CN114675053A - 基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，包括宽带光源、Y型光纤环行器、泵浦激光器、波分复用器、泵浦光耦合器、表面涂覆有金属薄膜的啁啾光纤光栅和光功率计；用涂覆在啁啾光纤光栅表面的金属薄膜对泵浦光的吸收效应产生热量，加热啁啾光纤光栅，由于泵浦光功率沿啁啾光纤光栅长度衰减导致的温度梯度变化，啁啾光纤光栅的反射谱带宽被展宽。在风速作用下，金属薄膜的加热效应减弱，啁啾光纤光栅的反射谱带宽和反射光功率变小，利用光功率计测量啁啾光纤光栅反射光功率的变化，从而实现对风速的测量，具有测量速度快、解调系统成本低、体积小、使用方便等特点，适用于动态的高速测量，提高了光纤光栅风速传感器的动态检测范围。

Description

基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器技术领域，特别是涉及基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器。

背景技术

随着工业现代化进程的加快，气流速度的精确测量在航空、化工、医疗、农业等领域起到重要作用，基于各种原理的风速传感器相继被提出。目前，在某些低温或高温、放射性和腐蚀性等恶劣环境中，微机电系统的风速传感器无法工作或者测量效果不佳。

光纤风速传感器因其具有抗电磁干扰、长距离测量能力、高灵敏度以及对恶劣环境的高度适应性等优点而被广泛关注。

其中，热线式光纤风速计因其灵敏度高、测量范围大和结构牢固等优点而被大规模推广应用。近年来，光纤光栅传感器因其成本低、结构简单、灵敏度高、尺寸小、复用性强等优点，逐渐成为传感领域的研究热点。

与本发明最为相近的文章有《Compact Anemometer Using Silver-Coated FiberBragg Grating》、《Hot-Wire Anemometer Based on Silver-Coated Fiber BraggGrating Assisted by No-Core Fiber》、《Fiber Bragg Grating Flow Sensors Poweredby In-Fiber Light》、《Fiber optic hot-wire flowmeter based on a metallic coatedhybrid long period grating/fiber Bragg grating structure》、《基于薄包层FBG的热线式光纤风速计》、《基于腰椎放大熔接的FBG热线式风力计》、《光纤光栅风力计研究》和《新型光纤风力计研究》,这一类与本发明结构相似的热线式风速传感器，采用不同的泵光耦合结构将泵浦光耦合进光纤包层，涂覆在光纤光栅表面的金属薄膜吸收泵浦光产生热量，使光纤光栅的温度升高。为避免泵浦光加热导致的啁啾效应，这一类热线式风速传感器所选的光纤布拉格光栅较短。

文章《Fiber-optic anemometer based on single-walled carbon nanotubecoated tilted fiber Bragg grating》提出了一种基于单壁碳纳米管涂层的倾斜光纤光栅热线式风速传感器，该风速传感器通过倾斜光纤光栅将激光器发出的泵浦光耦合成高阶包层模式和辐射模式，沉积在倾斜光纤光栅表面的单壁碳纳米吸收大量泵浦光提高光纤温度，在风速作用下，通过测量透射光谱的波长漂移来确定风速的变化。

文章《All-optical fiber anemometer based on laser heated fiber Bragggratings》提出了一种基于光纤布拉格光栅的光纤风速仪，该风速传感器的泵浦激光通过刻有两个光纤光栅的一小段掺钴光纤来加热光纤光栅，通过FBG解调仪来监测光纤布拉格光栅的中心波长，确定风速变化。

传统的波长解调型光纤光栅传感器利用其波长随温度、应变、压力等物理量变化的原理，通过检测波长的漂移来得知被测物理参量的变化，测量波长时需要波长解调仪进行扫描，此类波长解调仪通常体积大、反应时间相对较长、扫描速度较慢且价格昂贵，不利于大规模推广应用。

公开号为CN109580984A的中国专利提出了基于长周期光纤光栅的风速传感器，由长周期光纤光栅和光纤末端带高反射膜组成，该风速传感器利用长周期光纤光栅耦合信号光，在风力作用下，光纤发生弯曲，其包层模式被损耗，剩余能量前进至光纤末端的高反射膜，通过测量反射回光纤纤芯的功率变化来测量风速。该风速传感器通过光纤弯曲来测量风速，存在易损坏的缺点。

