CN115951084A - 一种基于多芯光纤的矢量流速传感器 - Google Patents

一种基于多芯光纤的矢量流速传感器 Download PDF

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王冠军
杨茜
黄梦醒
薛晨阳
沈重
王咸鹏
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Abstract

本申请公开一种基于多芯光纤的矢量流速传感器，包括：发射单元、接收单元和信号处理单元。发射单元用于提供光源和远距离通信；接收单元用于对光源进行传递、调制和转化；信号处理单元用于光电信号转换和解调。其中光纤探头由多芯光纤、柔性材料、刚性晶体组成。通过在光纤端部多次涂覆性质稳定的柔性材料，再在其末端贴合刚性晶体，形成多个法布里‑珀罗干涉结构(简称F‑P)。通过解调探头感知的多路光信号，建立与流速间的关系，通信模块传送信号，终端设备接收最终显示流速结果。本申请除具备全光纤流速传感器体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀特点，可同时测量流速大小和方向，实现高灵敏度、高度集成、高空间分辨率、远距离通信的流速矢量测量。

Description

一种基于多芯光纤的矢量流速传感器
技术领域
本申请涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于多芯光纤的矢量流速传感器。
背景技术
流速是现代工业生产、医疗设备、国防建设等领域重要的参数，是液体或气体单位时间内的位移，该领域仪器越来越受到重视，如：超声流量计、热线式流量计等。虽然相关仪器技术成熟但精度较低，尤其在海洋等环境中，抗干扰能力弱。
随着光纤领域的不断发展和完善，在流速测量方面，光纤传感器受到科研机构的极大重视，与传统测量仪器相比，光纤传感技术具有体积小、耐腐蚀、防水抗电磁干扰等优点，体积小极易形成分布式和阵列式等传感测量网络。可适应复杂环境下液体或气体的流速、流量测定，在航空航天高频气体测量、工农业、海洋、医疗等领域的液体和气体流量测量具有广阔的前景。
然而目前光纤流速传感器，已出现如热线式光纤流速传感器、压差式光纤流速传感器、全光纤FP、FBG流速传感器等，虽解决了传统流速传感器不耐腐蚀、抗干扰能力差等问题，但都未能实现流速的矢量传感。
发明内容
为解决上述技术问题，本申请利用多芯光纤涂覆多层稳定柔性硅胶材料，再贴合性质稳定的高硬度晶体构成法布里-珀罗干涉流速传感器，以实现高度集成、高空间分辨率、高灵敏度、耐腐蚀、抗电磁干扰的流速矢量测量。
为实现上述目的，本申请提供了一种基于多芯光纤的矢量流速传感器，包括：发射单元、接收单元和信号处理单元；
所述发射单元用于提供光源；所述发射单元还用于进行远距离传输；
所述接收单元用于基于所述光源，调制光信号，并传递所述光信号；
所述信号处理单元用于将光信号转换为电信号并解调所述电信号。
优选的，所述发射单元包括：光源模块和通信模块；
所述光源模块用于为所述接收单元提供所述光源；
所述通信模块用于进行远距离传输所述光信号。
优选的，所述接收单元包括：光纤环路器、光纤探头、多芯光纤扇入扇出装置和接收终端；
所述光纤探头用于接收所述光源，感知流量变化并调制所述光信号；
所述光纤环路器用于将所述光源传递给光纤探头，再将所述光纤探头调制的所述光信号传递给所述多芯光纤扇入扇出装置；
所述多芯光纤扇入扇出装置用于将所述光纤探头调制的所述光信号传输至所述信号处理单元；
所述信号接收终端用于接收通信模块发送的信号，显示流速结果。
优选的，所述信号处理单元包括：光电探测器、A/D数据采集单元和微处理器；
所述光电探测器用于将接收到的所述光信号转换为模拟电信号；
所述A/D数据采集单元用于采集所述模拟电信号，并将所述模拟电信号转换为数字信号；
所述微处理器用于解调所述数字信号。
优选的，所述光纤探头与所述多芯光纤扇入扇出装置为整体，所述多芯光纤扇入扇出装置的输出端连接到所述光纤环路器一端的接口。
优选的，所述光纤探头由多芯光纤构成。
优选的，利用性质稳定的柔性材料在所述多芯光纤上进行多次涂覆，形成涂覆后多芯光纤。
优选的，在所述涂覆后多芯光纤末端贴合性质稳定的刚性晶体，与多芯光纤、柔性腔体构成高度集成的多个法布里-珀罗干涉结构。
与现有技术相比，本申请的有益效果如下：
本申请光纤探头由多芯光纤、柔性材料、刚性晶体制成，可实现高集成，高空间分辨率，高灵敏度的流速矢量测量；本申请利用PDMS不溶于水，性质稳定，且具有弹性的特性，提高光纤探头的灵敏度，适用于恶劣环境。同时，采用高硬度晶体贴合于PDMS末端，与多芯光纤、PDMS形成高度集成的多个法布里-珀罗干涉结构(F-P腔)结构，增加了光纤探头的灵敏度。多芯光纤内部通过形成多个F-P腔结构，可同时测量流速的大小和方向，实现高度集成、高空间分辨率流速的矢量测量。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例的光纤探头结构示意图；
