CN110823896A - 一种光纤探针含气率测量系统以及光纤探针尖端制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤探针含气率测量系统以及光纤探针尖端制作方法，该系统包括：激光光源、光纤探针、光电转换元件、电流‑电压转化放大模块以及高频模拟信号采集卡；光纤探针主体置于多层不锈钢环状套管内，探针尖端呈圆锥形状，使用时可根据待测管道空间的不同选择不同规格的套管以及卡套进行固定；光纤探针尖端的制作，采用机械研磨法：使用光纤研磨纸以及可绕自身轴线进行自转的机械加工圆台作为工具对光纤探针尖端进行接触旋转研磨加工：首先使用较粗颗粒的研磨精度进行粗加工，然后使用较细颗粒的研磨纸进行研磨以及抛光。该制作方法简便、可操作性强、易于维护和调整、占地空间小，可直接应用于诸如窄缝通道等狭小空间内气液两相流中含气率的测量。
Description
技术领域
本发明属于两相流测量技术领域，具体涉及一种光纤探针含气率测量系统以及光纤探针尖端制作方法。
背景技术
对于管道中的气液两相流而言，截面含气率是其中最重要的参数之一，在研究流道内流体压力降以及传热特性的时候是一个不可或缺的参数，尤其在核工业、化工、航空航天和热能动力等领域需要准确的截面含气率测量值。
目前，国内外对于气液两相流截面含气率的主要测量方法有电导探针法、超声法、射线法以及光学法等。光纤探针法相比于其他方法而言具有以下优点：(1)以光波为载体传递信息，抗电磁干扰能力强，电绝缘性能优良，具有耐高压、耐腐蚀等特性。(2)光纤传感器具有几何形状适应性、体积小、重量轻等特点，因此其可以放置在很多微小的空间内实现传和感的功能，实现传感网络或阵列分布。(3)光纤传感技术具有频带宽和动态监测范围大的优点，被测对象不受传感器本身尺寸的影响，可显著提高测量准确性和测量精度。目前市面上的光纤探针多数采用探头和光纤粘合的方式，一方面对加工工艺要求较高，另一方面在高温高压的工况下容易出现耐久度差、探头脱落的现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光纤探针含气率测量系统以及光纤探针尖端制作方法，能够解决目前现有的光纤探针良品率不高、探头容易脱落的问题，同时具备操作维护简便、占地空间小等优点。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光纤探针含气率测量系统，包括光纤探针装置、配套的光电转化电路装置和采集记录设备；所述光纤探针装置包括激光光源1和光纤探针，所述光纤探针包括输入光纤2、输出光纤5、光纤探针主体3和光纤探针尖端4，所述光纤探针尖端4位于光纤探针主体3的一端，输入光纤2和输出光纤5分别位于光纤探针主体3另一端的两侧；输入光纤2一端与激光光源1相连，光纤探针尖端4置于待测通道内；所述光电转化电路装置包括光电转化元件6和电流-电压转换放大模块7，所述光电转化元件6的感光面与输出光纤5一端耦合，所述电流-电压转换放大模块7包含输入端、输出端以及放大倍数调整旋钮，电流-电压转换放大模块7的输入端与光电转化元件6相连；采集记录设备包括高频模拟信号采集卡8和与高频模拟信号采集卡8连接的计算机9，所述高频模拟信号采集卡8包括信号输入端和输出端，输入端和电流-电压转换放大模块7的输出端相连，输出端连接至计算机9。
所述激光光源1为可见光激光光源。