公开号为CN 112857659A的中国专利提出了一种测量风压的啁啾长周期光纤光栅传感器，由宽带光源、滤波器、传感单元、传感单元固定装置、光谱仪、连接所用的单模光纤组成。通过将宽带光源输出的宽带激光通过滤波器限定在特定波长后输入到传感单元中，当风吹向传感单元时，传感单元发生弯曲，带动嵌入其中的啁啾长周期光纤光栅发生形变，啁啾信号因此被减弱，透射谱光强也发生相应变化，通过光谱仪分析啁啾光信号透射谱光强的变化，进而检测环境风压，但这种长周期光纤光栅风速传感器体积较大，不利于推广使用。

发明内容

本发明为了解决以上至少一种技术缺陷，提供了基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，只需要进行简单的光电转换即实现对光功率的测量，具有体积小、使用方便的特点，适用于动态的高速测量。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，包括宽带光源、Y型光纤环行器、泵浦激光器、波分复用器、泵浦光耦合器、表面涂覆有金属薄膜的啁啾光纤光栅和光功率计；其中：

宽带光源为Y型光纤环行器提供光源，向Y型光纤环行器输入特定波长的光；

宽带光源的输出光通过Y型光纤环行器到达波分复用器，与泵浦激光器的泵浦光一同经波分复用器传输到泵浦光耦合器中；

泵浦光耦合器将泵浦光耦合进啁啾光纤光栅的光纤包层中；

光功率计通过Y型光纤环行器测量啁啾光纤光栅反射光功率的变化；

其中：涂覆在啁啾光纤光栅表面的金属薄膜对泵浦光的吸收效应产生热量，加热啁啾光纤光栅，泵浦光功率沿啁啾光纤光栅长度衰减导致的温度梯度变化，啁啾光纤光栅的反射谱带宽被展宽，而啁啾光纤光栅的啁啾效应与其反射谱带宽成正比，在啁啾光纤光栅反射率基本不变的情况下，啁啾效应越强，反射谱带宽越宽，反射光功率越大，在风速作用下，金属薄膜的加热效应减弱，啁啾光纤光栅的反射谱带宽和反射光功率变小，通过光功率计对啁啾光纤光栅反射光功率的变化进行测量，即可实现对风速变化的测量。

其中，啁啾效应指啁啾光纤光栅的光栅周期随空间位置变化而变化，满足多个波长的布拉格反射条件，啁啾光纤光栅反射较宽波长范围内的光波，外界物理参量变化影响啁啾光纤光栅反射的波长，使反射谱带宽展宽或者变窄，引起带宽变化的现象；本发明利用啁啾光纤光栅温度变化引起啁啾光纤光栅反射谱带宽变化的现象来测量风速。

优选地，所述宽带光源的输出光功率密度在啁啾光纤光栅的反射波长范围内是平坦的；

其中，光功率密度是单位面积内的激光功率，单位一般是W/cm²，平坦表示宽带光源输出的光几乎无波动；

其中，啁啾光纤光栅的反射波长是指啁啾光纤光栅能够反射的波长，温度影响啁啾光纤光栅能够反射的波长范围，反射波长的变化改变反射谱带宽，啁啾光纤光栅反射谱带宽为反射光谱中峰值反射率下降3dB对应的波长范围；

啁啾光纤光栅的反射波长范围在宽带光源的波长范围内。

优选地，所述泵浦光的波长根据金属薄膜材料进行选择。

优选地，所述啁啾光纤光栅的长度值大于等于1厘米；

其中，啁啾光纤光栅长度的设置由泵浦光功率决定，泵浦光越强，为了充分利用啁啾效应，相应的啁啾光纤光栅则越长。

优选地，所述啁啾光纤光栅在反射谱带宽变化后反射率波动低于5％。

优选地，所述金属薄膜均匀涂覆在啁啾光纤光栅的光纤包层表面。

通过光功率计对啁啾光纤光栅反射光功率的变化的测量即可实现对风速变化的测量的过程为：啁啾光纤光栅在风速作用下，其温度会降低，因而其反射带宽和反射光功率也降低，通过光功率计对啁啾光纤光栅反射光功率的变化进行测量，从而实现对风速变化的测量。