图2为本申请实施例的多芯光纤结构示意图；
图3为本申请实施例的应用系统示意图；
图4为本申请实施例的传感探头受到流量冲击示意图。
附图标记说明：1、光纤探头；2、多芯光纤扇入扇出装置；3、光纤环路器；4、光源；5、光电探测器；6、A/D数据采集单元；7、微处理器；8、通信模块；9、接收终端；101、多芯光纤；102、柔性材料腔体；103、晶体；301-307、光纤环路器接口；501-507、光电探测器接口。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
本实施例中，传感器结构包括：发射单元、接收单元和处理单元。
其中，发射单元包括：光源4、通信模块8；接收单元包括：光光纤探头1、多芯光纤扇入扇出装置2、光纤环路器3和接收终端9；处理单元包括：光电探测器3、A/D数据采集单元6和微处理器7；光源4用于向光纤探头1提供宽带光源；光纤探头1用于接收光源，感知流速变化，并将流速变化转换为光信号反射给光纤环路器3；多芯光纤扇入扇出装置2用于光纤对接，并将光纤探头1感知到的流速变化光信号传输至光纤环路器3；光纤环路器3用于传递光信号，将光源4传递给光纤探头1，再将光纤探头1感知流量变化的光信号传递给信号处理单元；光电探测器5用于将接收到的光信号转换为电信号。A/D数据采集单元6用于抽样采集电信号转换为数字信号；微处理器7用于处理数字信号。通信模块8将处理后的信号结果发送出去，用于远距离传输。接收终端9用于接收通信模块发送的信号，显示流速结果。
如图1所示，为本实施例的光纤探头结构示意图。在本实施例中，以七芯光纤、聚二甲基硅氧烷硅(PDMS)、碳化硅晶体为例具体说明。在七芯光纤端部涂覆多层聚二甲基硅氧烷硅(PDMS)形成PDMS腔体102，其中七芯光纤包层直径为150-152μm。PDMS膜层102末端贴合碳化硅的晶体103，由于晶体103完全不透光，形成反射率极好的多个法布里-珀罗(F-P腔)干涉结构。另外根据胡克定律，因为PDMS具有良好的弹性，七芯光纤多芯结构与PDMS膜层102，晶体103又形成类似弹簧结构，使得光纤探头1集成度高、灵敏度好，空间分辨率好，可同时测量流体的速度大小和方向，实现流速矢量测量。
图2所示为七芯光纤结构示意图，由7根芯径为8-8.5μm的纤芯构成。
图3为本发明的实施应用系统示意图，包括光纤探头1，多芯光纤扇入扇出装置2，光纤环路器3，光源模块4，光电探测器5，A/D数据采集单元6，微处理器7，通信模块8，接收终端9。实施时，光纤探头1与多芯光纤扇入扇出装置2为整体，多芯光纤扇入扇出装置2的输出端连接光纤环路器3一端的接口，光源模块4和光电探测器5连接光纤环路器3另一端的两个接口。光电探测器5输出端接A/D数据采集单元6，A/D数据采集单元6输出端接微处理器7，微处理器解调后的信号通过通信模块8发送，接收终端9接收信号显示流速结果。
多芯光纤扇入扇出装置2输出端并接对应的光纤环路器3的若干光纤环路接口301、302、303、304、305、306和307，光纤环路器3其中一端的接口一同并接入光源模块4，另一端接口分别并接各个光电探测器5接口501、502、503、504、505、506和507。即，光纤环路器3分别与多芯光纤扇入扇出装置2、光源模块4和光电探测器5连接。光电探测器5输出电信号并联接入A/D数据采集单元6，A/D数据采集单元6输出接入微处理器7对信号解调。
结合图1、图3和图4，具体介绍本实施例的工作原理：光源模块4发出的光源经光纤环路器3输入到多芯光纤扇入扇出装置2，再进入光纤探头1；由多芯光纤101、PDMS、晶体形成多个F-P腔干涉结构。一部分光在光纤端部反射，光强Ia；一部分光经PDMS腔体透射，当遇到晶体103时，被全部反射，光强Ib，与第一部分反射光Ia形成干涉。被光纤探头1反射形成的七路干涉光进入多芯光纤扇入扇出装置2，再分别进入光电探测器5，将对应的光强转换为电流的大小，电信号再通过A/D数据采集单元6将模拟电信号转换为数字信号，最终由微处理器7对信号解调。
如图1所示，当流体正面冲击晶体时，此时七组F-P腔结构的干涉光强度I为相同的；PDMS腔体被压缩，流体的作用使得光纤探头1的PDMS腔体102的长度L发生变化，从而导致晶体103反射光的光路长度发生变化，使得七组F-P腔结构的干涉光强度I发生变化，最终导致输出到微处理器7的电信号大小发生改变。
Figure BDA0004028871240000071
其中，I为干涉光强度；Ia、Ib分别为光纤端面的反射光强和晶体的反射光强；Δneff为PDMS的光折射率；λ为光源波长；L为PDMS干涉腔体长度。
