CN115655561A - 一种基于毛细管微泡光纤fp腔的压力检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统包括：气动探针，所述气动探针连接光环形器，所述光环形器分别连接宽带光源和信号处理器；其中，所述气动探针包括探针头部，在所述探针头部内形成多个微孔，在每个微孔内封装毛细管微泡光纤FP腔结构；所述毛细管微泡光纤FP腔结构包括封装腔体，所述封装腔体内封装毛细管微泡和单模光纤，所述单模光纤的纤芯对准所述毛细管微泡，形成FP腔。本发明利用光纤传感器既能感知又能传输信号的特点解决传统气动探针导压管导引气流的问题，可实现探针头部直接检测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统及方法。
背景技术
气动探针是一种测量气流方向、速度的装置，常用的气动探针有三孔探针、五孔探针、七孔探针等，探针头部有若干压力孔，通过各压力变化推算气流的方向和速度。气动探针是皮托静压管的一种拓展形式，探头前端除有总压孔外，四周还布置若干测压孔，一般有束状和球头状。气动探针技术最初用于风洞流场校测，其角度精度高，响应速度快。气动探针的优点如下：(1)无机械活动部件，对气流偏角的响应速度快；(2)角度测量精度高；(3)结构紧凑，体积小；(3)可同时测量动压、静压、温度、密度等大气数据。气动探针用于飞行测控时，可以快速响应气流偏角的变化。对于一些控制精度要求较高的场合，如静不稳定飞行器的控制，气动探针是理想的迎角/侧滑角传感器。目前常用的一些压力传感器都是基于电学器件的，它存在很多内在的问题没有解决，例如较大的温度依赖性，易受电磁干扰，体积大，以及机械性能、温度持久性、精度、可靠性、长期稳定性和重复性不甚理想。而且不同材料间的热膨胀系数失配会导致温度敏感、影响了测量准确度。
其中具有代表性的就是MEMS压力传感器(ZL 201710494310.7)该类传感器结构简单、成本低廉，无法在复杂电磁场环境下正常工作。皮托管(ZL201811343839X)是气流压力监测领域中使用最为广泛的一项现有技术，现有的皮托管探针本体与传感器分离，需要用引压管，而它常用的动态压力传感器有应变式、电感式、电容式、压电式及半导体压阻式等，这些电学类传感器易受电磁干扰，对恶劣环境适应性差。现有的气动探针中用于压力采集的器件比如Honeywell公司的HSC系列压力传感器属于硅压阻压力传感器，也是利用引压管导引气流到采集板卡后端出传感器探头才能获得压力值。
随着光纤传感技术和光信号处理技术的发展，光纤传感器以其质轻、纤细、防腐蚀、抗电磁干扰、可链路多点环绕复用、集测点与传输纤一体等特点备受气流传感监测领域的研究人员青睐。在众多光纤传感器结构中，光纤法珀腔(FP)压力传感器更是由于其结构简单，线性度好等优良特性，受到各领域的广泛关注。光纤FP压力传感器依据的是光学FP干涉原理，其核心结构是在光纤上引入光学谐振腔，它是由两个反射系数不同且具有一定间距的反射面组成的；当被传感量气流施加到FP腔端面的压力引起光学谐振腔的变化，反射系数和间距随之改变，即会引起干涉结果发生改变，实现对被传感量气流压力的探测，进而可获得流速及俯仰角等其他参数。光纤FP传感器具有响应速度快，测量精度高，动态范围大等优势。光纤FP传感器主要有两类结构，一是在光纤上引入光学谐振腔，一是在光纤端面引入探头式光学谐振腔；相对于第一种结构，探头式结构体积小，操作灵活，便于移动，可制成嵌入式灵巧结构型光纤传感器；然而光纤端面尺寸小，在光纤端面制作微结构工艺较为复杂，增大了传感器的制作难度。
发明内容
为了解决现有技术中气动探针导压管导引气流的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统，所述压力检测系统包括：
气动探针，所述气动探针连接光环形器，所述光环形器分别连接宽带光源和信号处理器；
其中，所述气动探针包括探针头部，在所述探针头部内形成多个微孔，在每个微孔内封装毛细管微泡光纤FP腔结构；
所述毛细管微泡光纤FP腔结构包括封装腔体，所述封装腔体内封装毛细管微泡和单模光纤，所述单模光纤的纤芯对准所述毛细管微泡，形成FP腔。
在一个优选的实施例中，所述毛细管微泡光纤FP腔结构通过第一封装粘接剂，固定在所述探针头部内形成多个微孔内。
在一个优选的实施例中，所述探针头部内形成3个或者5个或者7个微孔，所述探针头部的端面具有倒角。
在一个优选的实施例中，所述探针头部内形成的微孔的直径为600～1500μm。
