CN114354974B - 一种基于双芯光纤的分布式风速传感器、测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双芯光纤的分布式风速传感器、测量装置和方法，涉及风速测量的技术领域，双芯光纤包括第一纤芯和第二纤芯；金属膜完全包覆在双芯光纤的圆周表面上；双芯光纤为非对称双芯光子晶体光纤，第一纤芯的轴心到双芯光纤圆周表面的最短距离小于第二纤芯的轴心到双芯光纤圆周表面的最短距离。本发明利用金属膜作为温敏材料层，利用激光传播产生的泄漏光加热金属膜，不会对风场造成影响；激光和脉冲光在双芯光纤中分离传输，防止激光对脉冲光造成干扰，减少了脉冲光的损耗；与传统风速传感器只能测量设置光栅点的风速相比，本发明无需刻写光栅，结构简单，并由于使用整根双芯光纤作为风速传感器，实现了对风速的分布式测量。

Description

一种基于双芯光纤的分布式风速传感器、测量装置和方法
技术领域
本发明涉及风速测量的技术领域，更具体地，涉及一种基于双芯光纤的分布式风速传感器、测量装置和方法。
背景技术
随着工业化程度的不断提高，电力、钢铁、石化等许多领域都要用到风速传感器对风速进行监测。传统的风速传感器有风杯风速传感器、螺旋桨式风速传感器等，这些传感器容易受到电磁干扰，在恶劣环境下容易受到破坏。目前的光纤风速传感器主要有两大类，一种是通过弯曲或扭曲光纤的结构来测量风速，这种测量方法容易损坏光纤。另一种是热线式光纤风速传感器，多利用光纤光栅作为传感元件，包层外的金属膜吸收耦合到光纤包层的泵浦光并转化为热量，从而加热光纤光栅，利用风速变化对光纤光栅温度的影响实现对风速的测量。这一类通过光纤光栅作为传感元件的光纤风速传感器只能测量出刻写了光纤光栅的位置的风速。
现有技术公开了一种基于光纤光栅的风速传感装置及风速风向监测系统，包括风能传递机构、等强度悬臂梁和封装外壳；风能传递机构由迎风受压板和连接杆组成，连接杆垂直于迎风受压板，一端固定在连接杆的圆心，另一端固定在等强度悬臂梁的顶端；等强度悬梁臂的正反两面轴线位置分别贴有一支光纤光栅，通过迎风受压板在风压作用推动等强度梁发生弯曲形变，两面所焊接的光纤光栅被分别受到拉伸而发生形变，从而测算风向风速。该方法利用光纤光栅的形变测量风速，容易损坏光纤，并且仅能测量出刻写光栅位置的分别风速，无法对风速实现分布式测量。另一现有技术公开了一种三维光纤布拉格光栅风速风向传感器及系统，包括：三维光纤布拉格光栅风速风向传感器、光纤耦合器、波长解调装置、宽带光源、模块运算设备，三维光纤布拉格光栅风速风向传感器通过光纤与光纤耦合器连接，光纤耦合器分别与宽带光源和波长解调装置连接，波长解调装置与模块运算设备连接。该发明设独立的温度补偿光栅，可同时测量风速和风向，通过布置多个传感器可形成测量网络，实现多点测量；该发明同样需要刻写光纤布拉格光栅，通过布置多个传感器实现多点测量，仍然无法对风速实现分布式测量。
发明内容
本发明为克服上述现有技术无法测量出分布式风速的缺陷，提供一种基于双芯光纤的分布式风速传感器、测量装置和方法，能够实现对风速的分布式测量。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种基于双芯光纤的分布式风速传感器，所述风速传感器包括双芯光纤和金属膜；双芯光纤包括第一纤芯和第二纤芯；
所述金属膜完全包覆在双芯光纤的圆周表面上；
所述第一纤芯的轴心到双芯光纤圆周表面的最短距离H1小于第二纤芯的轴心到双芯光纤圆周表面的最短距离H2。
本发明利用圆周表面完全包覆金属膜的整根双芯光纤作为风速传感器，第一纤芯距离双芯光纤圆周表面比第二纤芯距离双芯光纤圆周表面更近，第一纤芯用于传播激光，利用激光传播时产生的泄漏光加热金属膜，令整根双芯光纤达到一定初始温度；第二纤芯用于传播脉冲光，脉冲光传播时产生的背向散射光的散射光谱反映出双芯光纤温度信息，具体的，利用的是脉冲光传播时产生的布里渊背向散射光；风吹过金属膜时，气流为金属膜降温，双芯光纤的温度也降低，散射光谱的频率改变；根据多芯光纤不同位置的频率分布，计算出风速分布。
