CN112284430B - 一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，其特征在于：包括宽带光源、光偏振器、光偏振控制器、频率可调谐微波源、电光调制器、光放大器、光环行器、传输光纤、双腔法布里‑珀罗探头、光电探测器、锁相放大器、矢量微波探测器、计算机、测量管道与多相流。其中双腔法布里‑珀罗探头包括传感光纤、毛细玻璃管、反射器和二氧化硅压力敏感膜片，由反射器和传感光纤的端面构成第一法布里‑珀罗腔，由传感光纤的端面和二氧化硅压力敏感膜片构成第二法布里‑珀罗腔；二氧化硅压力敏感膜片与被测多相流相接触，第一和第二法布里‑珀罗腔的两个反射面对应的光程差均大于宽带光源的相干长度，而小于微波源的相干长度。
Description
技术领域
本发明属于多相流测试领域，具体为一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置。
背景技术
两相及多相流是具有两种或两种以上不同相态或不同组分的混合流体，在化工、能源、水利、冶金、气象、生物、食品加工、航空航天等重要领域都普遍存在，理解和掌握多相流的流动特性与参数，对国民经济和社会发展具有重要意义。多相流流动形态复杂多变，且易受黏度、表面张力、传热系数、压力等因素的影响，为了深入了解多相流流动机理及特性，国内外研究人员研究了多种多相流检测方法，包括电导法、电容法、声学法、高速摄影法、射线法以及差压法等。然而现有多相流检测技术大多可检测对象单一，且存在易受电磁干扰，测量精度低，具有放射性等问题，且在实际应用中往往需对多个参量进行高精度测量。
随着激光与光纤技术的发展，基于激光和光纤的多相流检测技术因具有电绝缘、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、占用空间小、重量轻、长距离、大范围、灵敏度高等优点受到国内外学者的广泛关注。其中光干涉仪常被用于实现高精度测量，而光纤干涉仪和其它干涉仪一样，其干涉的实现主要包括分光和合束两个过程。光干涉通过叠加两个或多个具有一定传播时延的相干光波，在时域、空间或者频域中产生周期性的干涉图样，在干涉图中所包含的波振幅、频率以及相位信息可用于计算传播时延，因此可将待测信息编入传播时延，进而解调出所需信息。干涉仪已被广泛用于各种物理、化学以及生物量(例如温度，应变，压力，旋转，折射率等)的精确测量。其中光纤法布里-珀罗干涉仪被广泛使用。
由于多模光纤的模式色散，采用多模光纤制作的法布里-珀罗干涉仪因多模干涉引起的噪声会导致条纹可见度较低。因此，为了实现高精度测量，传统全光光纤法布里-珀罗干涉系统一般只能采用单模光纤，且为避免在测量时出现偏振衰落的问题，通常需要采用价格较贵的保偏光纤来制作，以严格控制光束的偏振态，实现较高的测量精度。同时，为了实现较高的信号质量，传统全光法布里-珀罗干涉仪的反射器表面光滑度需要远小于光波长，故在加工反射面时需要非常高的精度。
基于此，有必要发明一种新的光纤干涉测量系统与方法，以解决现有两相及多相流非侵入、高精度流场信息探测，以及多参量特征融合分析难题。
发明内容
本发明为克服上述现有技术的缺点，提出了一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，该装置能够同时实现对两相及多相流压力、温度、折射率等特征参量的高精度测量。本发明是采用如下技术方案实现的：
一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，其特征在于：包括宽带光源、光偏振器、光偏振控制器、频率可调谐微波源、电光调制器、光放大器、光环行器、传输光纤、双腔法布里-珀罗探头、光电探测器、锁相放大器、矢量微波探测器、计算机、测量管道与多相流。其中双腔法布里-珀罗探头包括传感光纤、毛细玻璃管、反射器和二氧化硅压力敏感膜片，由反射器和传感光纤的端面构成第一法布里-珀罗腔，由传感光纤的端面和二氧化硅压力敏感膜片构成第二法布里-珀罗腔；二氧化硅压力敏感膜片与被测多相流相接触，第一和第二法布里-珀罗腔的两个反射面对应的光程差均大于宽带光源的相干长度，而小于微波源的相干长度。
