CN108761124A - 基于微球谐振器的风速测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风速测量装置领域，尤其是涉及一种基于微球谐振器的风速测量装置。该风速测量装置，包括探头、半导体激光器、宽带光源和光谱仪，探头包括传导光纤和微球，传导光纤测试端端部设有内锥，内锥内设有微球。采用硅微球和光纤锥的结构，探头尺寸小；利用光纤锥的耦合技术，可以有效激励起硅微球中高Q值的回音壁模式，并获得一系列的谐振峰，这些谐振峰的位置对微球的温度变化非常敏感，当微球置于流场中，热传导将改变微球的温度，由于硅微球热光系数高，热膨胀系数小，谐振峰的移动主要由热光效应引起，因此，风速的变化与谐振峰的移动线性度高，可实现对风速的精确测量。

Description

基于微球谐振器的风速测量装置
技术领域
本发明涉及一种风速测量装置领域，尤其是涉及一种基于微球谐振器的风速测量装置。
背景技术
风速检测在气象、空气动力学和流量监控等方面都有应用。在密闭小尺寸流道中的风速检测应用中，常要求风速计探头足够小。既能放入流道，也不会对流场产生很大的影响。现有风速测量方法中，电阻丝加热的方法存在测量精度不高，测量的范围小(一般在0-30m/s)和电绝缘等问题；叶轮式风速计存在探头体积大和检测精度低等问题；尽管皮托管的体积已经比较小了，但它对安装位置要求严格，必须安装在流道的直管部分，并且远离弯管或口径变化的区域，另外，使用时必须与流场方向设置成直角，而且只能用于高速流场的测量领域。总之，目前所采用的风速计主要存在风速计探头尺寸大，测速范围受限，精度不高等问题。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供一种基于微球谐振器的风速测量装置，该风速测量装置具有尺寸小、测量范围大、检测灵敏度高、适用性广和可靠性高等特点。
本发明采用的技术方案是：一种基于微球谐振器的风速测量装置，包括设置在测试管道内的探头、用于发出泵浦光的半导体激光器、用于发出信号光的宽带光源和光谱仪，其特征在于：所述探头包括传导光纤和微球，所述传导光纤测试端端部设有内锥，所述内锥内设有微球，所述微球与内锥的母线相切，微球与内锥之间通过范德华力连接固定，所述内锥的深度H满足：以保证微球的部分球冠探出内锥端面，其中，R为微球的半径，φ为内锥的顶角；所述传导光纤连接端与半导体激光器之间设有第一波分复用器，且相互之间通过光纤连接，半导体激光器发出的泵浦光耦合进传导光纤，进一步耦合进微球；所述传导光纤连接端与宽带光源的尾纤连接，宽带光源发出的信号光注入传导光纤，进一步耦合进微球；所述传导光纤连接端与光谱仪之间设有第二波分复用器，且相互之间通过光纤连接，微球反射光谱信号中携带有微球半径和微球折射率的信息，通过第二波分复用器耦合进光谱仪进行分析。
作为优选，所述半导体激光器发出的泵浦光耦合进微球，对微球进行加热；所述宽带光源发出的信号光耦合进微球，波长满足条件：2πnsRs＝mλ0的信号光可以在微球内部实现全内反射，形成回音壁模式，其中，ns是微球的折射率，λ0是谐振波长，Rs是微球半径，m是整数。
作为优选，所述的传导光纤为多模光纤或单模光纤，测试端通过刻蚀形成内锥，连接端通过光纤接头或熔接的方式与其他光纤连接。
作为优选，所述传导光纤外部设有毛细套管，所述毛细套管的内径大于传导光纤的外径，所述毛细套管与传导光纤之间通过固化的紫外胶连接在一起。
进一步的，所述毛细套管由不锈钢材料制成，所述毛细套管的长度小于传导光纤的长度，所述毛细套管的末端与传导光纤的内锥锥底平齐。
作为优选，所述微球由硅材料制成。
本发明取得的有益效果是：采用硅微球和光纤锥的结构，探头尺寸小；利用光纤锥的耦合技术，可以有效激励起硅微球中高Q值的回音壁模式，并获得一系列的谐振峰，这些谐振峰的位置对微球的温度变化非常敏感，当微球置于流场中，热传导将改变微球的温度，因此可实现对风速的精确测量。由于硅微球热光系数高，热膨胀系数小，谐振峰的移动主要由热光效应引起，因此，风速的变化与谐振峰的移动线性度高。本发明的风速测量装置具有结构简单、探头尺寸小、适用性广、可靠性高等特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为探头的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明的一种基于微球谐振器的风速测量装置，包括设置在测试管道2内的探头1、用于发出泵浦光的半导体激光器3、用于发出信号光的宽带光源4和光谱仪5，结合图2所示，探头1包括传导光纤11和微球13，传导光纤11测试端端部设有内锥12，微球13设置在内锥12内，本实施例中，微球13由硅材料制成，微球13与内锥12的母线相切，微球13与内锥12之间通过范德华力(分子间作用力)连接固定，微球13的部分球冠探出传导光纤11内锥12的端面，以便微球13与测试管道2内的流场直接接触，内锥12的深度H满足：以保证微球13的部分球冠探出内锥12端面，其中，R为微球13的半径，φ为内锥12的顶角。