优选地，所述第一纤芯和第二纤芯的平行设置。
优选地，所述第二纤芯的轴心与双芯光纤的轴心重合。
优选地，所述第一纤芯的轴心到双芯光纤圆周表面的最短距离H1的范围为10-50微米。由于是利用激光传播过程产生的泄漏光加热金属膜，将最短距离H1设置为10-50微米，保证泄漏光均匀漏出。
优选地，所述第一纤芯和第二纤芯沿径向的截面均为圆形。
优选地，所述金属膜为银膜。
优选地，所述双芯光纤为双芯光子晶体光纤。双芯光子晶体光纤的包层区排列有气孔，由于第二纤芯的轴心与双芯光纤的轴心重合，包围第二纤芯的气孔较多，将脉冲光完全束缚在第二纤芯中传输；第一纤芯靠近双芯光纤表面，包围第二纤芯的气孔较小，激光传播过程中更容易漏出。
本发明还提供了一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，所述装置包括上述的风速传感器、激光器、光时域反射仪和光子灯笼；
激光器的输出端与光子灯笼的第一输入端连接，光时域反射仪的输出端与光子灯笼的第二输入端连接，光子灯笼的第一输出端与第一纤芯的一端连接，光子灯笼的第二输出端与第二纤芯的一端连接；
激光器产生激光经光子灯笼注入双芯光纤的第一纤芯中，金属膜吸收激光传播过程中产生的泄漏光；光时域反射仪产生脉冲光经光子灯笼注入双芯光纤的第二纤芯中，脉冲光传播过程中产生背向散射光，经光子灯笼被光时域反射仪检测。
优选地，所述背向散射光为布里渊背向散射光。
激光器用于产生激光，经过光子灯笼注入双芯光纤的第一纤芯中；激光传播过程中会产生泄漏光，从第一纤芯中漏出被金属膜吸收；金属膜吸收泄漏光的能量后温度升高，进而整个双芯光纤的温度也升高；光时域反射仪用于产生脉冲光，经过光子灯笼注入双芯光纤的第二纤芯中，脉冲光传播过程中会产生背向散射光；背向散射光经光子灯笼被光时域反射仪接收，获得散射光谱；当风出过金属膜表面，气流带走金属膜的温度，进而使整个双芯光纤的温度也降低，此时散射光谱的频率发生变化；根据双芯光纤不同位置的频率的变化量，计算出不同位置的分布式风速。
本发明还提供了一种基于双芯光纤的分布式风速测量方法，利用上述的风速测量装置，所述方法包括：
S1：激光器发射激光，经光子灯笼注入双芯光纤的第一纤芯，光时域反射仪发射脉冲光，经光子灯笼注入双芯光纤的第二纤芯中；
S2：激光在第一纤芯中前向传播，产生的泄漏光被金属膜吸收产生热量；金属膜的温度升高引起第二纤芯的温度升高；
S3：脉冲光在第二纤芯中前向传播，产生背向散射光；背向散射光反向传播，经光子灯笼传输至光时域反射仪；
S4：光时域反射仪接收背向散射光，获得背向散射光的接收时间和散射光谱信息；
S5：风场为金属膜降温，引起第二纤芯的温度降低，散射光谱信息产生变化，根据散射光谱信息的变化量计算风场的分布风速。
优选地，所述散射光谱信息为散射光谱的频率。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明利用整根包覆金属膜的双芯光纤作为风速传感器，金属膜作为温敏材料层，不会对风场造成影响；激光和脉冲光在双芯光纤中分离传输，防止激光对脉冲光造成干扰，减少了脉冲光的损耗；与传统风速传感器只能测量设置光栅点的风速相比，本发明无需刻写光栅，结构简单，并由于整根双芯光纤作为风速传感器，实现了对风速的分布式测量。
附图说明
图1为实施例1所述的一种基于双芯光纤的分布式风速传感器的结构示意图。
图2为实施例1所述的一种基于双芯光纤的分布式风速传感器的径向截面图。
图3为实施例2所述的一种基于双芯光纤的分布式风速传感器的结构示意图。
图4为实施例2所述的一种基于双芯光纤的分布式风速传感器的径向截面图。
图5为实施例3所述的一种基于双芯光纤的分布式风速传感器的径向截面图。
图6为实施例4所述的一种基于双芯光纤的分布式风速传感器的径向截面图。
图7为实施例5所述的一种基于双芯光纤的分布式风速传感器的径向截面图。
图8为实施例6所述的一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置的结构图。