啁啾光纤光栅的啁啾效应与其反射谱带宽B成正比，在啁啾光纤光栅反射率基本不变的情况下，啁啾效应越强，反射谱带宽B越宽，反射光功率W越大；

在此种情况下，啁啾光纤光栅反射光功率的变化ΔW正比于反射谱带宽的变化ΔB，其表达式如下：

ΔW＝K₁×ΔB，

式中，K₁为比例常数。

在风速的作用下，啁啾效应引起的啁啾光纤光栅反射谱带宽的变化ΔB正比于啁啾光纤光栅两端温度梯度的变化ΔT，其表达式如下：

ΔT＝T₁－T₂，

ΔB＝K₂×ΔT，

式中，T₁为啁啾光纤光栅两端温度梯度的前端温度，T₂为啁啾光纤光栅两端温度梯度的末端温度，K₂为比例常数。

啁啾光纤光栅两端温度梯度的变化ΔT正比于风速的变化Δv，其表达式如下：

ΔT＝K₃×Δv，

式中，K₃为比例常数。

本发明具有的有益效果是：

本发明采用啁啾光纤光栅作为传感单元，利用啁啾光纤光栅啁啾效应所引起的光纤光栅反射谱带宽变化，将风速测量转变为光功率测量，具有测量速度快、解调系统成本低、体积小、使用方便、不易损坏等特点，适用于动态的高速测量，提高了光纤光栅风速传感器的动态检测范围。

附图说明

图1是本发明提供的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器的结构示意图；

图2是本发明啁啾光纤光栅表面所涂覆金属薄膜的结构示意图；

图3是本发明技术方案实施步骤流程图；

其中：1、宽带光源；2、Y型光纤环行器；3、泵浦激光器；4、波分复用器；5、泵浦光耦合器；6、啁啾光纤光栅；7、光功率计；8、啁啾光纤光栅表面涂覆的金属薄膜。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制；

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

为了便于理解，请参阅图1、图2，本发明提供的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器的一个实施例，包括宽带光源1、Y型光纤环行器2、泵浦激光器3、波分复用器4、泵浦光耦合器5、表面涂覆有金属薄膜8的啁啾光纤光栅6和光功率计7；其中：

所述宽带光源1与Y型光纤环行器2第一端口连接，用于向Y型光纤环行器2发出输出光；

所述Y型光纤环行器2第二端口与波分复用器4特定波长的信号光端口连接，所述Y型光纤环行器2用于定向传输输出光；

所述泵浦激光器3与波分复用器4特定波长的泵浦光端口连接，所述泵浦激光器3用于发射泵浦光；

所述波分复用器4输出的公共端口与泵浦光耦合器5输入端口连接，所述波分复用器4用于将宽带光源1发出的输出光和泵浦激光器3发出的泵浦光合束为合束光；

所述泵浦光耦合器5输出端口与啁啾光纤光栅6连接，所述泵浦光耦合器5用于将泵浦光耦合进光纤包层，其中，所述光纤包层位于啁啾光纤光栅6表面，所述金属薄膜8涂覆在光纤包层上；

所述光功率计7与Y型光纤环行器2第三端口连接，所述光功率计7用于测量光功率。

具体地，所述宽带光源1的输出光功率密度在啁啾光纤光栅6的反射波长范围内是平坦的；

其中，光功率密度是单位面积内的激光功率，单位一般是W/cm²，平坦表示宽带光源1输出的光几乎无波动；

其中，啁啾光纤光栅6的反射波长是指啁啾光纤光栅6能够反射的波长，温度影响啁啾光纤光栅6能够反射的波长范围，啁啾光纤光栅6反射波长的变化改变反射谱带宽，此处，反射谱带宽为啁啾光纤光栅6反射光谱中峰值反射率下降3dB对应的波长范围。

其中，啁啾光纤光栅6的反射波长范围在宽带光源1的波长范围内，啁啾光纤光栅6经过啁啾效应引起反射谱带宽变化后，啁啾光纤光栅6的反射波长范围在宽带光源1的波长范围内，使得输出光照射在啁啾光纤光栅6后能反射回来。

具体地，所述泵浦光的波长根据金属薄膜8材料进行选择；

比如，金属薄膜8为银膜，则选择1480nm波段的泵浦光，此时，银膜对泵浦光的热量吸收最大。

具体地，所述啁啾光纤光栅6的长度值大于等于1厘米；

啁啾光纤光栅6长度的设置由泵浦光功率决定，泵浦光越强，为了充分利用啁啾效应，相应的啁啾光纤光栅6则越长，啁啾光纤光栅6长度大于等于1厘米。

具体地，所述啁啾光纤光栅6在反射谱带宽变化后反射率波动低于5％，啁啾光纤光栅6反射率波动越低，反射带宽变化越准确。

具体地，所述金属薄膜8均匀涂覆在啁啾光纤光栅6表面，使得金属薄膜8吸收泵浦光产生的热量具有均匀性。

啁啾光纤光栅6温度升高的的步骤，包括：啁啾光纤光栅6表面涂覆有金属薄膜8，该金属薄膜8能够吸收泵浦光，并将泵浦光转化为热量；在实际实施过程中，涂覆在啁啾光纤光栅6表面的金属薄膜8对泵浦光的吸收效应产生热量，加热啁啾光纤光栅6，由于泵浦光功率沿啁啾光纤光栅6长度衰减导致的温度梯度变化，啁啾光纤光栅6的反射谱带宽被展宽。