传导光纤11连接端与半导体激光器3之间设有第一波分复用器31，且相互之间通过光纤连接，半导体激光器3发出的泵浦光耦合进传导光纤11，进一步耦合经微球13，对微球13进行加热；传导光纤11连接端与宽带光源4的尾纤连接，宽带光源4发出的信号光注入传导光纤11，进一步耦合进微球13，波长满足条件：2πnsRs＝mλ0的信号光可以在微球13内部实现全内反射，形成回音壁模式，其中，ns是微球的折射率，λ0是谐振波长，Rs是微球半径，m是整数；传导光纤11连接端与光谱仪5之间设有第二波分复用器51，且相互之间通过光纤连接，反射光谱信号中携带有微球13的半径和折射率的信息，通过第二波分复用器51耦合进光谱仪5，并通过后续的设备进行数据分析。
在一实施例中，传导光纤11为多模光纤或单模光纤，测试端通过刻蚀(化学腐蚀)形成内锥12，连接端通过光纤接头或熔接的方式与其他光纤连接。
在一实施例中，传导光纤11外部设有毛细套管14，毛细套管14起到加强和保护传导光纤11的作用，毛细套管14的内径大于传导光纤11的外径，毛细套管14与传导光纤11之间通过固化的紫外胶15密封固定连接。毛细套管14由不锈钢材料制成，毛细套管14的长度小于传导光纤11的长度，毛细套管14的末端与传导光纤11的内锥12锥底平齐。
测试时，探头1放入测试管道2，探头1的微球13与测试管道2的流场直接接触，通过第一波分复用器31将波长为@650nm的半导体激光器3发出的泵浦光耦合进光纤，宽带光源4的尾纤直接与传导光纤11的连接端熔接，可将信号光注入传导光纤11。泵浦光和信号光可以通过传导光纤11传导至内锥12的锥面，并在内锥12的锥面与微球13的接触点处耦合进微球13。由于硅材料制成的微球13对@650nm的泵浦光具有较高的吸收，微球13的温度可以获得有效的提高；而信号光中，大部分波长的激光会折射出微球13，只有部分波长满足条件：2πnsRs＝mλ0的信号光可以在微球内部实现全内反射，形成回音壁模式(其中ns是微球的折射率，λ0是谐振波长，Rs是微球半径，m是整数)，并在每次通过耦合区(锥面与微球的接触点)时，再将部分信号光耦合回光纤；该反射回光纤的光谱信号中携带有微球半径和微球折射率的信息，通过第二波分复用器51耦合进光谱仪5，并通过后续的设备进行数据分析，根据光谱仪5获取的光谱信号，计算出此时微球13的折射率，进一步计算出流场中的风速。
加热后的微球13位于不同流速的流场中时，由于硅材料具有很高的热传导系数，较高的热光系数，以及较低的热膨胀系数，因此微球13的温度会快速降低，并引起微球13折射率的降低，导致反射光谱峰值的蓝移。所以，通过波长峰值的变化可以快速精确地测量流场中的风速。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要结构特征。本发明不受上述实例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于微球谐振器的风速测量装置，包括设置在测试管道(2)内的探头(1)、用于发出泵浦光的半导体激光器(3)、用于发出信号光的宽带光源(4)和光谱仪(5)，其特征在于：所述探头(1)包括传导光纤(11)和微球(13)，所述传导光纤(11)测试端端部设有内锥(12)，所述内锥(12)内设有微球(13)，所述微球(13)与内锥(12)的母线相切，微球(13)与内锥(13)之间通过范德华力连接固定，所述内锥(12)的深度H满足：以保证微球(13)的部分球冠探出内锥(12)端面，其中，R为微球的半径，φ为内锥的顶角；所述传导光纤(11)连接端与半导体激光器(3)之间设有第一波分复用器(31)，且相互之间通过光纤连接，半导体激光器(3)发出的泵浦光耦合进传导光纤(11)，进一步耦合进微球(13)；所述传导光纤(11)连接端与宽带光源(4)的尾纤连接，宽带光源(4)发出的信号光注入传导光纤(11)，进一步耦合进微球(13)；所述传导光纤(11)连接端与光谱仪(5)之间设有第二波分复用器(51)，且相互之间通过光纤连接，微球(13)反射光谱信号中携带有微球半径和微球折射率的信息，通过第二波分复(51)用器耦合进光谱仪(5)进行分析。
2.根据权利要求1所述的基于微球谐振器的风速测量装置，其特征在于：所述半导体激光器(3)发出的泵浦光耦合进微球(13)，对微球(13)进行加热；所述宽带光源(4)发出的信号光耦合进微球(13)，波长满足条件：2πnsRs＝mλ0的信号光可以在微球(13)内部实现全内反射，形成回音壁模式，其中，ns是微球的折射率，λ0是谐振波长，Rs是微球半径，m是整数。
3.根据权利要求1所述的基于微球谐振器的风速测量装置，其特征在于：所述的传导光纤(11)为多模光纤或单模光纤，测试端通过刻蚀形成内锥(12)，连接端通过光纤接头或熔接的方式与其他光纤连接。
4.根据权利要求1所述的基于微球谐振器的风速测量装置，其特征在于：所述传导光纤(11)外部设有毛细套管(14)，所述毛细套管(14)的内径大于传导光纤(11)的外径，所述毛细套管(14)与传导光纤(11)之间通过固化的紫外胶(15)连接在一起。
5.根据权利要求4所述的基于微球谐振器的风速测量装置，其特征在于：所述毛细套管(14)由不锈钢材料制成，所述毛细套管(14)的长度小于传导光纤(11)的长度，所述毛细套管(14)的末端与传导光纤(11)的内锥(12)锥底平齐。
6.根据权利要求1所述的基于微球谐振器的风速测量装置，其特征在于：所述微球(13)由硅材料制成。
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