CN109765029A - 一种基于光纤光栅和f-p微腔的流场校测装置 - Google Patents

一种基于光纤光栅和f-p微腔的流场校测装置 Download PDF

Info

Publication number
CN109765029A
CN109765029A CN201811644489.0A CN201811644489A CN109765029A CN 109765029 A CN109765029 A CN 109765029A CN 201811644489 A CN201811644489 A CN 201811644489A CN 109765029 A CN109765029 A CN 109765029A
Authority
CN
China
Prior art keywords
fiber
flow field
microcavity
coupler
grating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811644489.0A
Other languages
English (en)
Inventor
李红
祝连庆
庄炜
徐滔
于明鑫
刘锋
张乾坤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Information Science and Technology University
Original Assignee
Beijing Information Science and Technology University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Information Science and Technology University filed Critical Beijing Information Science and Technology University
Priority to CN201811644489.0A priority Critical patent/CN109765029A/zh
Publication of CN109765029A publication Critical patent/CN109765029A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅和F‑P微腔的流场校测装置，包含测量耙1、传输光纤束2、光开关3、耦合器4、宽谱光源5和光信号处理器6。其中，测量耙1由多支压力探头7固定排列组成，压力探头7由腔本体8、光纤布拉格光栅9、F‑P腔固定凹槽10、F‑P真空腔11、进气孔12、膜片、复合介质膜14和准直管15组成。宽谱光源5发出的光通过耦合器4和光开关后，入射到每一个F‑P腔压力传感探头，该压力感应产生的干涉谱再次反射回光信号处理器6，经由光电信号转换和计算获得压力数值。该光纤式气流探针结构紧凑、无机械活动部件，为固定式气流流场校测装置，能够进行单点多目标参数的测量，适用于多种场合，尤其是风洞试验和飞行控制中的光纤传感集成系统。

Description

一种基于光纤光栅和F-P微腔的流场校测装置
技术领域
本发明涉及一种气流测量装置，特别是一种基于光纤光栅和F-P微腔的流场校测装置。
背景技术
风洞的气流性能需要通过校测。通过气流传感器既可以定性也可以定量了解风洞气流品质。静压测量是风洞气流参数测量最主要的项目之一。压力探针是最早的流体测试手段之一。最早使用的是皮托静压管，是风洞测试领域中使用最为广泛的一项现有技术，现有的皮托静压管探针本体与传感器分离，需要用引压管，而它常用的动态压力传感器有应变式、电感式、电容式、压电式及半导体压阻式等，这些电学类传感器易受电磁干扰，对恶劣环境适应性差。随着光纤传感技术和光信号处理技术的发展，光纤传感器以其质轻、纤细、防腐蚀、抗电磁干扰、可链路多点环绕复用等特点备受传感监测领域的研究人员青睐。因此，能否利用光纤传感器的这些独特的优越性来应用于气流感知，是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术缺陷，提供一种体积小、结构牢固、反应速度快且测量精度高的感知与探头于一体的风洞流场校测装置。
一种基于光纤光栅和F-P微腔的流场校测装置，包括测量耙，测量耙依次连接有光开关、传输光纤束和耦合器，耦合器分别与宽谱光源和光信号处理器连接；
所述测量耙包括3支或3支以上的F-P压力传感探头；F-P压力传感探头的顶部上设有紧邻的腔体和F-P真空腔，腔体和F-P真空腔之间采用膜片隔开，膜片位于F-P真空腔的一侧上镀有反光的复合介质膜；所述腔体顶部通过进气孔与外界连通；
F-P压力传感探头的顶部上还设有光纤布拉格光栅，F-P真空腔正对复合介质膜的一面通过光纤连接到光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅四周由准直管固定位置；光纤布拉格光栅通过光纤连接到传输光纤束；
宽谱光源发出的光经过耦合器和传输光纤束进入各个F-P压力传感探头，光分别由于布拉格光栅和F-P真空腔形成FGB干涉和F-P干涉，再经过传输光纤束和耦合器进入光信号处理器，根据光信号处理器接收到的干涉光谱，计算出膜片所受压力，实现流场校测。
进一步的改进，所述的探头头部为圆锥形，端面为平面，进气孔直径为0.5～2mm。
进一步的改进，所述的F-P压力传感探头为直线型、L性或S型。
进一步的改进，所述复合介质膜反射率为30％。
进一步的改进，所述的复合介质膜为SiO2/Ta2O5薄膜、Si3N4/Ta2O5薄膜或SiO2/Ta2O5/Si3N4中的至少一种组合形态的多层薄膜。
与现有技术相比，本发明的压力探针基于光干涉原理开发，具有不受电磁环境干扰、对恶劣环境适应性强的优点。而且光纤传感器还有质轻、纤细、防腐蚀、可链路多点环绕复用的特点。
附图说明
参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：
图1示出根据本发明的流场校测装置结构示意图；
图2示出探针结构组成示意图；
图3示出宽谱光源光谱图；
图4示出基于FBG与F-P腔的传感头光谱信号；
图5示出微腔探头随压力变化的光谱；
图6示出风洞截面稳定性测试应用实施例。
具体实施方式
流场校测装置整体如图1所示：包括测量耙1、传输光纤束2、光开关3、耦合器4、宽谱光源5和光信号处理器6。
测量耙1由多支F-P压力传感探头7固定排列组成，如图2所示，F-P压力传感探头7内包括壳体8、壳体8内通过准直管15和固定凹槽10分别固定有光纤布拉格光栅9和F-P真空腔11。F-P真空腔11和腔体13之间通过膜片隔开，膜片位于F-P真空腔的一侧上镀有反光的复合介质膜14；所述腔体顶部通过进气孔12与外界连通。宽谱光源发出的光经过耦合器和传输光纤束进入各个F-P压力传感探头，光分别由于布拉格光栅和F-P真空腔形成FGB 干涉和F-P干涉，再经过传输光纤束和耦合器进入光信号处理器。
由于膜片受到压力后发生形变，引起了F-P真空腔形状改变，造成F-P真空腔形成的干涉光谱也发生改变。因此根据接收到的干涉波谱可以测算膜片受到的压力。但是F-P真空腔的干涉还会受到温度的影响。而由于光纤布拉格光栅形成的干涉(FBG干涉)不受力的作用，FBG 的干涉光谱飘移认为是温度的影响，可以用于F-P腔温度交叉的解耦。通过对其进行温度标定可以获得FBG的温度灵敏度系数，关系曲线可以通过标定实验得到最小二乘拟合线性关系
Δλfbg＝KT，fbgΔT+M
F-P光谱的飘移因温度和气流压力的同时作用引起：
Δλfp＝KT，fpΔT+KP，fpΔP
通过分别定量地改变温度和压力可以标定出KT，fbg、KT，fp和KP，fp的值。
再将上述两式联立，就可以根据FBG和F-P光谱的漂移量，通过该方程组监测得到气流压力变化量。
通过测量耙不同点位置的压力值可以对气流场不同附面层进行校测。风洞截面稳定性测试应用如图6所示。
序号 型号/指标 参数
1 测量范围 0～20MPa压力范围
2 精确度 ±0.3％F.S.
3 分辨率 ±20Pa
4 测试原理 压力产生干涉谱飘移
5 适用场合 风洞等流场空间
6 测量介质 可流动介质、气体
7 传感器工作环境温度 -35℃～65℃