优选地：
宽带光源的信号输出端通过单模光纤跳线与光偏振器的入射端连接，光偏振器的出射端通过单模光纤跳线与光偏振控制器的入射端连接；光偏振控制器的输出端与电光调制器的输入端连接；频率可调谐微波源的信号输出端与电光调制器的信号输入端连接；电光调制器的输出端与光放大器的输入端连接；光放大器输出端通过光纤跳线与光环行器的信号入射端连接；光环行器的反射端与传输光纤连接；传输光纤与双腔法布里-珀罗探头连接；光环行器的信号输出端通过光纤跳线与光电探测器的入射端连接；光电探测器的出射端通过高频电缆与锁相放大器的信号输入端连接；锁相放大器的参考信号输入端与频率可调谐微波源的参考信号输出端连接；锁相放大器的信号输出端通过高频电缆与矢量微波探测器的信号输入端连接，矢量微波探测器的信号输出端与计算机的信号输入端连接。
传输光纤可根据实际需求选择单模光纤或者多模光纤，而且其长度是可调的。
反射器在传感光纤中加工得到。
双腔法布里-珀罗探头嵌于两相/多相流管道内壁中，且探头端面与管道内壁齐平。
矢量微波探测器可同时探测微波信号的振幅和相位信息，如采用矢量网络分析仪。
宽带光源输出的载波信号经光偏振器和光偏振控制器调制后进入电光调制器；频率可调谐微波源输出的微波信号经电光调制器调制后加载到载波信号上形成光载微波信号；电光调制器输出的光载微波信号经光放大器放大后输入到光环行器，经光环形器的反射端输出后进入传输光纤；通过传输光纤进入双腔法布里-珀罗探头；并在双腔法布里-珀罗探头的反射面处发生反射；反射的光载微波信号相遇后发生干涉并返回光环行器；干涉信号从光环行器的出射端输出后进入光电探测器；经光电探测器后转换为电信号；将该电信号输入锁相放大器以实现与微波源输出微波信号的同频率检测，锁相放大器输出的信号被矢量微波探测器接收，将矢量微波探测器采集到的微波干涉信号输入到计算机进行处理。通过对频率可调谐微波源进行扫频，即可得到微波干涉谱。通过对微波干涉谱进行逆傅里叶变换，结合时域门函数可实现对微波干涉谱的重构，分别得到第一和第二法布里-珀罗腔对应的微波干涉谱。在不同的多相流流型流态下，双腔法布里-珀罗探头探测到不同的包括压力、温度、折射率在内的多相流流场信息，其中压力、温度信息会导致两个法布里-珀罗腔反射的光载微波信号对应的光程差发生改变，使其对应的微波干涉谱发生频移，而双腔法布里-珀罗探头的两个腔对温度和压力的敏感性不同，第一法布里-珀罗腔对压力不敏感，主要用于测量温度信息，第二法布里-珀罗腔对温度和压力均敏感，从而通过构造两个腔的灵敏度系数矩阵，补偿两个参数之间的交叉灵敏度，可实现温度和应变两个参数的同时测量；而流场折射率的变化会导致微波干涉谱的幅度信息发生对应的变化，所以通过解调微波干涉谱的频移信息以及幅度信息可同时得到需要测量的包括压力、温度、折射率在内的多相流流场信息。
该装置可用于气液、液液等两相流不同流型流态测量，也可以应用于油气水三相流等多相流不同流型流态的测量研究。
与目前多相流测试技术及光纤干涉技术相比，一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置具有如下优点：
一、本发明所述的一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，基于光载微波信号干涉的双腔法布里-珀罗光纤探头，可同时实现两相及多相流中压力、温度、折射率等多个特征参量的高精度测量。
二、本发明所述的一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置兼具光和微波测量技术两者的优势，具有高的灵敏度和测量精度。本发明对信号的调制、检测和解调都同步到相同的微波频率，对于传统的全光光纤法布里-珀罗干涉系统，光电探测器的探测速度不足以解调很高的光频震荡，但微波可以在其基本震荡频率内解调，因此本发明所述的光载微波干涉技术具有更高的信噪比。
