CN116859080A - 一种光纤风速传感探头、风速测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光纤风速传感探头、风速测量装置及方法，其属于风速测量技术领域，光纤风速传感探头包括热能转换光纤和导热套体，热能转换光纤的一端为输入端，输入端用于传入激光和信号光，热能转换光纤的另一端的端面为第一菲涅尔反射面，热能转换光纤用于将激光转化为热能；导热套体套设于热能转换光纤外，第一菲涅尔反射面和热套体的内壁围成密封腔，密封腔的与第一菲涅尔反射面相对的壁面为第二菲涅尔反射面。风速测量装置包括上述的光纤风速传感探头。风速测量方法使用上述的风速测量装置，根据温度变化导致的干涉光信号的改变，形成不同的干涉光谱，从而测量出风速，由于干涉光信号对温度具有高灵敏度，本申请提升了风速测量灵敏度。

Description

一种光纤风速传感探头、风速测量装置及方法

技术领域

本申请涉及风速测量技术领域，尤其涉及一种光纤风速传感探头、风速测量装置及方法。

背景技术

目前光纤风速测量方法主要基于光纤光栅结构，利用光纤光栅折射率受温度和应变的影响，导致光纤光栅中心波长漂移，推导出中心波长漂移量和待测物理量之间的关系。一种测量方式为风杯式、差压式等，其原理是通过受力结构的弯曲变形使得光纤光栅产生形变，该类型测量方法存在最低启动风速，对低风速测量不敏感。另一种是热线式光纤风速测量方法，利用特殊结构的光纤或者掺杂光纤将光能转化成热能，给光纤光栅加热，风流经传感结构时温度降低，导致光纤光栅中心波长变化。由于热线式光纤风速器具有灵敏度高和结构稳固的优点，近年来成为光纤风速器主要的研究类型。

但是，目前的热线式光纤风速器的传感器以光纤光栅作为传感元件，光纤光栅的温度灵敏度较低（10pm/℃），限制了其风速测量灵敏度的提升。因此，亟需一种光纤风速传感探头、风速测量装置及方法以解决上述技术问题。

发明内容

本申请提供了一种光纤风速传感探头、风速测量装置及方法，以解决现有技术中存在的光纤光栅的温度灵敏度较低，限制了其风速测量灵敏度的提升的技术问题。

本申请实施例提供一种光纤风速传感探头，包括：

热能转换光纤，其一端为输入端，所述输入端用于传入激光和信号光，所述热能转换光纤的另一端的端面为第一菲涅尔反射面，所述热能转换光纤用于将激光转化为热能；

导热套体，套设于所述热能转换光纤外，所述第一菲涅尔反射面和所述导热套体的内壁围成密封腔，所述密封腔的与所述第一菲涅尔反射面相对的壁面为第二菲涅尔反射面。

作为上述光纤风速传感探头的一种优选技术方案，所述热能转换光纤为掺杂光纤。

作为上述光纤风速传感探头的一种优选技术方案，所述导热套体由半导体材料制成。

作为上述光纤风速传感探头的一种优选技术方案，还包括补偿光纤，所述补偿光纤连接于所述热能转换光纤的输入端，用于实时测量环境温度。

作为上述光纤风速传感探头的一种优选技术方案，还包括绝热套体，所述绝热套体套设于所述补偿光纤外。

作为上述光纤风速传感探头的一种优选技术方案，所述补偿光纤为刻有补偿光栅的单模光纤。

作为上述光纤风速传感探头的一种优选技术方案，所述绝热套体和所述导热套体固定连接。

作为上述光纤风速传感探头的一种优选技术方案，所述绝热套体由玻璃纤维增强型PPS制成。

本申请实施例还提供一种风速测量装置，包括：

上述任一种光纤风速传感探头；

激光器，与所述光纤风速传感探头相耦合，用于发射激光；

光纤干涉解调仪，与所述光纤风速传感探头相耦合，用于发射信号光及解调干涉光信号。

本申请实施例还提供一种风速测量方法，使用上述的风速测量装置，方法包括：

所述激光器向所述光纤风速传感探头发射激光，所述激光用于被所述热能转换光纤吸收，并转化成热能；

所述光纤干涉解调仪向所述光纤风速传感探头发射信号光，所述信号光用于分别在所述第一菲涅尔反射面和所述第二菲涅尔反射面发生菲涅尔反射，以形成由两束反射光组成的干涉光信号；其中，当风经过所述光纤风速传感探头时，风用于带走所述热能转换光纤中的热量，使所述导热套体产生形变，进而改变所述第一菲涅尔反射面和所述第二菲涅尔反射面之间的间距；

