适应不同的测量条件，从而使得所述级联IFFPI风速传感器(8)的测量灵敏度和动态范围均可调谐。
7.根据权利要求4-6任一所述的风速检测装置，其特征在于：
工作时，由于级联IFFPI风速传感器空气-玻璃端面的折射率不匹配会产生菲涅尔反射，宽谱光通过两个级联的传感FPI(10)和参考FPI(12)IFFPI时，来自传感FPI(10)和参考FPI(12)的反射干涉谱会在导入光纤(9)相遇叠加，产生游标干涉条纹，当风杯受到风力作用时会带动转轴旋转，支撑杆上的滑块做离心运动拉伸弹簧，同时给予级联IFFPI风速传感器轴向应变作用，改变级联IFFPI风速传感器两个FPI的腔长差，使得游标干涉条纹发生漂移；通过事先的校准和标定可以确定包络条纹波长漂移量与风速的对应关系，通过检测游标条纹波长的漂移来实现风速的实时在线监测。
8.根据权利要求4-6任一所述的风速检测装置，其特征在于，所述风杯(1)为流线型设计，以利于降低流动分离，减小压差阻力。
9.根据权利要求4-6任一所述的风速检测装置，其特征在于，所述解调仪(6)为高精度光纤解调仪，能实时在线显示各时刻的游标干涉谱位置、风速测量值大小、测量误差等信息。
10.根据权利要求4-6任一所述的风速检测装置，其特征在于，宽谱光源(14)为基于放大自发辐射原理、波长范围涵盖C+L波段的高增益平坦的ASE光源。
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- 2017-11-13 CN CN201711113555.7A patent/CN108037308B/zh active Active
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