所述光纤探针结为输入光纤2和输出光纤5一端相耦合的Y字型光纤。
所述光纤探针主体3采用多段不锈钢套管保护。
所述光纤探针尖端4的形状为圆锥形，锥角为30°-90°。
所述光电转化元件6为峰值波长与激光光源1相匹配的高速硅光电池，感光面与输出光纤5接触。
所述电流-电压转换放大模块7带宽不低于1MHz，放大倍数不低于10倍。
所述高频模拟信号采集卡8的采集频率不低于100KHz，最大可输入直流电压信号不低于±10V。
一种光纤探针尖端制造方法，其特征在于，所述光纤探针尖端制造方法采用的光纤探针尖端制造装置包括研磨机底座10，固定在研磨机底座10上的驱动装置11，与驱动装置11连接的用于传动的轴承12，置于轴承12上的用于固定研磨纸的旋转托盘13，固定在驱动装置11一侧的竖直支架支撑臂14，能够在竖直支架支撑臂14上进行水平移动的竖直支架15，位于竖直支架15上的夹持旋转臂固定螺栓16和夹持旋转臂调节旋钮17，位于竖直支架靠近旋转托盘13一侧的夹持旋转臂18；启动该装置后，驱动装置11内电机通过轴承12带动旋转托盘13绕圆心转动；使用夹持旋转臂固定螺栓16将夹持旋转臂18进行夹角可调的固定；在竖直支架15中，夹持旋转臂18后连有蜗杆，通过夹持旋转臂调节旋钮17在竖直支架15中关联的齿轮和涡轮形成传动关系，通过调节夹持旋转臂调节旋钮17实现夹持旋转臂18的绕轴旋转；
所述制造方法包括如下步骤：
步骤1：剥去光纤包覆层，露出裸纤，将裸纤套入不锈钢管内，并对裸纤进行端面切割及清洁处理；
步骤2：对多段不锈钢套管和露出的待加工的光纤探针尖端进行固定；
步骤3：使用夹持旋转臂18对不锈钢管进行固定，调节夹持旋转臂固定螺栓16使不锈钢管与旋转托盘13水平面成与欲加工圆锥锥角相同的角度，并移动竖直支架使欲研磨尖端处于旋转托盘边缘位置；
步骤4：在旋转托盘13上固定一张光纤研磨纸，启动装置使旋转托盘13和夹持旋转臂18开始旋转，并使光纤探针尖端以及研磨纸接触，研磨出所需的圆锥形状，在研磨过程中利用光学显微镜确认研磨表面的平整程度。
所述的光纤探针尖端制造方法，其特征在于，先使用较粗颗粒(≤5μm)精度的光纤研磨纸加工出雏形，再更换较细颗粒(≤1μm)精度的光纤研磨纸进行进一步的打磨和抛光；所述旋转托盘13和夹持旋转臂18的转速不超过30转/分钟。
和现有技术相比，本发明具备如下优点：
本发明提供的光纤探针含气率测量系统操作简便，占地空间小，光纤探针的尺寸可根据待测量通道的尺寸而灵活变化使从而其对通道中流体的影响最小化；同时，根据测量需求的不同，收集到的信号波形变化可以选择实时在计算机上显示，达到对通道中含气率进行实时监测的目的；在本发明提供的光纤探针含气率测量系统方案及光纤探针尖端制造方法方案中，光纤探针尖端直接由光纤加工而成，解决了探头和光纤粘结容易脱落的问题，同时石英光纤具有良好的可加工性，本方案中光纤探针尖端一体式直接成型研磨加工过程与传统光纤探针尖端制备过程相比较为简易，具备大批量生产的潜力。
附图说明
图1为光纤探针含气率测量系统结构示意图。
图2为光纤探针尖端制造装置示意图。
图中各数字标号代表如下：1为激光光源，2为输入光纤，3为光纤探针主体，4为光纤探针尖端，5为输出光纤，6为光电转换元件，7为电流-电压转化放大模块，8为高频模拟信号采集卡，9为计算机；10为研磨机底座，11为驱动装置，12为轴承，13为旋转托盘，14为竖直支架支撑臂，15为竖直支架，16为夹持旋转臂固定螺栓，17为夹持旋转臂调节旋钮，18为夹持旋转臂。