图9为实施例7所述的一种基于双芯光纤的分布式风速测量方法的流程图。
图中，1-双芯光纤，2-金属膜，3-激光器，4-光时域反射仪，5-光子灯笼，11-第一纤芯，12-第二纤芯。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供一种基于双芯光纤的分布式风速传感器，如图1所示，所述风速传感器包括双芯光纤1和金属膜2；双芯光纤1包括第一纤芯11和第二纤芯12；
所述金属膜2完全包覆在双芯光纤1的圆周表面上；
如图2所示，所述第一纤芯11的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H1小于第二纤芯12的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H2。
在具体实施过程中，本实施例利用圆周表面完全包覆金属膜的整根双芯光纤作为风速传感器，第一纤芯距离双芯光纤圆周表面比第二纤芯距离双芯光纤圆周表面更近，第一纤芯用于传播激光，利用激光传播时产生的泄漏光加热金属膜，令整根双芯光纤达到一定初始温度；第二纤芯用于传播脉冲光，脉冲光传播时产生的背向散射光的散射光谱反映出双芯光纤温度信息，具体的，利用的是脉冲光传播时产生的布里渊背向散射光；风吹过金属膜时，气流为金属膜降温，双芯光纤的温度也降低，散射光谱的频率改变；根据多芯光纤不同位置的频率分布，计算出风速分布。
实施例2
本实施例提供一种基于双芯光纤的分布式风速传感器，如图3所示，所述风速传感器包括双芯光纤1和金属膜2；双芯光纤1包括第一纤芯11和第二纤芯12；
所述金属膜2完全包覆在双芯光纤1的圆周表面上；
所述第一纤芯11的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H1小于第二纤芯12的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H2。
第二纤芯12的轴心与双芯光纤1的轴心重合，第一纤芯11和第二纤芯12的平行设置；如图4所示，第一纤芯11和第二纤芯12沿径向的截面均为圆形。金属膜2为银膜，并且由于是利用激光传播过程产生的泄漏光加热金属膜，为保证泄漏光均匀漏出，将第一纤芯11的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H1设置为10微米。
实施例3
本实施例提供一种基于双芯光纤的分布式风速传感器，所述风速传感器包括双芯光纤1和金属膜2；双芯光纤1包括第一纤芯11和第二纤芯12；
所述金属膜2完全包覆在双芯光纤1的圆周表面上；
所述第一纤芯11的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H1小于第二纤芯12的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H2。
第二纤芯12的轴心与双芯光纤1的轴心重合，第一纤芯11和第二纤芯12的平行设置；并且第一纤芯11和第二纤芯12沿径向的截面均为圆形。金属膜2为银膜，并且由于是利用激光传播过程产生的泄漏光加热金属膜，为保证泄漏光均匀漏出，如图5所示，将第一纤芯11的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H1设置30微米。
实施例4
本实施例提供一种基于双芯光纤的分布式风速传感器，所述风速传感器包括双芯光纤1和金属膜2；双芯光纤1包括第一纤芯11和第二纤芯12；
所述金属膜2完全包覆在双芯光纤1的圆周表面上；
所述第一纤芯11的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H1小于第二纤芯12的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H2。