所述光纤干涉解调仪接收所述干涉光信号，将所述干涉光信号解调为干涉光谱，并根据所述干涉光谱确定风速。

本发明的有益效果：

本申请实施例提供了一种光纤风速传感探头，在其应用于风速测量装置时，将光纤风速传感探头与激光器和光纤干涉解调仪耦合，激光器发出激光，激光传输至热能转换光纤，热能转换光纤吸收激光并转化成热能；光纤干涉解调仪发出信号光，信号光分别在第一菲涅尔反射面和第二菲涅尔反射面发生菲涅尔反射，反射回的两束光形成干涉光信号；干涉光信号返回至光纤干涉解调仪，光纤干涉解调仪解调干涉光信号为干涉光谱；当风经过光纤风速传感探头时，风带走热量，导热套体变形，第二菲涅尔反射面移位，第一菲涅尔反射面和第二菲涅尔反射面的间距改变，干涉光谱发生改变，光纤干涉解调仪解调出干涉光谱的变化，以测量出风速的变化。干涉光信号对温度具有高灵敏度，根据温度变化导致的干涉光信号的改变，形成不同的干涉光谱，从而测量出风速，因此，本申请提供的光纤风速传感探头提升了风速测量灵敏度。

本申请实施例还提供了一种风速测量装置，其包括激光器、光纤干涉解调仪及上述的光纤风速传感探头，由于上述的光纤风速传感探头的设置，该风速测量装置的风速测量灵敏度得以提升。

本申请实施例还提供了一种风速测量方法，应用于上述的风速测量装置，根据温度变化导致的干涉光信号的改变，形成不同的干涉光谱，从而测量出风速，由于干涉光信号对温度具有高灵敏度，因此，本申请提供的风速测量方法提升了风速测量灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对本申请实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅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的前提下，还可以根据本申请实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的风速测量装置的示意图；

图2是本申请实施例提供的光纤风速传感探头的剖视图。

图示标记：

10、光纤风速传感探头；1、热能转换光纤；11、第一菲涅尔反射面；2、导热套体；21、第二菲涅尔反射面；3、补偿光纤；4、绝热套体；

20、激光器；

30、光纤干涉解调仪；

40、光纤耦合器。

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地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本申请的保护范围。

以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

此外，本申请中，“上”、“下”、“内”、“外”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。

为便于对申请的技术方案进行，以下首先在对本申请所涉及到的一些概念进行说明。

风速测量是指对自然界中的风速进行定量的测量和记录。风速是指单位时间内空气流动的速度，通常以米每秒（m/s）为单位。风速测量可以使用多种传感器和方法进行实现。以下是几种常见的风速测量方法：

轴测风速仪：轴测风速仪是一种机械式风速测量设备，通过测量风对于传感器旋转部件的作用力来推断风速。常见的轴测风速仪有热线式、杠杆式等。

超声波风速仪：超声波风速仪使用超声波传感器测量从一个位置到另一个位置的风传播时间差，从而计算得出风速。

激光多普勒测风仪：激光多普勒测风仪利用激光将风传感器周围的颗粒或气溶胶作为散射目标，通过测量散射光的频率变化来计算风速。

光纤风速测量：光纤风速测量是一种利用光纤传感技术来测量风速的方法。它通过利用风速对光纤中光的传播时间、光纤中的长度变化或光波长的变化来推断风速。例如利用光纤布拉格光栅（FBG）等传感器，通过测量光纤中的长度变化或光波长的变化来推断风速。