具体实施方式
为了更加清楚地解释本发明专利的技术方案及优点，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
在以下描述中需要指出的是，为了便于描述本发明和简化描述，所采用的“水平”、“竖直”等术语皆是指基于附图所述的相对位置关系，而不是暗指所述装置或元件必须具备的特指的位置或方位进行特定的操作，故不能理解为对本发明的限制。
还需要指出的是，除非有特别提出明确的限定，“连接”、“相连”、“相接”等术语应当做泛指，例如，可以指固定连接、可拆卸链接、通过介质相连接或是某种机械结构连接等等。
如图1所示，本发明一种光纤探针含气率测量系统，其中，激光光源1与输入光纤2相连接，光纤探针尖端4利用卡套置于待测通道内，输出光纤5与光电转化元件6的感光面相连，光电转化元件6接至电流-电压转化放大模块7输入端，电流-电压转化放大模块7输出端与高频模拟信号采集卡8的模拟信号输入端连接，高频模拟信号采集卡8通过USB接口和计算机9连接，由计算机程序进行电压信号变化的采集和记录，以及进行波形图的绘制。
所述光纤探针主体3置于不锈钢套管内，光纤探针尖端4露出不锈钢套管1mm-3mm。
可选地，304不锈钢多层套管外径从底座至尖端分别为3mm，1.5mm，0.5mm-1.0mm，壁厚的选择应遵循内套管的外壁与外套管的内壁之间的空隙不大于0.05mm的原则。
可选地，激光光源1为50mw(不应低于30mw)、650nm的可见光激光光源，使用干电池供电，也可使用稳压直流电源供电。
光纤探针尖端4形状为圆锥形，可选地，锥角为30°-90°。
不锈钢套管通过底座和光纤探针主体3相连接，不锈钢套管之间及不锈钢套管和底座之间通过粘合剂连接。
光电转化元件6为感光面积为3mm*3mm、峰值波长650nm的高速硅光电池。
电流-电压转换放大模块7采用双电源供电方式，带宽不低于1MHz，放大倍数为0-100倍可调，电源供电采用双通道稳压直流电源供电。
进一步的，光纤探针尖端4锥角可以有其他变化，经由理论计算，输出光纤5返回的信号光强弱与光纤探针尖端4锥角的变化有一定的关系，其中在锥角为30°-90°之间返回的信号光强度为佳，在具体实施方式中可以根据实际管道和工况而定。
进一步的，粘合剂可以是耐高温胶、焊锡等。
本发明光纤探针含气率测量系统的工作原理为：将光纤探针主体3固定于待测通道中，激光光源1输出的信号光通过输入光纤2传输至光纤探针尖端4，根据通过光纤探针尖端4的相态不同，光纤探针尖端返回强弱两种光强。由于气液两相折射率不同，由光的全反射原理可知，当光纤探针尖端通过的是气相时，信号光被反射回来，输出光纤5输出一个较强的光信号；当探针尖端通过的是液相时，信号光折射出光纤尖端，输出光纤5输出一个较弱的光信号。输出光纤5输出的光信号经由光电转化元件6转化为电信号，高电位代表气相，低电位代表液相。本实例中高速硅光电池由于光信号激励产生光电流，通过电流-电压转化放大模块7转化为能够被高频模拟信号采集卡8所记录的模拟直流电压信号。同时，电流-电压转化放大模块7对初始相对微弱的信号提供放大功能，使信号更加容易识别，同时也为后续数据处理提供便利。高频模拟信号采集卡8对电流-电压转化放大模块6输出的模拟直流电压信号进行数模转换并传输至计算机9，计算机9进行数据的采集记录和电压信号变化波形图的绘制，随着混合流体不断流过光纤探针尖端，计算机9会接收到不断变化的高低电位，经过一定的数据处理，可以得到混合流体的局部含气率。