三、本发明所述的一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置对光波导类型不敏感，单模光纤和多模光纤均可采用。多模光纤由于其纤芯直径大，具有光耦合效率高、传输功率大等优点。然而，对于传统的全光光纤干涉仪，多模光纤由于模式色散大、多模干涉引起的噪声导致条纹可见度较低，很难用于光学干涉仪的制作，因此与传统的全光光纤法布里-珀罗干涉技术相比，该发明所述方案可根据具体测量对象和使用环境而灵活选取探头构成材料以及传输波导类型。
四、本发明所述一种基于光载微波干涉的多相流多参数光纤探测装置对光偏振变化不敏感。因为在该系统中，干涉是微波包络相干叠加的结果，传统全光干涉仪普遍面临的偏振衰落问题对其影响很小。
五、本发明所述的技术对干涉仪的加工精度要求较低。传统全光干涉仪为获得高质量的干涉信号，其反射器的表面光滑度往往需要远小于系统的光波长，这对加工精度要求非常高，增加了制作的技术难度和成本。因微波波长远大于光波光长，在不影响探测装置信号质量的前提下，其可以较低的精度加工，降低了制作难度和成本。
本发明有效解决了传统多相流测试技术在多参量检测方面存在的检测对象单一、易受电磁干扰、测量精度低、放射性、使用环境受限、信噪比低、对波导类型较敏感，偏振依赖性以及制作难度大等问题，为科学研究和工程应用中深入认识两相/多相流动特性和机理提供了新的研究手段。
附图说明
图1是本发明所述一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置结构示意图，管道内以气液两相环状流为例。
图中：1-宽带光源、2-光偏振器、3-光偏振控制器、4-频率可调谐微波源、5-电光调制器、6-光放大器、7-光环行器、8-传输光纤、9-双腔法布里-珀罗探头、10-光电探测器、11-锁相放大器、12-矢量微波探测器、13-计算机、18-测量管道、19-多相流(以环状流液膜为例)。
图2法布里-珀罗探头的结构示意图。
图中：9-双腔法布里-珀罗探头、14-传感光纤、15-毛细玻璃管、16-反射器、17-二氧化硅压力敏感膜片。
具体实施方式
1.一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，包括宽带光源1、光偏振器2、光偏振控制器3、频率可调谐微波源4、电光调制器5、光放大器6、光环行器7、传输光纤8、双腔法布里-珀罗探头9、光电探测器10、锁相放大器11、矢量微波探测器12、计算机13、测量管道18与多相流19。其中双腔法布里-珀罗探头9包括传感光纤14、毛细玻璃管15、反射器16和二氧化硅压力敏感膜片17，由反射器16和传感光纤14的端面构成第一法布里-珀罗腔，由传感光纤14的端面和二氧化硅压力敏感膜片17构成第二法布里-珀罗腔；二氧化硅压力敏感膜片17与被测多相流相接触，第一和第二法布里-珀罗腔的两个反射面对应的光程差均大于宽带光源的相干长度，而小于微波源的相干长度。
宽带光源1的信号输出端通过单模光纤跳线与光偏振器2的入射端连接，光偏振器2的出射端通过单模光纤跳线与光偏振控制器3的入射端连接；光偏振控制器3的输出端与电光调制器5的输入端连接；频率可调谐微波源4的信号输出端与电光调制器5的信号输入端连接；电光调制器5的输出端与光放大器6的输入端连接；光放大器6输出端通过光纤跳线与光环行器7的信号入射端连接；光环行器7的反射端与传输光纤8连接；传输光纤8与双腔法布里-珀罗探头9连接；光环行器7的信号输出端通过光纤跳线与光电探测器10的入射端连接；光电探测器10的出射端通过高频电缆与锁相放大器11的信号输入端连接；锁相放大器11的参考信号输入端与频率可调谐微波源4的参考信号输出端连接；锁相放大器11的信号输出端通过高频电缆与矢量微波探测器12的信号输入端连接，矢量微波探测器12的信号输出端与计算机13的信号输入端连接。
