CN110133320A - 等离子体共振光纤热线风速计、检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体共振光纤热线风速计、检测系统及方法，所述系统包括光源、光纤耦合器、起偏器、偏振控制器、等离子体共振光纤热线风速计、风筒和探测仪器，所述光源、光纤耦合器、起偏器、偏振控制器、风速计和探测仪器依次连接，所述风速计置于风筒中；所述光源包括泵浦光源和宽带光源；所述风速计包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米量级的金属膜，所述金属膜外表面涂覆有几百纳米厚的光热材料，所述倾斜光纤光栅后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9‑1.45RIU。本发明利用倾斜光纤光栅和光热材料的独特优势，在不破坏光纤结构的前提下实现高效的光热转换，从而实现风速的高灵敏测量。

Description

等离子体共振光纤热线风速计、检测系统及方法

技术领域

本发明涉及一种风速测量仪器，尤其是一种等离子体共振光纤热线风速计、检测系统及方法，属于传感技术领域。

背景技术

风速的测量在科学研究、工业生产、风力发电、环境监测等领域具有重要意义。近几十年来，基于螺旋桨、超声波、压力板、压力管、热线风速仪等不同工作原理，人们进行了大量风速传感器的研究，以优化其设计和性能。这些方法虽然得到了广泛的应用，但仍存在电磁干扰等缺点，不能用于微流和腐蚀性环境中。而光纤风速传感技术则提供了一种全光测量方法。

光纤传感器以其精度高、长期稳定性好、抗电磁干扰能力强、体积小、制作简单等独特优势，被证明是一种很有前途的新型传感器。其中，光纤热线式风速计是一种被广泛研究的重要类型。热线式风速计的基本原理是当传感器被加热时，可以通过测量传感器头的冷却速率或温度变化来计算热线式风速计周围的风速。

在光纤热线式风速计中，泵浦激光可以被光纤中的各种材料吸收，从而产生一定的热量。其中光纤光栅作为一种成熟的、标准的光纤内传感器，通常作为测温元件。当风带走传感器上的热量时，光纤光栅的波长会随着温度的变化而变化，这可以被光谱准确地检测到。在已报道的工作中，基于光纤光栅的热线式风速计主要方法采用几何修饰的光纤结构将输入泵浦激光引导到熔覆层与金属薄膜相互作用。如弯曲、贴片、在光纤中形成气泡、多模光纤与单模光纤熔接、光子晶体光纤等不常见光纤将光耦合到薄膜上。此外，一些研究人员使用特殊的高吸收性纤维，如掺Co²⁺的光纤来加热光纤光栅。另一方面，还有一类基于F-P腔结构的光纤热线风速计，Wei等人报道了一种基于两个光纤光栅结合的器件，围绕一段钴掺杂光纤。从而建立了一种FP结构，由于截面温度的变化，使得FP干涉仪的谐振峰发生了变化。Liu等制作了基于F-P硅干涉仪的快速响应光纤风速仪，Li等研究了基于微掺co2光纤腔的微流控F-P干涉仪流量计。还有由Gao等人所提出的由一对端面涂有少量石墨烯的对准渐变折射率光纤准直器组成光纤风速计，通过来自532nm激光的加热光加热石墨烯，改变了波长为1550nm的信号光的光学透射率。然而这些方法依然不够理想。首先,对于改变光纤几何结构的方法，通常会削弱光纤的固有强度，其次，采用光子晶体光纤或稀土掺杂光纤等特殊纤维的方法会使传感器的制造过程复杂化，有时形成的光栅啁啾不佳，导致性能不可靠。第三,大多数光纤热线式风速计使用传统金属材料如Au或Ag作为放热材料，将光能转换为传感器表面的热量。这些金属薄膜表现出良好的性能，但不能超过其光学功率吸收能力和导热性能的限制。因此，仍然需要简单高效的全光纤热线式风速计。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种等离子体共振光纤热线风速计，该风速计结构简单、稳定、坚固，在科学研究和工业生产中有着广泛的潜在应用。

本发明的第二个目的在于提供一种等离子体共振光纤热线风速检测系统，该系统利用倾斜光纤光栅和光热材料的独特优势，在不破坏光纤结构的前提下实现高效的光热转换，从而实现风速的高灵敏测量。

本发明的第三个目的在于提供一种基于上述系统的等离子体共振光纤热线风速检测方法，该方法通过测量泵浦光源的强度来实时监测风速。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种等离子体共振光纤热线风速计，包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米量级的金属膜，所述金属膜外表面涂覆有几百纳米厚的光热材料，所述倾斜光纤光栅后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9-1.45RIU，进而实现光纤在空气环境中的表面等离子体共振波激发。