Claims (5)

1.一种基于光纤光栅和F-P微腔的流场校测装置，包括测量耙，其特征在于，测量耙依次连接有光开关、传输光纤束和耦合器，耦合器分别与宽谱光源和光信号处理器连接；
所述测量耙包括3支或3支以上的F-P压力传感探头；F-P压力传感探头的顶部上设有紧邻的腔体和F-P真空腔，腔体和F-P真空腔之间采用膜片隔开，膜片位于F-P真空腔的一侧上镀有反光的复合介质膜；所述腔体顶部通过进气孔与外界连通；
F-P压力传感探头的顶部上还设有光纤布拉格光栅，F-P真空腔正对复合介质膜的一面通过光纤连接到光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅四周由准直管固定位置；光纤布拉格光栅通过光纤连接到光开关；
宽谱光源发出的光经过耦合器和传输光纤束进入各个F-P压力传感探头，光分别由于布拉格光栅和F-P真空腔形成FGB干涉和F-P干涉，再经过传输光纤束和耦合器进入光信号处理器，根据光信号处理器接收到的干涉光谱，计算出膜片所受压力，实现流场校测。
2.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅和F-P微腔的流场校测装置，其特征在于：所述的探头头部为圆锥形，端面为平面，进气孔直径为0.5~2mm。
3.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅和F-P微腔的流场校测装置，其特征在于：所述的F-P压力传感探头为直线型、L性或S型。
4.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅和F-P微腔的流场校测装置，其特征在于：所述复合介质膜反射率为30%。
5.如权利要求1所述的一种基于光纤光栅和F-P微腔的流场校测装置，其特征在于：所述的复合介质膜为SiO2/Ta2O5薄膜、Si3N4/Ta2O5薄膜或SiO2/Ta2O5/Si3N4中的至少一种组合形态的多层薄膜。
CN201811644489.0A 2018-12-30 2018-12-30 一种基于光纤光栅和f-p微腔的流场校测装置 Pending CN109765029A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811644489.0A CN109765029A (zh) 2018-12-30 2018-12-30 一种基于光纤光栅和f-p微腔的流场校测装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811644489.0A CN109765029A (zh) 2018-12-30 2018-12-30 一种基于光纤光栅和f-p微腔的流场校测装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN109765029A true CN109765029A (zh) 2019-05-17