在一个优选的实施例中，所述第一封装粘接剂选用环氧胶、玻璃焊锡或金属焊锡中的一种。
在一个优选的实施例中，所述毛细管微泡和所述单模光纤通过第二封装粘接剂，固定在所述封装腔体内。
在一个优选的实施例中，所述封装腔体选用毛细玻璃管、不锈钢管、陶瓷管中的一种。
在一个优选的实施例中，所述封装腔体形状为圆柱形，内径400～800μm，外径500～1000μm，长度5～10mm。
在一个优选的实施例中，所述第二封装粘接剂选用环氧胶、玻璃焊锡或金属焊锡中的一种。
本发明的另一个目的在于提供一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测方法，所述方法包括：
采集气动探针的各个微孔内的毛细管微泡光纤FP腔结构的FP干涉谱，
将采集的各个微孔内的毛细管微泡光纤FP腔结构的FP干涉谱转换为压力值，
通过流速和角度理论，计算得到气流流速、侧滑角和俯仰角。
本发明提供的一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统及方法，克服现有光纤FP传感器结构复杂、制作工艺复杂、制作难度极高且成本高昂的缺陷，利用光纤传感器既能感知又能传输信号的特点解决传统气动探针导压管导引气流的问题，可实现探针头部直接检测。
本发明提供的一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统及方法，利用CO2激光器在玻璃毛细管端面熔融加工毛细管微泡，融制过程气泵加压辅助，毛细管微泡内壁感应外界气流压力，毛细管微泡和单模光纤形成的毛细管微泡光纤FP腔结构固定在三孔/五孔/七孔气动探针的探针头部的微孔内，传感器结构简单，大大降低了光纤断面微结构制备的难度，并且体积小、成本低，操作灵活。
本发明提供的一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统及方法，利用CO2激光熔制毛细管微泡，替代了传统光纤FP压力传感器的薄膜结构，毛细管微泡与单模光纤组成FP腔，由于光纤本身的尺寸小，用毛细管制作的毛细管微泡的尺寸也足够小，有利于集成，本发明工艺简单可控，操作方便，大大降低了气动探针的制作工艺；传感元件为探头式的，可弯曲缠绕，操控更加灵活，气动探针可被操控在任意位置进行传感，可实现对气流压力进行定点测量。
本发明提供的一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统及方法，毛细管微泡光纤FP腔结构安装在气动探针的各个微孔内，直接感应气流压力，利用光纤本身传输光信号，不需要传统气动探针的导引管将气流导引到后端电路的电学压力芯片，可直接检测，减少误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示意性示出了本发明一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统的结构框图。
图2示出了本发明气动探针的结构示意图。
图3示出了本发明毛细管微泡光纤FP腔结构的示意图。
图4示出了本发明毛细管微泡的制备过程示意图。
图5示出了本发明气动探针的的探针头部的微孔排布示意图。
图6示出了FP干涉信号光谱图。
具体实施方式
为了使本发明的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本发明。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
如图1所示本发明一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统的结构框图，根据本发明的实施例，一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统，包括气动探针1。气动探针1连接光环形器3，光环形器3分别连接宽带光源5和信号处理器6。具体地，光环形器3通过传感光纤4连接至宽带光源5和信号处理器6。
如图2所示本发明气动探针的结构示意图，图3所示本发明毛细管微泡光纤FP腔结构的示意图。根据本发明的实施例，气动探针1包括探针头部102，在探针头部102内形成多个微孔1021，在每个微孔1021内封装毛细管微泡光纤FP腔结构103。毛细管微泡光纤FP腔结构103包括封装腔体1032，封装腔体1032内封装毛细管微泡1031和单模光纤201，单模光纤201的纤芯2011对准毛细管微泡1031准直固定，形成FP腔。