进一步的，所述风速计依次通过光纤载氢预处理、倾斜光纤光栅写制、光纤表面纳米镀膜、镀膜光纤表面光热材料的附着实现，具体如下：

光纤载氢预处理：将高参锗光敏光纤放入充满氢气的容器中，设置温度和压强，在设定时间后使氢分子扩散到高参锗光敏光纤的纤芯中；

倾斜光纤光栅写制：紫外入射光经过聚焦透镜聚焦到相位掩膜板上，相位掩模板与载氢后的高参锗光敏光纤相平行，紫外入射光通过相位掩模板后照射在高参锗光敏光纤上，然后调节控制相位掩模板和紫外入射光写入角度的角度调节架，形成大于30度的倾斜光纤光栅，并控制写入时间得到高消光比的倾斜光纤光栅，且后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9-1.45RIU；

光纤表面纳米镀膜：利用磁控溅射的方法，在倾斜光纤光栅表面均匀的镀上金属层，在镀膜过程中，高参锗光敏光纤匀速旋转，使金属原子均匀的镀在倾斜光纤光栅表面，并控制膜层厚度；

镀膜光纤表面光热材料的附着：首先通过直接生长的方法在铜片上形成一层光热材料，然后将铜片上的合适大小的光热材料转移到光纤的金属膜表面，利用静电吸附原理吸附在镀膜光纤表面。

进一步的，所述倾斜光纤光栅的长度为10-20mm，工作波长为1250-1550nm，倾斜角度为37度。

进一步的，所述金属膜为金膜，该金膜的膜层厚度为30-50nm。

进一步的，所述光热材料为碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜的膜层厚度为200-1000nm。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种等离子体共振光纤热线风速检测系统，包括光源、光纤耦合器、起偏器、偏振控制器、等离子体共振光纤热线风速计、风筒和探测仪器，所述光源、光纤耦合器、起偏器、偏振控制器、风速计和探测仪器依次连接，所述风速计在测量风速时置于风筒中；所述光源包括泵浦光源和宽带光源。

进一步的，所述泵浦光源为可调谐激光器，可调谐范围为1260-1360nm，该可调激光器工作波长与倾斜光纤光栅等离子体共振激发波长相匹配。

进一步的，所述宽带光源的工作波长范围为1250-1600nm。

进一步的，所述风筒的风速调节范围为0.05m/s-0.65m/s。

本发明的第三个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种等离子体共振光纤热线风速检测方法，所述方法基于权利要求6-9任一项所述的系统实现，包括以下步骤：

泵浦光源输出泵浦光，宽带光源输出观察光栅光谱的参照光，经过光纤耦合器耦合在一起入射，入射光经过起偏器后转变成线偏振光，偏振控制器将线偏振光的偏振方向调节成与倾斜光纤光栅侧向写入方向一致，调制好的线偏振光输入至等离子体共振光纤热线风速计后，部分光耦合到光纤表面被光热材料吸收，产生热效应从而使风速计处于高温状态，部分光激发金属膜表面等离子体共振波，部分光沿倾斜光纤光栅出射方向输出；其中，风速计的输出光通过探测仪器显示；

在测量风速时，将风速计置于风筒中，使风筒中的风速改变，空气流动会风速计表面的热量，从而产生强烈的等离子体共振波长偏移和强度调制，通过测量风速计处包层模的波长偏移和强度变化，实现风筒中不同风速的高精度测量。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的等离子体共振光纤热线风速计具有高灵敏度，可实现有效折射率覆盖0.9-1.45RIU的大量梳状包层模以及对应的等离子体共振波激发，通过镀金膜倾斜光纤光栅(TFBG)，可以将测量对象由传统液态样品拓展至低折射率气体，在空气中激发等离子体共振波；在风速计中，倾斜光纤光栅可以选择性地将来自光纤纤芯的引导光反射到光纤包层的外表面，同时保持足够的机械强度；可以在气体环境中激发等离子波，实现高灵敏的折射率测量，该风速计结构简单、稳定、坚固，具有广阔的应用前景。

2、本发明所使用的光热材料是光热效率很高的碳纳米管，碳纳米管在红外波段有很宽的吸收带，可实现红外波段高效的光热转换。

3、本发明的等离子体共振光纤热线风速计，可进行超灵敏的风速传感，风速测量的动态范围为0.1至0.65m/s。

4、本发明的等离子体共振光纤热线风速检测系统，泵浦光源还可以作为探测光源，将波长偏移测量转换为强度检测，可以实现风速的实时监测，使用两用激光器简化了系统配置和实验结果的处理。