具体地，在测量风速过程中，啁啾光纤光栅6反射光功率的变化ΔW正比于反射谱带宽的变化ΔB，其表达式如下：

ΔW＝K₁×ΔB，

式中，K₁为比例常数；

在风速的作用下，啁啾效应引起的啁啾光纤光栅6反射谱带宽的变化ΔB正比于啁啾光纤光栅6两端温度梯度的变化ΔT，其表达式如下：

ΔT＝T₁－T₂，

ΔB＝K₂×ΔT，

式中，T₁为啁啾光纤光栅6两端温度梯度的前端温度，T₂为啁啾光纤光栅6两端温度梯度的末端温度，K₂为比例常数；

啁啾光纤光栅6两端温度梯度的变化ΔT正比于风速的变化Δv，其表达式如下：

ΔT＝K₃×Δv，

式中，K₃为比例常数。

本发明通过泵浦光加热表面涂覆有金属薄膜的啁啾光纤光栅，测量其在风速作用下反射带宽变化，在其反射率基本不变的情况下，通过测量反射光功率进而确定风速。利用啁啾光纤光栅啁啾效应所引起的光纤光栅反射谱带宽变化，将风速测量转变为光功率测量，不仅提高了测量速度，还降低了成本。

实施例2

如图3所示，基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器测量风速，包括以下步骤：

S1：宽带光源1的输出光从Y型光纤环行器2第一端口输入，从Y型光纤环行器2第二端口输出，到达波分复用器4特定波长的信号光端口；

S2：波分复用器4将宽带光源的输出光和泵浦激光器3发出的泵浦光合成一束，得到合束光，合束光从波分复用器4的公共端口输出，到达泵浦光耦合器5；

S3：泵浦光耦合器5将合束光的泵浦光耦合进啁啾光纤光栅6的光纤包层中，涂覆在啁啾光纤光栅6表面的金属薄膜8对泵浦光的吸收效应产生热量，加热啁啾光纤光栅6；由于泵浦光功率沿啁啾光纤光栅6长度衰减导致的温度梯度变化，啁啾光纤光栅6的反射谱带宽被展宽；

S4：啁啾光纤光栅6将合束光中的宽带光源的输出光反射至光纤环形器2，作为光功率计7测量的啁啾光纤光栅6反射光；

S5：啁啾光纤光栅6在给定风速作用下，其温度降低，在啁啾光纤光栅6反射率基本不变的情况下，啁啾光纤光栅6反射谱带宽、反射光功率也降低；

S6：利用光功率计7测量啁啾光纤光栅6反射光功率变化值，从而得到风速变化值。

其中，啁啾光纤光栅反射光是指宽带光源中能够满足啁啾光纤光栅反射条件的光；反射光功率是通过光功率计测量反射回来的光信号的一个检测指标。

本实施例将啁啾光纤光栅作为传感元件，不仅扩大了传感光栅的线性匹配区间，还能显著提高光纤光栅风速传感器的动态检测范围。

实施例3

基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，通过光功率计7测量风速过程为：宽带光源1的输出光通过Y型光纤环行器2到达波分复用器4，与泵浦激光器3的泵浦光一同经波分复用器4传输到泵浦光耦合器5中。泵浦光耦合器5将泵浦光耦合进光纤包层，进而被涂覆在啁啾光纤光栅6表面的的金属薄膜8吸收产生热量，使啁啾光纤光栅6的温度升高，反射谱带宽展宽。由于啁啾光纤光栅6的长度较长，泵浦光照射在啁啾光栅光栅的强度呈梯度衰减，金属薄膜8对泵浦光的吸收不同，导致啁啾光纤光栅6温度呈梯度分布。啁啾光纤光栅6温度与波长满足线性关系，温度梯度分布影响啁啾光纤光栅6的啁啾效应，啁啾光纤光栅6的啁啾效应与其反射谱带宽成正比，在啁啾光纤光栅6反射率基本不变的情况下，啁啾效应越强，反射谱带宽越宽，反射光功率越大。用光功率计7测量啁啾光纤光栅6反射光功率的变化，从而实现对风速变化的测量。