多个微孔内1021内的毛细管微泡光纤FP腔结构103的多根单模光纤201，成束形成光缆2，气动探针1通过光缆2连接光环形器3。
根据本发明的实施例，毛细管微泡光纤FP腔结构103通过第一封装粘接剂101，固定在探针头部102内形成多个微孔1021内，探针头部102选用金属棒、有机玻璃棒制备，在探针头部102的端面具有倒角。
在一些优选的实施例中，探针头部102内形成3个或者5个或者7个微孔1021。探针头部102内形成的微孔1021的直径为600～1500μm。
在一些优选的实施了中，第一封装粘接剂101选用环氧胶、玻璃焊锡或金属焊锡中的一种。
根据本发明的实施例，毛细管微泡1031和单模光纤201通过第二封装粘接剂1033，固定在封装腔体1032内。在一些优选的实施例中，封装腔体1032选用毛细玻璃管、不锈钢管、陶瓷管中的一种。封装腔体1032形状为圆柱形，内径400～800μm，外径500～1000μm，长度5～10mm。
在一些优选的实施例中，第二封装粘接剂1033选用环氧胶、玻璃焊锡或金属焊锡中的一种。
如图4所示本发明毛细管微泡的制备过程示意图，本发明毛细管微泡1031通过在玻璃毛细管内充气并利用CO2激光熔融加工而成，毛细管微泡1031直径为200～400μm，壁厚度为1～5μm。
具体地，将一根剥除聚酰亚胺涂层的毛细管，端面利用刀片切割平整，另一端利用转接件连接气泵，将切平的一端利用二氧化碳激光熔融，毛细管内通气，在气压辅助的条件下加工成毛细管微泡1031。制备过程需要严格控制二氧化碳激光熔接机参数和气泵进气速度，毛细管微泡1031，传感器的灵敏度越高。
如图5所示本发明气动探针的的探针头部的微孔排布示意图，其中(a)为探针头部102具有3个微孔1021的排布方式，(b)为探针头部102具有5个微孔1021的排布方式，(c)为探针头部102具有7个微孔1021的排布方式。
本发明体统一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测方法，实施例中以气动探针1的探针头部102具有五个微孔1021为例，气动探针1的参数如表1所示。
表1气动探针的参数
| 型号/指标 | 参数 |
| 探针头部的端倒角 | 五孔：-70～70° |
| 微孔直径 | 600～1500μm |
| 微孔长度 | 10～50mm |
| 毛细管微泡内径 | 200～400μm |
| 单模光纤 | 单模28e |
| 压力测量范围 | 0～2MPa压力范围 |
| 精确度 | ±0.1％F.S. |
| 分辨率 | ±20Pa |
| 测试原理 | 压力产生干涉谱飘移 |
| 适用场合 | 机翼蒙皮、管道、风洞等 |
| 测量介质 | 气体 |
| 传感器工作环境温度 | -35℃～65℃ |
根据本发明的实施例，提供一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测方法包括：
将气动探针1置于待测场景(机翼蒙皮、管道、风洞等)，气流通过探针头部102的多个微孔1021进入毛细管微泡光纤FP腔结构103的毛细管微泡1031内。
宽带光源5发出的光经光环形器3进入气动探针1的五个微孔1021内的毛细管微泡光纤FP腔结构103，在FP腔发生FP干涉。
毛细管微泡1031受到气流压力变化，导致FP腔反射波干涉谱发生偏移，五个微孔1021内的毛细管微泡光纤FP腔结构103，通过光缆2将反射光经环光环形器3传输至信号处理器6。
信号处理器6采集气动探针的各个微孔内的毛细管微泡光纤FP腔结构的FP干涉谱，将采集的各个微孔内的毛细管微泡光纤FP腔结构的FP干涉谱转换为压力值，通过流速和角度理论，计算得到气流流速、侧滑角和俯仰角。
具体的实施例中，宽谱光源5的输出光经过光环形器3进入气动探针1，光在毛细管微泡1031外表面和单模光纤201端面上发生反射，两束反射光发生双光束干涉。
本发明使用的解调系统基于非扫描相关解调原理，气动探针1的输出光信号经过光环形器3到达准直透镜，准直透镜将光纤出射的圆光斑变成平行光，经斐索干涉仪(光楔)解调后由线阵CCD探测(信号处理器6)接收，在光楔厚度与FP腔腔长相等处将出现光强最大值。通过标定，索引最大值对应的光楔厚度，便可知腔长值，完成相关解调。
采用宽带光源，光源在空间上和光谱上呈高斯分布，则线阵CCD上所探测的输出光强可以表示为：