附图说明

图1为本发明的等离子体共振光纤热线风速检测系统示意图。

图2为本发明的等离子体共振光纤热线风速计的原理示意图。

图3为本发明的裸倾斜光纤光栅在空气中的透射光谱图、镀金膜倾斜光纤光栅在空气中激发的等离子体共振透射光谱图以及附着碳纳米管镀金膜倾斜光纤光栅在空气中激发的等离子体共振透射光谱图。

图4为本发明的等离子体共振光纤热线风速计的热响应光谱图。

图5为本发明的等离子体共振光纤热线风速计在不同风速下的波长漂移响应光谱图。

图6为本发明的等离子体共振光纤热线风速计在不同风速下的谐振峰强度响应光谱图。

图7为本发明的等离子体共振光纤热线风速计在不同风速下谐振峰强度的实时响应光谱图。

其中，1-光源，2-光纤耦合器，3-起偏器，4-偏振控制器，5-等离子体共振光纤热线风速计，6-风筒，7-探测仪器，8-等离子体共振波，9-光热材料，10-金属膜，11-倾斜光纤光栅。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1所示，本实施例提供了一种等离子体共振光纤热线风速检测系统，该系统包括光源1、光纤耦合器2、起偏器3、偏振控制器4、等离子体共振光纤热线风速计5、风筒6和探测仪器7，光源1、光纤耦合器、起偏器3、偏振控制器4、风速计5和探测仪器7依次连接，风速计5在测量风速时置于风筒6中。

如图1和图2所示，所述等离子体共振光纤热线风速计5又称风速传感器，其包括刻有倾斜光纤光栅11的光纤，光纤包层外表面镀有纳米量级的金属膜10，金属膜10外表面涂覆有几百纳米厚的光热材料9，倾斜光纤光栅11的角度大于30度，优选为37度，且后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9-1.45RIU，进而实现光纤在空气环境中的表面等离子体共振波8激发。

进一步地，本实施例的倾斜光纤光栅11的长度为10-20mm，工作波长为1250-1550nm。

进一步地，本实施例的金属膜10为金膜，该金膜的膜层厚度为30-50nm。

进一步地，本实施例的光热材料9为碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜的膜层厚度为200-1000nm。

风速计5依次通过光纤载氢预处理、倾斜光纤光栅写制、光纤表面纳米镀膜、镀膜光纤表面光热材料的附着实现，具体如下：

1)光纤载氢预处理：将高参锗光敏光纤放入充满氢气的容器中，设置温度为50℃，压强为1500psi，在168小时的设定时间后使氢分子扩散到高参锗光敏光纤的纤芯中；强紫外光会分解玻璃中的氢分子，它除了形成氧空位缺陷外，还导致了Si-OH键和Ge-OH键的形成，这些反应过程导致折射率永久性调制，提高了光敏性，高写制效率为大角度倾斜光栅的写制提供有力支持。

2)倾斜光纤光栅写制：紫外入射光经过聚焦透镜聚焦到相位掩膜板上，相位掩模板与载氢后的高参锗光敏光纤相平行，紫外入射光通过相位掩模板后照射在高参锗光敏光纤上，然后调节控制相位掩模板和紫外入射光写入角度的角度调节架，形成37度的倾斜光纤光栅，并控制写入时间得到高消光比的倾斜光纤光栅，且后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9-1.45RIU。

3)光纤表面纳米镀膜：利用磁控溅射的方法，在倾斜光纤光栅表面均匀的镀上金属层，在镀膜过程中，高参锗光敏光纤匀速旋转，使金属原子均匀的镀在倾斜光纤光栅表面，并精确控制膜层厚度，使等离子体共振波能被有效激发，该镀膜倾斜光纤光栅在空气中激发的等离子体共振透射光谱。

4)镀膜光纤表面光热材料的附着：首先通过直接生长的方法在铜片上形成一层具有三维结构的碳纳米管膜，然后将铜片上的合适大小的碳纳米管膜转移到光纤的金属膜表面，利用静电吸附原理吸附在镀金光纤表面。