上述为本发明所列举的一种可实施的方式，根据具体工况或管道不同，也可采用不同尺寸的不锈钢管或是用锡焊等方式固定光纤探针。
本发明专利还提供了一种制造光纤探针尖端的方法，结合图2所示，该光纤探针尖端制造方法采用的光纤探针尖端制造装置包括研磨机底座10，固定在研磨机底座10上的驱动装置11，与驱动装置11连接的用于传动的轴承12，置于轴承12上的用于固定研磨纸的旋转托盘13，固定在驱动装置11一侧的竖直支架支撑臂14，能够在竖直支架支撑臂14上进行水平移动的竖直支架15，位于竖直支架15上的夹持旋转臂固定螺栓16和夹持旋转臂调节旋钮17，位于竖直支架靠近旋转托盘13一侧的夹持旋转臂18；启动该装置后，驱动装置11内电机通过轴承12带动旋转托盘13绕圆心转动；使用夹持旋转臂固定螺栓16将夹持旋转臂18进行夹角可调的固定；在竖直支架15中，夹持旋转臂18后连有蜗杆，通过夹持旋转臂调节旋钮17在竖直支架15中关联的齿轮和涡轮形成传动关系，通过调节夹持旋转臂调节旋钮17实现夹持旋转臂18的绕轴旋转。
制造方法包括如下步骤：
步骤1：剥去光纤包覆层，露出裸纤，将裸纤套入不锈钢管内，并对裸纤进行端面切割及清洁处理；
步骤2：对多段不锈钢套管和露出的待加工的光纤探针尖端进行固定；
步骤3：使用夹持旋转臂18对不锈钢管进行固定，调节夹持旋转臂固定螺栓16使不锈钢管与旋转托盘13水平面成与欲加工圆锥锥角相同的角度，并移动竖直支架15使欲研磨尖端处于旋转托盘13边缘位置；
步骤4：将较粗颗粒的研磨纸固定于旋转托盘13之上，将光纤尖端与研磨纸之间的距离调节适当，启动研磨装置，驱动装置11中的电机通过轴承12带动旋转托盘13旋转，同时调节夹持旋转臂调节旋钮17使夹持旋转臂18进行绕轴旋转，并使光纤探针尖端以及研磨纸接触，研磨出所需的圆锥形状，在研磨过程中利用光学显微镜确认研磨表面的平整程度。
进一步的，由于光纤本身尺寸较小，为了不破坏其结构，上述旋转的转速不高于30转/分钟；
进一步的，使用光学显微镜对探针尖端的研磨程度进行确认，当已经可以看见明显的圆锥形状时，将较粗颗粒的研磨纸更换为较细颗粒的研磨纸，重复研磨步骤，直至探针尖端锥面平滑。
以上所述仅为本发明专利的优选实例，并不用于限制本发明专利的范围。本发明专利的范围由所附权利要求而定。不脱离本发明专利的原理和精神所做的替换和修改，均应涵盖在本发明专利的范围内。
Claims (10)
1.一种光纤探针含气率测量系统，其特征在于，包括光纤探针装置、配套的光电转化电路装置和采集记录设备；
所述光纤探针装置包括激光光源(1)和光纤探针，所述光纤探针包括输入光纤(2)、输出光纤(5)、光纤探针主体(3)和光纤探针尖端(4)，所述光纤探针尖端(4)位于光纤探针主体(3)的一端，输入光纤(2)和输出光纤(5)分别位于光纤探针主体(3)另一端的两侧；输入光纤(2)一端与激光光源(1)相连，光纤探针尖端(4)置于待测通道内；所述光电转化电路装置包括光电转化元件(6)和电流-电压转换放大模块(7)，所述光电转化元件(6)的感光面与输出光纤(5)一端耦合，所述电流-电压转换放大模块(7)包含输入端、输出端以及放大倍数调整旋钮，电流-电压转换放大模块(7)的输入端与光电转化元件(6)相连；采集记录设备包括高频模拟信号采集卡(8)和与高频模拟信号采集卡(8)连接的计算机(9)，所述高频模拟信号采集卡(8)包括信号输入端和输出端，输入端和电流-电压转换放大模块(7)的输出端相连，输出端连接至计算机(9)。