第二纤芯12的轴心与双芯光纤1的轴心重合，第一纤芯11和第二纤芯12的平行设置；并且第一纤芯11和第二纤芯12沿径向的截面均为圆形。金属膜2为银膜，并且由于是利用激光传播过程产生的泄漏光加热金属膜，为保证泄漏光均匀漏出，如图6所示，将第一纤芯11的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H1设置为50微米。
实施例5
本实施例提供了一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，如图7所示，所述风速传感器包括双芯光纤1和金属膜2；双芯光纤1包括第一纤芯11和第二纤芯12；
所述金属膜2完全包覆在双芯光纤1的圆周表面上；
所述第一纤芯11的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H1小于第二纤芯12的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H2。
本实施例中，双芯光纤1为双芯光子晶体光纤，由于第一纤芯11的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H1小于第二纤芯12的轴心到双芯光纤1圆周表面的最短距离H2，即为非对称双芯光子晶体光纤。第二纤芯12的轴心与双芯光纤1的轴心重合，第一纤芯11和第二纤芯12的平行设置；并且第一纤芯11和第二纤芯12沿径向的截面均为圆形。双芯光子晶体光纤的包层区排列有气孔，由于第二纤芯的轴心与双芯光纤的轴心重合，包围第二纤芯的气孔较多，将脉冲光完全束缚在第二纤芯中传输；第一纤芯靠近双芯光纤表面，包围第二纤芯的气孔较小，激光传播过程中更容易漏出。
实施例6
本实施例提供了一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，如图8所示，所述装置包括实施例1-5任一实施例所述的风速传感器、激光器3、光时域反射仪4和光子灯笼5；
激光器3的输出端与光子灯笼5的第一输入端连接，光时域反射仪4的输出端与光子灯笼5的第二输入端连接，光子灯笼5的第一输出端与第一纤芯11的一端连接，光子灯笼5的第二输出端与第二纤芯12的一端连接；
激光器3产生激光经光子灯笼5注入双芯光纤1的第一纤芯11中，金属膜2吸收激光传播过程中产生的泄漏光；光时域反射仪4产生脉冲光经光子灯笼5注入双芯光纤1的第二纤芯12中，脉冲光传播过程中产生背向散射光，经光子灯笼5被光时域反射仪4检测。
在具体实施过程中，激光器用于产生激光，经过光子灯笼注入双芯光纤的第一纤芯中；激光传播过程中会产生泄漏光，从第一纤芯中漏出被金属膜吸收；金属膜吸收泄漏光的能量后温度升高，进而整个双芯光纤的温度也升高；光时域反射仪用于产生脉冲光，经过光子灯笼注入双芯光纤的第二纤芯中，脉冲光传播过程中会产生布里渊背向散射光；布里渊背向散射光经光子灯笼被光时域反射仪接收，获得散射光谱；当风出过金属膜表面，气流带走金属膜的温度，进而使整个双芯光纤的温度也降低，此时散射光谱的频率发生变化；根据双芯光纤不同位置的频率的变化量，计算出不同位置的分布式风速。
实施例7
本实施例提供了一种基于双芯光纤的分布式风速测量方法，如图9所示，利用实施例6所述的风速测量装置，所述方法包括：
S1：激光器3发射激光，经光子灯笼5注入双芯光纤1的第一纤芯11，光时域反射仪4发射脉冲光，经光子灯笼5注入双芯光纤1的第二纤芯12中；
S2：激光在第一纤芯11中前向传播，产生的泄漏光被金属膜2吸收产生热量，达到初始温度；金属膜2的温度升高引起第二纤芯12的温度升高；
S3：脉冲光在第二纤芯12中前向传播，产生背向散射光；背向散射光反向传播，经光子灯笼5传输至光时域反射仪4；
S4：光时域反射仪4接收背向散射光，获得背向散射光的接收时间和散射光谱信息；
S5：风场为金属膜2降温，使散射光谱信息产生变化，根据散射光谱信息的变化量计算风场的分布风速。
所述背向散射光为布里渊背向散射光。
所述散射光谱信息为散射光谱的频率。
计算方法为：
首先获得背向散射光的位置信息：
Figure SMS_1