当满足：xitanθi+hi＝niLi，即光楔厚度与FP腔光学厚度相等时，在光楔xi位置处线阵CCD可探测到相关干涉信号光强的最大值Ipeak。因此，解调时只需索引相关干涉信号光强最大值对应的光楔厚度，以及对应FP腔腔体材料的折射率ni，即可获得此刻的腔长值Li，实现非扫描式相关解调，如图6所示FP干涉信号光谱图。
通过测试系统标定，得出FP腔长与施加压力函数关系相对为L＝K·P，不同的结构对应不同的K值。利用信号处理电路采集CCD信号并传输到计算机后，进行去包络、滤波和寻峰计算，并最终解调出FP腔的腔长值。腔长与相关干涉信号峰值位置具有对应关系。像元数增大的方向对应光楔厚度减小的方向。
使用CCD进行信号采集，并对光强信号进行处理，得到不同压力下强度分布，相关的压强值带入气动数据处理经典公式，计算得到不同毛细管微泡光纤FP腔结构103的气流流速及角度等参数。
五个微孔1021内各个毛细管微泡光纤FP腔结构103的压力，在流动角较小时，中心微孔P1的压力最大。
随着流动角的增大，超过一定临界值时，最大的压力孔将由中心微孔P1变为正对气流的外区微孔。根据五个微孔1021内各个毛细管微泡光纤FP腔结构103测得的压力值，将流动空间划分为五个不同的区域。中心微孔P1所对应的流动空间作为内区，其它四个微孔P2，P3，P4，P5对应的流动空间为外区。利用FP干涉的光谱信号测得的压力值，根据五孔气动探针1的流速和角度理论公式，可计算得到气流流速、侧滑角和俯仰角等。
具体气动数据处理过程为：
定义α为偏转角，β为俯仰角，cpt为总压校准系数，cps为静压校准系数，pi(i＝1-5)为探针各孔测得的压力，pt为气流实际总压，ps、pref为气流静压。
上述4个系数绘制成曲线图就是五孔探针的校准曲线。测量时，将五孔探针的实测值应用校准曲线进行插值，就可以得到总压、静压、速度大小和方向。
对于高马赫数或可压缩流动，同时需要测量五孔探针处的总温，然后进一步结合公式就可以得到五孔探针的测量结果，公式如下：
马赫数大小：
静温：
声速：
速度大小：v＝a×Ma
其中，ρ是气流密度，Z是压缩因子，k是绝热指数。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测系统，其特征在于，所述压力检测系统包括：
气动探针，所述气动探针连接光环形器，所述光环形器分别连接宽带光源和信号处理器；
其中，所述气动探针包括探针头部，在所述探针头部内形成多个微孔，在每个微孔内封装毛细管微泡光纤FP腔结构；
所述毛细管微泡光纤FP腔结构包括封装腔体，所述封装腔体内封装毛细管微泡和单模光纤，所述单模光纤的纤芯对准所述毛细管微泡，形成FP腔。
2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述毛细管微泡光纤FP腔结构通过第一封装粘接剂，固定在所述探针头部内形成多个微孔内。
3.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述探针头部内形成3个或者5个或者7个微孔，所述探针头部的端面具有倒角。
4.根据权利要求3所述的检测系统，其特征在于，所述探针头部内形成的微孔的直径为600～1500μm。
5.根据权利要求2所述的检测系统，其特征在于，所述第一封装粘接剂选用环氧胶、玻璃焊锡或金属焊锡中的一种。
6.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述毛细管微泡和所述单模光纤通过第二封装粘接剂，固定在所述封装腔体内。
7.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述封装腔体选用毛细玻璃管、不锈钢管、陶瓷管中的一种。
8.根据权利要求7所述的检测系统，其特征在于，所述封装腔体形状为圆柱形，内径400～800μm，外径500～1000μm，长度5～10mm。
9.根据权利要求6所述的检测系统，其特征在于，所述第二封装粘接剂选用环氧胶、玻璃焊锡或金属焊锡中的一种。
10.一种基于毛细管微泡光纤FP腔的压力检测方法，其特征在于，所述方法包括：
采集气动探针的各个微孔内的毛细管微泡光纤FP腔结构的FP干涉谱，
将采集的各个微孔内的毛细管微泡光纤FP腔结构的FP干涉谱转换为压力值，
通过流速和角度理论，计算得到气流流速、侧滑角和俯仰角。
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