根据不同的流速会对应不同的输出电信号，从而形成流速与电信号之间一一对应的关系，完成传感器流速标定。
如图4所示，当流体侧面冲击光纤探头1时，由于流体的作用，导致光纤探头1的PDMS腔体102发生弯曲变形。由于七根纤芯对应的PDMS腔体弯曲程度不同，导致七根纤芯的F-P腔长L(L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7)变化不同，因此七根纤芯对应的晶体103反射光的光路长度变化不同，七组F-P结构的干涉光强度I(I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7)变化不同。
Figure BDA0004028871240000081
Figure BDA0004028871240000082
Figure BDA0004028871240000083
Figure BDA0004028871240000084
Figure BDA0004028871240000085
Figure BDA0004028871240000086
Figure BDA0004028871240000087
其中，I1、I2、I3、I4、I5、I6、I7分别为七组F-P结构的干涉光强度；Ia1、Ia2、Ia3、Ia4、Ia5、Ia6、Ia7分别为七芯光纤七根纤芯端面的反射光强；Ib1、Ib2、Ib3、Ib4、Ib5、Ib6、Ib7分别为七根纤芯对应F-P腔的7个光路的反射光强；Δneff为PDMS的光折射率；λ为光源波长；L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7分别为七根纤芯对应的F-P腔长。
七路光电探测器5获得的干涉光信号不同导致输出电信号大小不同。根据七路电信号的不同可建立起三维空间坐标，形成方向、流速大小和七路电信号之间的数值关系，完成传感器矢量流速标定。
以上所述的实施例仅是对本申请优选方式进行的描述，并非对本申请的范围进行限定，在不脱离本申请设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本申请的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本申请权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于多芯光纤的矢量流速传感器，其特征在于，包括：发射单元、接收单元和信号处理单元；
所述发射单元用于提供光源；所述发射单元还用于进行远距离传输；
所述接收单元用于基于所述光源，调制光信号，并传递所述光信号；
所述信号处理单元用于将光信号转换为电信号并解调所述电信号。
2.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的矢量流速传感器，其特征在于，所述发射单元包括：光源模块和通信模块；
所述光源模块用于为所述接收单元提供所述光源；
所述通信模块用于进行远距离传输所述光信号。
3.根据权利要求2所述的基于多芯光纤的矢量流速传感器，其特征在于，所述接收单元包括：光纤环路器、光纤探头、多芯光纤扇入扇出装置和接收终端；
所述光纤探头用于接收所述光源，感知流量变化并调制所述光信号；
所述光纤环路器用于将所述光源传递给光纤探头，再将所述光纤探头调制的所述光信号传递给所述多芯光纤扇入扇出装置；
所述多芯光纤扇入扇出装置用于将所述光纤探头调制的所述光信号传输至所述信号处理单元；
所述信号接收终端用于接收通信模块发送的信号，显示流速结果。
4.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的矢量流速传感器，其特征在于，所述信号处理单元包括：光电探测器、A/D数据采集单元和微处理器；
所述光电探测器用于将接收到的所述光信号转换为模拟电信号；
所述A/D数据采集单元用于采集所述模拟电信号，并将所述模拟电信号转换为数字信号；
所述微处理器用于解调所述数字信号。
5.根据权利要求3所述的基于多芯光纤的矢量流速传感器，其特征在于，所述光纤探头与所述多芯光纤扇入扇出装置为整体，所述多芯光纤扇入扇出装置的输出端连接到所述光纤环路器一端的接口。
6.根据权利要求1所述的基于多芯光纤的矢量流速传感器，其特征在于，所述光纤探头由多芯光纤构成。
7.根据权利要求6所述的基于多芯光纤的矢量流速传感器，其特征在于，利用性质稳定的柔性材料在所述多芯光纤上进行多次涂覆，形成涂覆后多芯光纤。
8.根据权利要求7所述的基于多芯光纤的矢量流速传感器，其特征在于，在所述涂覆后多芯光纤末端贴合性质稳定的刚性晶体，与多芯光纤、柔性腔体构成高度集成的多个法布里-珀罗干涉结构。
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