裸倾斜光纤光栅在空气中的透射光谱、镀金膜倾斜光纤光栅在空气中激发的等离子体共振透射光谱以及附着碳纳米管镀金膜倾斜光纤光栅在空气中激发的等离子体共振透射光谱的对比如图3所示，从图3中可以看到，光纤光栅的布拉格反射峰一直保持在1543.8nm附近，相比于裸光纤光栅在空气中出现截止模式，镀金膜倾斜光纤光栅在空气环境下被激发出等离子体共振模式；镀金膜倾斜光纤光栅修饰碳纳米管薄膜后，等离子体共振模式展宽变得更平缓不那么陡峭了，这是因为碳纳米管薄膜在一定程度上破坏了等离子体共振模式的共振条件。

所述光源1包括泵浦光源和宽带光源，泵浦光源可以采用可调谐激光器，其输出泵浦光，宽带光源输出观察光栅光谱的参照光，经过光纤耦合器3耦合在一起入射，入射光经过起偏器4后转变成线偏振光，偏振控制器5将线偏振光的偏振方向调节成与倾斜光纤光栅11侧向写入方向一致，调制好的线偏振光输入至风速计5后，部分光耦合到光纤表面被光热材料9吸收，产生热效应从而使风速计5处于高温状态，部分光激发金属膜表面等离子体共振波8，部分光沿倾斜光纤光栅11出射方向输出。

所述探测仪器7可以采用光电探测器或光谱分析仪，用于显示风速计5的输出光；风速计5的热响应光谱图如图4所示，图4显示了在1311nm的泵浦光源(25mw)激励下，P极化输入，附着碳纳米管材料的镀金倾斜光纤光栅的透射光谱。如图4下显示了各个谐振峰的波长漂移量。等离子体共振模式对应的谐振峰漂移量可达到0.22nm,明显高于纤芯的布拉格峰的红移量0.08nm，因此在之后的风速测量中优先选择等离子体共振模式进行测量；在不同风速下的谐振峰强度响应光谱图如图6所示，图6显示了泵浦光源的光强随着风速的增大有规律的向下变化；在不同风速下谐振峰强度的实时响应光谱图如图7所示，为了演示风速计5的实时响应，仅用加热激光照射风速计5，在风筒中逐步改变风速，在两种不同的风速之间，将风速恢复到0米/秒，图7显示了不同风速下探测到的光强的实时响应。风速计5的响应时间约为3s，因此实现了快速的实时响应。

由于光热材料9采用碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜在近红外波段具有很高的光热转化效率，能高效率地将与等离子体共振窗口波长匹配的泵浦光源的光强转化为热量，从而使风速计5表面温度提升；空气流动会带走光纤表面热量，从而产生强烈的等离子体共振波8的波长和强度调制，进而实时调制探测仪器7接收到的泵浦光源能量，实现对风速的高灵敏度实时测量。

进一步地，本实施例的可调谐激光器的可调谐范围为1260-1360nm，该可调激光器工作波长与倾斜光纤光栅11等离子体共振激发波长相匹配。

进一步地，本实施例的宽带光源的工作波长范围为1250-1600nm。

进一步地，本实施例的风筒6的风速调节范围为0.05m/s-0.65m/s。

本实施例还提供了一种等离子体共振光纤热线风速检测方法，该方法基于上述系统实现，包括以下步骤：

S1、泵浦光源输出泵浦光，宽带光源输出观察光栅光谱的参照光，经过光纤耦合器耦合在一起入射，入射光经过起偏器后转变成线偏振光，偏振控制器将线偏振光的偏振方向调节成与倾斜光纤光栅侧向写入方向一致，调制好的线偏振光输入至等离子体共振光纤热线风速计后，部分光耦合到光纤表面被光热材料吸收，产生热效应从而使风速计处于高温状态，部分光激发金属膜表面等离子体共振波，部分光沿光栅出射方向输出；其中，风速计的输出光通过探测仪器显示；

S2、在测量风速时，将风速计置于风筒中，使风筒中的风速改变，空气流动会风速计表面的热量，从而产生强烈的等离子体共振波长偏移和强度调制，通过测量风速计处包层模的波长偏移和强度变化，实现风筒中不同风速的高精度测量。

综上所述，本发明的等离子体共振光纤热线风速检测系统可以实现风速的实时监测，使用两用激光器简化了系统配置和实验结果的处理，所使用的等离子体共振光纤热线风速计具有高灵敏度，可实现有效折射率覆盖0.9-1.45RIU的大量梳状包层模以及对应的等离子体共振波激发，通过镀金膜倾斜光纤光栅(TFBG)，可以将测量对象由传统液态样品拓展至低折射率气体，在空气中激发等离子体共振波；在风速计中，倾斜光纤光栅可以选择性地将来自光纤纤芯的引导光反射到光纤包层的外表面，同时保持足够的机械强度；可以在气体环境中激发等离子波，实现高灵敏的折射率测量，该风速计结构简单、稳定、坚固，具有广阔的应用前景。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种等离子体共振光纤热线风速计，其特征在于，包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米量级的金属膜，所述金属膜外表面涂覆有几百纳米厚的光热材料，所述倾斜光纤光栅后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9-1.45RIU，进而实现光纤在空气环境中的表面等离子体共振波激发。