具体实施时，传输光纤8可根据实际需求选择单模光纤或者多模光纤，而且其长度是可调的。
具体实施时，反射器16在传感光纤14中加工得到。
具体实施时，双腔法布里-珀罗探头9嵌于多相流管道内壁中，且探头端面与管道内壁齐平，也可根据实际测量需求将探头置于被测对象中。
具体实施时，矢量微波探测器12需可同时探测微波信号的振幅和相位信息，如采用矢量网络分析仪。
具体实施时，宽带光源1输出的载波信号经光偏振器2和光偏振控制器3调制后进入电光调制器5；频率可调谐微波源4输出的微波信号经电光调制器5调制后加载到载波信号上形成光载微波信号；电光调制器5输出的光载微波信号经光放大器6放大后输入到光环行器7，经光环形器7的反射端输出后进入传输光纤8；通过传输光纤8进入双腔法布里-珀罗探头9；并在双腔法布里-珀罗探头9的反射面处发生反射；反射的光载微波信号相遇后发生干涉并返回光环行器7；干涉信号从光环行器7的出射端输出后进入光电探测器10；经光电探测器10后转换为电信号；将该电信号输入锁相放大器11以实现与微波源输出微波信号的同频率检测，锁相放大器11输出的信号被矢量微波探测器12接收，将矢量微波探测器12采集到的微波干涉信号输入到计算机13进行处理。通过对频率可调谐微波源4进行扫频，即可得到微波干涉谱。通过对微波干涉谱进行逆傅里叶变换，结合时域门函数可实现对微波干涉谱的重构，分别得到第一和第二法布里-珀罗腔对应的微波干涉谱。在不同的多相流流型流态下，双腔法布里-珀罗探头9探测到不同的包括压力、温度、折射率在内的多相流流场信息，其中压力、温度信息会导致两个法布里-珀罗腔反射的光载微波信号对应的光程差发生改变，使其对应的微波干涉谱发生频移，而双腔法布里-珀罗探头9的两个腔对温度和压力的敏感性不同，第一法布里-珀罗腔对压力不敏感，主要用于测量温度信息，第二法布里-珀罗腔对温度和压力均敏感，从而通过构造两个腔的灵敏度系数矩阵，补偿两个参数之间的交叉灵敏度，可实现温度和应变两个参数的同时测量；而流场折射率的变化会导致微波干涉谱的幅度信息发生对应的变化，所以通过解调微波干涉谱的频移信息以及幅度信息可同时得到需要测量的包括压力、温度、折射率在内的多相流流场信息。
具体实施时，该装置可用于气液、液液等两相流不同流型流态测量，也可以应用于油气水三相流等多相流不同流型流态的测量研究。
Claims (8)
1.一种基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，其特征在于：包括宽带光源(1)、光偏振器(2)、光偏振控制器(3)、频率可调谐微波源(4)、电光调制器(5)、光放大器(6)、光环行器(7)、传输光纤(8)、双腔法布里-珀罗探头(9)、光电探测器(10)、锁相放大器(11)、矢量微波探测器(12)、计算机(13)和测量管道(18)；其中，双腔法布里-珀罗探头(9)包括传感光纤(14)、毛细玻璃管(15)、反射器(16)和二氧化硅压力敏感膜片(17)，由反射器(16)和传感光纤(14)的端面构成第一法布里-珀罗腔，由传感光纤(14)的端面和二氧化硅压力敏感膜片(17)构成第二法布里-珀罗腔；二氧化硅压力敏感膜片(17)与被测多相流相接触，第一和第二法布里-珀罗腔的两个反射面对应的光程差均大于宽带光源的相干长度，而小于频率可调谐微波源(4)的相干长度；宽带光源(1)的信号输出端通过单模光纤跳线与光偏振器(2)的入射端连接，光偏振器(2)的出射端通过单模光纤跳线与光偏振控制器(3)的入射端连接；光偏振控制器(3)的输出端与电光调制器(5)的输入端连接；频率可调谐微波源(4)的信号输出端与电光调制器(5)的信号输入端连接；电光调制器(5)的输出端与光放大器(6)的输入端连接；光放大器(6)输出端通过光纤跳线与光环行器(7)的信号入射端连接；光环行器(7)的反射端与传输光纤(8)连接；传输光纤(8)与双腔法布里-珀罗探头(9)的传感光纤(14)连接；光环行器(7)的信号输出端通过光纤跳线与光电