Family

ID=66453381

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811644489.0A Pending CN109765029A (zh) 2018-12-30 2018-12-30 一种基于光纤光栅和f-p微腔的流场校测装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109765029A (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112539909A (zh) * 2020-11-30 2021-03-23 中国空气动力研究与发展中心 脉冲风洞中用于边界层测量的龙门吊装置
CN114098837A (zh) * 2021-11-11 2022-03-01 武汉理工大学 基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针
CN115655561A (zh) * 2022-10-28 2023-01-31 广州市南沙区北科光子感知技术研究院 一种基于毛细管微泡光纤fp腔的压力检测系统及方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104596559A (zh) * 2015-01-21 2015-05-06 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种基于微孔光学反射隔膜的光纤f-p多功能传感器
CN105223382A (zh) * 2015-10-22 2016-01-06 哈尔滨工业大学 一种基于fbg的膜片式低精细度f-p光纤加速度传感器
CN105242067A (zh) * 2015-10-22 2016-01-13 哈尔滨工业大学 一种基于fbg的膜片式高精细度f-p光纤加速度传感器
CN106225965A (zh) * 2016-07-04 2016-12-14 北京航空航天大学 一种微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器及其制作方法
CN107907203A (zh) * 2017-11-30 2018-04-13 大连理工大学 一种光纤f‑p腔式声波传感器的解调方法
CN108759704A (zh) * 2018-07-06 2018-11-06 武汉理工大学 一种光纤f-p复合腔型高温应变传感器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104596559A (zh) * 2015-01-21 2015-05-06 哈尔滨工业大学深圳研究生院 一种基于微孔光学反射隔膜的光纤f-p多功能传感器
CN105223382A (zh) * 2015-10-22 2016-01-06 哈尔滨工业大学 一种基于fbg的膜片式低精细度f-p光纤加速度传感器
CN105242067A (zh) * 2015-10-22 2016-01-13 哈尔滨工业大学 一种基于fbg的膜片式高精细度f-p光纤加速度传感器
CN106225965A (zh) * 2016-07-04 2016-12-14 北京航空航天大学 一种微型高灵敏度光纤干涉式压力传感器及其制作方法
CN107907203A (zh) * 2017-11-30 2018-04-13 大连理工大学 一种光纤f‑p腔式声波传感器的解调方法
CN108759704A (zh) * 2018-07-06 2018-11-06 武汉理工大学 一种光纤f-p复合腔型高温应变传感器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
周国鹏: ""光纤布拉格光栅传感器封装与应变"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112539909A (zh) * 2020-11-30 2021-03-23 中国空气动力研究与发展中心 脉冲风洞中用于边界层测量的龙门吊装置
CN112539909B (zh) * 2020-11-30 2023-03-24 中国空气动力研究与发展中心 脉冲风洞中用于边界层测量的龙门吊装置
CN114098837A (zh) * 2021-11-11 2022-03-01 武汉理工大学 基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针
CN114098837B (zh) * 2021-11-11 2023-12-26 武汉理工大学 基于光干涉及长光栅啁啾效应的力-形自感知穿刺针
CN115655561A (zh) * 2022-10-28 2023-01-31 广州市南沙区北科光子感知技术研究院 一种基于毛细管微泡光纤fp腔的压力检测系统及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11422057B2 (en) Dynamic five-hole probe
CN109765029A (zh) 一种基于光纤光栅和f-p微腔的流场校测装置
Davies et al. The characteristics of the turbulence in the mixing region of a round jet
US7134346B2 (en) Differential pressure transducer with Fabry-Perot fiber optic displacement sensor
CN108195555B (zh) 光纤天平气动力测量系统及测量方法
CN205691490U (zh) 一种基于游标效应的级联型fpi氢气传感器
GB2542284A (en) Optical pressure sensor
CN106153978B (zh) 基于光纤mems法珀微腔的流速测试方法
CN103411643A (zh) 用于压气机流体多参数测量的光纤传感器及测量方法
CN102768094A (zh) 一种光纤光栅压力传感器
MacPherson et al. Miniature fiber optic pressure sensor for turbomachinery applications
CN103557984B (zh) 一种差压传感器探头的封装方法及结构
CN109142781A (zh) 一种基于表面等离子体共振的风速测量装置及方法
CN203551182U (zh) 一种差压传感器探头的封装结构
US7798018B2 (en) Measuring arrangement for flow measurement in a channel
CN111998990B (zh) 一种用于多方向高速动态压力测量的多孔阵列光纤探针及其测量系统
CN105352652B (zh) 差动式光纤光栅气压传感器及监测飞机空速管动压的方法
Fujiwara et al. All-optical fiber anemometer based on the pitot-static tube
Lepicovsky et al. Past developments and current advancements in unsteady pressure measurements in turbomachines
US20180136055A1 (en) A temperature sensor
CN106441654A (zh) 微型宽频带光纤微压力传感装置
CN111947722B (zh) 体积及质量流量检测方法及装置
CN113758602A (zh) 一种可校正导热误差的光纤光栅总温探针及其制作方法
CN203455033U (zh) 用于压气机流体多参数测量的光纤传感器
Heckmeier et al. An innovative development of a five-hole pressure probe for highly unsteady flow phenomena

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20190517

RJ01 Rejection of invention patent application after publication