2.根据权利要求1所述的等离子体共振光纤热线风速计，其特征在于，所述风速计依次通过光纤载氢预处理、倾斜光纤光栅写制、光纤表面纳米镀膜、镀膜光纤表面光热材料的附着实现，具体如下：

光纤载氢预处理：将高参锗光敏光纤放入充满氢气的容器中，设置温度和压强，在设定时间后使氢分子扩散到高参锗光敏光纤的纤芯中；

倾斜光纤光栅写制：紫外入射光经过聚焦透镜聚焦到相位掩膜板上，相位掩模板与载氢后的高参锗光敏光纤相平行，紫外入射光通过相位掩模板后照射在高参锗光敏光纤上，然后调节控制相位掩模板和紫外入射光写入角度的角度调节架，形成大于30度的倾斜光纤光栅，并控制写入时间得到高消光比的倾斜光纤光栅，且后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9-1.45RIU；

光纤表面纳米镀膜：利用磁控溅射的方法，在倾斜光纤光栅表面均匀的镀上金属层，在镀膜过程中，高参锗光敏光纤匀速旋转，使金属原子均匀的镀在倾斜光纤光栅表面，并控制膜层厚度；

镀膜光纤表面光热材料的附着：首先通过直接生长的方法在铜片上形成一层光热材料，然后将铜片上的合适大小的光热材料转移到光纤的金属膜表面，利用静电吸附原理吸附在镀膜光纤表面。

3.根据权利要求1-2任一项所述的等离子体共振光纤热线风速计，其特征在于，所述倾斜光纤光栅的长度为10-20mm，工作波长为1250-1550nm，倾斜角度为37度。

4.根据权利要求1-2任一项所述的等离子体共振光纤热线风速计，其特征在于，所述金属膜为金膜，该金膜的膜层厚度为30-50nm。

5.根据权利要求1-2任一项所述的等离子体共振光纤热线风速计，其特征在于，所述光热材料为碳纳米管薄膜，碳纳米管薄膜的膜层厚度为200-1000nm。

6.一种等离子体共振光纤热线风速检测系统，包括光源、光纤耦合器、起偏器和偏振控制器，其特征在于，还包括权利要求1-5任一项所述的等离子体共振光纤热线风速计、风筒和探测仪器，所述光源、光纤耦合器、起偏器、偏振控制器、风速计和探测仪器依次连接，所述风速计在测量风速时置于风筒中；所述光源包括泵浦光源和宽带光源。

7.根据权利要求6所述的等离子体共振光纤热线风速检测系统，其特征在于，所述泵浦光源为可调谐激光器，可调谐范围为1260-1360nm，该可调激光器工作波长与倾斜光纤光栅等离子体共振激发波长相匹配。

8.根据权利要求6所述的等离子体共振倾斜光纤光栅检测系统，其特征在于，所述宽带光源的工作波长范围为1250-1600nm。

9.根据权利要求6所述的等离子体共振倾斜光纤光栅检测系统，其特征在于，所述风筒的风速调节范围为0.05m/s-0.65m/s。

10.一种等离子体共振光纤热线风速检测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求6-9任一项所述的系统实现，包括以下步骤：

泵浦光源输出泵浦光，宽带光源输出观察光栅光谱的参照光，经过光纤耦合器耦合在一起入射，入射光经过起偏器后转变成线偏振光，偏振控制器将线偏振光的偏振方向调节成与倾斜光纤光栅侧向写入方向一致，调制好的线偏振光输入至等离子体共振光纤热线风速计后，部分光耦合到光纤表面被光热材料吸收，产生热效应从而使风速计处于高温状态，部分光激发金属膜表面等离子体共振波，部分光沿倾斜光纤光栅出射方向输出；其中，风速计的输出光通过探测仪器显示；

在测量风速时，将风速计置于风筒中，使风筒中的风速改变，空气流动会风速计表面的热量，从而产生强烈的等离子体共振波长偏移和强度调制，通过测量风速计处包层模的波长偏移和强度变化，实现风筒中不同风速的高精度测量。