探测器(10)的入射端连接；光电探测器(10)的出射端通过高频电缆与锁相放大器(11)的信号输入端连接；锁相放大器(11)的参考信号输入端与频率可调谐微波源(4)的参考信号输出端连接；锁相放大器(11)的信号输出端通过高频电缆与矢量微波探测器(12)的信号输入端连接，矢量微波探测器(12)的信号输出端与计算机(13)的信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，其特征在于：传输光纤(8)根据实际需求选择单模光纤或者多模光纤，而且其长度是可调的。
3.根据权利要求1所述的基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，其特征在于：所述的反射器(16)在传感光纤(14)中加工得到。
4.根据权利要求1所述的基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，其特征在于：双腔法布里-珀罗探头(9)嵌于多相流管道内壁中，且探头端面与管道内壁齐平。
5.根据权利要求1所述的基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，其特征在于：矢量微波探测器(12)可同时探测微波信号的振幅和相位信息。
6.根据权利要求1所述的基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，其特征在于：矢量微波探测器为矢量网络分析仪。
7.根据权利要求1所述的基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，其特征在于，宽带光源(1)输出的载波信号经光偏振器(2)和光偏振控制器(3)调制后进入电光调制器(5)；频率可调谐微波源(4)输出的微波信号经电光调制器(5)调制后加载到载波信号上形成光载微波信号；电光调制器(5)输出的光载微波信号经光放大器(6)放大后输入到光环行器(7)，经光环行 器(7)的反射端输出后进入传输光纤(8)；通过传输光纤(8)进入双腔法布里-珀罗探头(9)；并在双腔法布里-珀罗探头(9)的反射面处发生反射；反射的光载微波信号相遇后发生干涉并返回光环行器(7)；干涉信号从光环行器(7)的出射端输出后进入光电探测器(10)；经光电探测器(10)后转换为电信号；将该电信号输入锁相放大器(11)以实现与频率可调谐微波源(4)输出微波信号的同频率检测，锁相放大器(11)输出的信号被矢量微波探测器(12)接收，将矢量微波探测器(12)采集到的微波干涉信号输入到计算机(13)进行处理；通过对频率可调谐微波源(4)进行扫频，即得到微波干涉谱；通过对微波干涉谱进行逆傅里叶变换，结合时域门函数实现对微波干涉谱的重构，分别得到第一和第二法布里-珀罗腔对应的微波干涉谱；在不同的多相流流型流态下，双腔法布里-珀罗探头(9)探测到不同的包括压力、温度、折射率在内的多相流流场信息，其中压力、温度信息会导致两个法布里-珀罗腔反射的光载微波信号对应的光程差发生改变，使其对应的微波干涉谱发生频移，而双腔法布里-珀罗探头(9)的两个腔对温度和压力的敏感性不同，第一法布里-珀罗腔对压力不敏感，主要用于测量温度信息，第二法布里-珀罗腔对温度和压力均敏感，从而通过构造两个腔的灵敏度系数矩阵，补偿两个参数之间的交叉灵敏度，实现温度和应变两个参数的同时测量；而流场折射率的变化会导致微波干涉谱的幅度信息发生对应的变化，从而，通过解调微波干涉谱的频移信息以及幅度信息同时得到需要测量的包括压力、温度、折射率在内的多相流流场信息。
8.根据权利要求1-7任意一项所述的基于光载微波干涉的多相流多参量光纤探测装置，其特征在于：该装置或用于包括气液、液液在内的两相流不同流型流态测量，或应用于包括油气水三相流在内的多相流不同流型流态的测量。
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