以上的测量方法中，光纤风速测量具有高精度、抗干扰性强、适用于长距离连续监测等优点，因此在气象、航空、能源等领域得到广泛应用。

目前光纤风速测量方法主要基于光纤光栅结构，利用光纤光栅折射率受温度和应变的影响，导致光纤光栅中心波长漂移，推导出中心波长漂移量和待测物理量之间的关系。一种测量方式为风杯式、差压式等，其原理是通过受力结构的弯曲变形使得光纤光栅产生形变，该类型测量方法存在最低启动风速，对低风速测量不敏感。另一种是热线式光纤风速测量方法，利用特殊结构的光纤或者掺杂光纤将光能转化成热能，给光纤光栅加热，风流经传感结构时温度降低，导致光纤光栅中心波长变化。由于热线式光纤风速器具有灵敏度高和结构稳固的优点，近年来成为光纤风速器主要的研究类型。

但是，目前的热线式光纤风速器的传感器以光纤光栅作为传感元件，光纤光栅的温度灵敏度较低（10pm/℃），限制了其风速测量灵敏度的提升。

为此，本申请提供以下实施例，用以解决上述技术问题。

如图1和图2所示，本申请实施例提供了一种风速测量装置，其包括光纤风速传感探头10、激光器20及光纤干涉解调仪30，激光器20与光纤风速传感探头10相耦合，用于发射激光；光纤干涉解调仪30与光纤风速传感探头10相耦合，用于发射信号光及解调干涉光信号，光纤干涉解调仪30解调干涉光信号为干涉光谱，光纤风速传感探头10用于将信号光转变为干涉光信号，风吹到光纤风速传感探头10上改变温度时干涉光信号发生改变，干涉光谱发生改变，光纤干涉解调仪30检测出干涉光谱的变化，以测量出风速的变化。根据温度变化导致的干涉光信号的改变，形成不同的干涉光谱，从而测量出风速，由于干涉光信号对温度具有高灵敏度，因此，本实施例提供的风速测量装置的测量灵敏度得以提升。

具体地，光纤风速传感探头10包括热能转换光纤1和导热套体2，热能转换光纤1的一端为输入端，输入端用于传入激光和信号光，热能转换光纤1的另一端的端面为第一菲涅尔反射面11，热能转换光纤1用于将激光转化为热能；导热套体2套设于热能转换光纤1外，第一菲涅尔反射面11和导热套体2的内壁围成密封腔，密封腔的与第一菲涅尔反射面11相对的壁面为第二菲涅尔反射面21。

使用本实施例提供的风速测量装置测量风速时，激光器20发出激光，激光传输至热能转换光纤1，热能转换光纤1吸收激光并转化成热能，热能转换光纤1及导热套体2升温；光纤干涉解调仪30发出信号光，信号光分别在第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21发生菲涅尔反射，反射回的两束光形成干涉光信号；干涉光信号返回至光纤干涉解调仪30，光纤干涉解调仪30解调干涉光信号为干涉光谱；当风经过光纤风速传感探头10时，风带走热量，导热套体2变形，第二菲涅尔反射面21移位，第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21的间距改变，干涉光谱发生改变，光纤干涉解调仪30解调出干涉光谱的变化，以测量出风速的变化。干涉光信号对温度具有高灵敏度，根据温度变化导致的干涉光信号的改变，形成不同的干涉光谱，从而测量出风速，因此，本实施例提供的光纤风速传感探头提升了风速测量灵敏度。

具体地，热能转换光纤1为掺杂光纤。掺杂光纤在激光经过时吸收激光并转化为热能，使得掺杂光纤的温度升高。掺杂光纤为向光纤纤芯掺杂稀土元素离子形成的光纤，稀土元素离子可以为元素钴、铒、钕或镱等。可以理解的是，对应不同波长的激光，还可以使用掺有不同稀土元素的掺杂光纤。

具体地，导热套体2由半导体材料制成。半导体材料制成的导热套体2具有较高的热传导性及反射性。热传导性高使得热能转换光纤1升温后导热套体2也能够随即升温，有风吹过时能够即时发生温度变化，从而保证对温度感应的高灵敏度；反射性高使得第二菲涅尔反射面21具有较高的反射性，从而保证第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21反射后形成较强的干涉光信号。进一步保证了高灵敏度。