式中，L表示背向散射光到光时域反射仪的距离，c表示光在第二纤芯中的传播速度，t表示光时域反射仪发射脉冲光到接收背向散射光的时间，n表示第二纤芯的折射率；
获得背向散射光的散射光谱的频率变化：
Figure SMS_2
式中，vB(0,T)表示频率的变化量，ΔT表示温度的变化量，T0表示初始温度，ΔnT表示T温度下的折射率，ΔkT表示T温度下的泊松比，ΔET表示T温度下的杨氏模量，ΔET表示T温度下的介质密度。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，其特征在于，所述装置包括风速传感器、激光器（3）、光时域反射仪（4）和光子灯笼（5）；
所述风速传感器包括双芯光纤（1）和金属膜（2）；双芯光纤（1）包括第一纤芯（11）和第二纤芯（12）；
所述金属膜（2）完全包覆在双芯光纤（1）的圆周表面上；
所述第一纤芯（11）的轴心到双芯光纤（1）圆周表面的最短距离H1小于第二纤芯（12）的轴心到双芯光纤（1）圆周表面的最短距离H2；
激光器（3）的输出端与光子灯笼（5）的第一输入端连接，光时域反射仪（4）的输出端与光子灯笼（5）的第二输入端连接，光子灯笼（5）的第一输出端与第一纤芯（11）的一端连接，光子灯笼（5）的第二输出端与第二纤芯（12）的一端连接；
激光器（3）产生激光经光子灯笼（5）注入双芯光纤（1）的第一纤芯（11）中，金属膜（2）吸收激光传播过程中产生的泄漏光；光时域反射仪（4）产生脉冲光经光子灯笼（5）注入双芯光纤（1）的第二纤芯（12）中，脉冲光传播过程中产生背向散射光，经光子灯笼（5）被光时域反射仪（4）检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，其特征在于，所述第一纤芯（11）和第二纤芯（12）的平行设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，其特征在于，所述第二纤芯（12）的轴心与双芯光纤（1）的轴心重合。
4.根据权利要求2所述的一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，其特征在于，所述第一纤芯（11）的轴心到双芯光纤（1）圆周表面的最短距离H1的范围为10-50微米。
5.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，其特征在于，所述第一纤芯（11）和第二纤芯（12）沿径向的截面均为圆形。
6.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，其特征在于，所述金属膜（2）为银膜。
7.根据权利要求3所述的一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，其特征在于，所述双芯光纤（1）为双芯光子晶体光纤。
8.根据权利要求1所述的一种基于双芯光纤的分布式风速测量装置，其特征在于，所述背向散射光为布里渊背向散射光。
9.一种基于双芯光纤的分布式风速测量方法，其特征在于，利用权利要求1-8任一项所述的风速测量装置，所述方法包括：
S1：激光器（3）发射激光，经光子灯笼（5）注入双芯光纤（1）的第一纤芯（11），光时域反射仪（4）发射脉冲光，经光子灯笼（5）注入双芯光纤（1）的第二纤芯（12）中；
S2：激光在第一纤芯（11）中前向传播，产生的泄漏光被金属膜（2）吸收产生热量；金属膜（2）的温度升高引起第二纤芯（12）的温度升高；
S3：脉冲光在第二纤芯（12）中前向传播，产生背向散射光；背向散射光反向传播，经光子灯笼（5）传输至光时域反射仪（4）；
S4：光时域反射仪（4）接收背向散射光，获得背向散射光的接收时间和散射光谱信息；
S5：风场为金属膜 （2）降温，引起第二纤芯（12）的温度降低，散射光谱信息产生变化，根据散射光谱信息的变化量计算风场的分布风速。
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