2.根据权利要求1所述的光纤探针含气率测量系统，其特征在于，所述激光光源(1)为可见光激光光源。
3.根据权利要求1所述的光纤探针含气率测量系统，其特征在于，所述光纤探针结构为Y字型。
4.根据权利要求1所述的光纤探针含气率测量系统，其特征在于，所述光纤探针主体(3)采用多段不锈钢套管保护。
5.根据权利要求1所述的光纤探针含气率测量系统，其特征在于，所述光纤探针尖端(4)的形状为圆锥形，锥角为30°-90°。
6.根据权利要求1所述的光纤探针含气率测量系统，其特征在于，所述光电转化元件(6)为峰值波长与激光光源(1)相匹配的高速硅光电池，感光面与输出光纤(5)接触。
7.根据权利要求1所述的光纤探针含气率测量系统，其特征在于，所述电流-电压转换放大模块(7)转换带宽不低于1MHz，放大倍数不低于10倍。
8.根据权利要求1所述的光纤探针含气率测量系统，其特征在于，所述高频模拟信号采集卡(8)的采集频率不低于100KHz，最大可输入直流电压信号不低于±10V。
9.一种光纤探针尖端制造方法，其特征在于，所述光纤探针尖端制造方法采用的光纤探针尖端制造装置包括研磨机底座(10)，固定在研磨机底座(10)上的驱动装置(11)，与驱动装置(11)连接的用于传动的轴承(12)，置于轴承(12)上的用于固定研磨纸的旋转托盘(13)，固定在驱动装置(11)一侧的竖直支架支撑臂(14)，能够在竖直支架支撑臂(14)上进行水平移动的竖直支架(15)，位于竖直支架(15)上的夹持旋转臂固定螺栓(16)和夹持旋转臂调节旋钮(17)，位于竖直支架靠近旋转托盘(13)一侧的夹持旋转臂(18)；启动该装置后，驱动装置(11)内电机通过轴承(12)带动旋转托盘(13)绕圆心转动；使用夹持旋转臂固定螺栓(16)将夹持旋转臂(18)进行夹角可调的固定；在竖直支架(15)中，夹持旋转臂(18)后连有蜗杆，通过夹持旋转臂调节旋钮(17)在竖直支架(15)中关联的齿轮和涡轮形成传动关系，通过调节夹持旋转臂调节旋钮(17)实现夹持旋转臂(18)的绕轴旋转；
所述制造方法包括如下步骤：
步骤1：剥去光纤包覆层，露出裸纤，将裸纤套入不锈钢管内，并对裸纤进行端面切割及清洁处理；
步骤2：对多段不锈钢套管和露出的待加工的光纤探针尖端进行固定；
步骤3：使用夹持旋转臂(18)对不锈钢管进行固定，调节夹持旋转臂固定螺栓(16)使不锈钢管与旋转托盘(13)水平面成与欲加工圆锥锥角相同的角度，并移动竖直支架(15)使欲研磨尖端处于旋转托盘(13)边缘位置；
步骤4：在旋转托盘(13)上固定一张光纤研磨纸，启动装置使旋转托盘(13)和夹持旋转臂(18)开始旋转，并使光纤探针尖端以及研磨纸接触，研磨出所需的圆锥形状，在研磨过程中利用光学显微镜确认研磨表面的平整程度。
10.根据权利要求9所述的光纤探针尖端制造方法，其特征在于，先使用≤5μm较粗颗粒的光纤研磨纸加工出雏形，再更换≤1μm较细精度的光纤研磨纸进行打磨和抛光进行细加工；所述旋转托盘(13)和夹持旋转臂(18)的转速不超过30转/分钟。
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