其中，光功率计7内置光电转换器，宽带光源1发出的输出光经过啁啾光纤光栅6作为啁啾光纤光栅6反射光信号，反射光信号的反射光功率通过光功率计7内的光电转换器转换成电压，将电压在计算机中进行信息处理与分析，变成可读的电压数据值。

因此，在本实施例中，通过测量电压数据值得到啁啾光纤光栅6反射光功率的变化，通过啁啾光纤光栅6反射光功率的变化得到反射谱带宽变化，进而获得啁啾光纤光栅6温度梯度变化，最后得到本发明传感器所测量的风速变化。

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 (10)

1.基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，其特征在于，包括宽带光源(1)、Y型光纤环行器(2)、泵浦激光器(3)、波分复用器(4)、泵浦光耦合器(5)、表面涂覆有金属薄膜(8)的啁啾光纤光栅(6)和光功率计(7)；其中：

宽带光源(1)为Y型光纤环行器(2)提供光源，向Y型光纤环行器(2)输入特定波长的光；

宽带光源(1)的输出光通过Y型光纤环行器(2)到达波分复用器(4)，与泵浦激光器(3)的泵浦光一同经波分复用器(4)传输到泵浦光耦合器(5)中；

泵浦光耦合器(5)将泵浦光耦合进啁啾光纤光栅(6)的光纤包层中；

光功率计(7)通过Y型光纤环行器(2)测量啁啾光纤光栅(6)反射光功率的变化；

其中：涂覆在啁啾光纤光栅(6)表面的金属薄膜(8)对泵浦光的吸收效应产生热量，加热啁啾光纤光栅(6)，泵浦光功率沿啁啾光纤光栅(6)长度衰减导致的温度梯度变化，啁啾光纤光栅(6)的反射谱带宽被展宽，而啁啾光纤光栅(6)的啁啾效应与其反射谱带宽成正比，在啁啾光纤光栅(6)反射率基本不变的情况下，啁啾效应越强，反射谱带宽越宽，反射光功率越大；在风速作用下，金属薄膜(8)的加热效应减弱，啁啾光纤光栅(6)的反射谱带宽和反射光功率变小，通过光功率计(7)对啁啾光纤光栅(6)反射光功率的变化进行测量，即可实现对风速变化的测量。

2.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，其特征在于，所述宽带光源(1)的输出光功率密度在啁啾光纤光栅(6)的反射波长范围内是平坦的。

3.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，其特征在于，所述泵浦光的波长根据金属薄膜(8)材料进行选择。

4.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，其特征在于，所述啁啾光纤光栅(6)的长度值大于等于1厘米。

5.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，其特征在于，所述啁啾光纤光栅(6)在反射谱带宽变化后反射率波动低于5％。

6.根据权利要求1所述的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，其特征在于，所述金属薄膜(8)均匀涂覆在啁啾光纤光栅(6)的光纤包层表面。

7.根据权利要求1-6任一项所述的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，其特征在于，通过光功率计(7)对啁啾光纤光栅(6)反射光功率的变化的测量即可实现对风速变化的测量的过程为：啁啾光纤光栅(6)在风速作用下，其温度会降低，因而其反射带宽和反射光功率也降低，通过光功率计(7)对啁啾光纤光栅(6)反射光功率的变化进行测量，从而实现对风速变化的测量。

8.根据权利要求7所述的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，其特征在于：所述啁啾光纤光栅(6)的啁啾效应与其反射谱带宽B成正比，在啁啾光纤光栅(6)反射率基本不变的情况下，啁啾效应越强，反射谱带宽B越宽，反射光功率W越大；

在此种情况下，啁啾光纤光栅(6)反射光功率的变化ΔW正比于反射谱带宽的变化ΔB，其表达式如下：

ΔW＝K₁×ΔB，

式中，K₁为比例常数。

9.根据权利要求8所述的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，其特征在于：在风速的作用下，啁啾效应引起的啁啾光纤光栅(6)反射谱带宽的变化ΔB正比于啁啾光纤光栅(6)两端温度梯度的变化ΔT，其表达式如下：

ΔT＝T₁－T₂，

ΔB＝K₂×ΔT，

式中，T₁为啁啾光纤光栅(6)两端温度梯度的前端温度，T₂为啁啾光纤光栅(6)两端温度梯度的末端温度，K₂为比例常数。

10.根据权利要求9所述的基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，其特征在于：所述啁啾光纤光栅(6)两端温度梯度的变化ΔT正比于风速的变化Δv，其表达式如下：

ΔT＝K₃×Δv，

式中，K₃为比例常数。

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