可选地，制成导热套体2的材料可以为硅、砷化镓、磷化铟或碳化硅等。

具体地，在本实施例中，制成导热套体2的材料选用碳化硅。碳化硅具有优异的热传导性、高硬度和抗磨损性。热传导性是绝缘材料中最高的之一，可以有效地传导热量，保证对温度感应的高灵敏度；碳化硅具有极高的硬度，仅次于金刚石，高硬度使得导热套体2不易由于外部的风压而发生变形，从而避免了风压的因素影响到风速测量的准确性。

导热套体2的设置，既与热能转换光纤1配合形成密封腔、第一菲涅尔反射面11及第二菲涅尔反射面21，又对热能转换光纤1起到保护作用，提高了光纤风速传感探头10的结构稳定性。

具体地，导热套体2上开设有一端封闭一端开口的容置槽，封闭的一端的端内壁为第二菲涅尔反射面21，热能转换光纤1穿设于导热套体2的容置槽内，热能转换光纤1的输入端设置于容置槽的开口处，且第一菲涅尔反射面11靠近第二菲涅尔反射面21设置，第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21的间隔为设定距离。

需要说明的是，在设计制造阶段，第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21的间距可以根据实际风速的测量范围进行设定，以使得设定距离匹配于实际风速测量范围。具体的间距在此不做具体限定。

具体地，导热套体2的外周面呈圆柱面，容置槽为与热能转换光纤1的尺寸相适配的圆形槽，并且，导热套体2和容置槽共中心轴，也即，导热套体2和热能转换光纤1共中心轴，如此设置，导热套体2的受热均匀，测量效果最好。

导热套体2的结构简单，而且，半导体材料通常用于制作半导体器件和集成电路，制作工艺成熟，使得导热套体2的生产工艺简单，便于生产制造，第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21的间距的精度便于控制。

具体地，本实施例提供的光纤风速传感探头，还包括补偿光纤3，补偿光纤3连接于热能转换光纤1的输入端，用于实时测量环境温度。由于测量环境下正常温度变化会对导热套体2的温度造成影响，为了避免测量结果受到环境温度的影响，本实施例通过补偿光纤3实时测量环境温度，在计算导热套体2的温度变化时减去环境温度的变化，起到了温度补偿的作用，从而提高了检测结果的准确性。在本实施例中，补偿光纤3和热能转换光纤1的输入端相熔接。

具体地，补偿光纤3为刻有补偿光栅的单模光纤。补偿光栅为刻在光纤结构中的布拉格光栅，补偿光栅刻于光纤结构的中间位置。在本实施例中，补偿光纤3的背离热能转换光纤1的一端耦合于激光器20和光纤干涉解调仪30。

具体地，本实施例提供的光纤风速传感探头，还包括绝热套体4，绝热套体4套设于补偿光纤3外。绝热套体4用于隔绝导热套体2和热能转换光纤1升温时热传导至补偿光纤3，避免了对补偿光纤3检测环境温度的准确性。绝热套体4不仅起到绝热的作用，而且还保护保护补偿光纤3的作用。

具体地，绝热套体4内具有两端均具有开口的安装通槽，补偿光纤3穿设于安装通槽内，且补偿光纤3的一端与热能转换光纤1的输入端相熔接，另一端延伸至开口处。

更具体地，绝热套体4和导热套体2固定连接。绝热套体4和导热套体2相固定连接，形成一个整体，使得光纤风速传感探头10的结构稳定，进一步保证了对热能转换光纤1及补偿光纤3的保护作用，成为整个光纤风速传感探头10的保护结构。

可选地，绝热套体4可以由任意一种或多种绝热材料制成，只要能够起到绝热作用的材料均可。

具体地，在本实施例中，绝热套体4由玻璃纤维增强型PPS制成。玻璃纤维增强型PPS(聚苯硫醚)具有高绝热性、高强度和刚性、耐腐蚀性、高温耐性及尺寸稳定性等优点。玻璃纤维增强可以大大提高PPS的强度和刚性，使其具有更好的耐力和结构稳定性。PPS本身已经具有较高的化学稳定性和耐腐蚀性，而通过添加玻璃纤维增强，可以进一步增加其抗腐蚀性能。PPS本身就是一种高温稳定的聚合物，但通过玻璃纤维增强可以提高其耐高温性能。玻璃纤维不会融化或失去强度，因此玻璃纤维增强型PPS具有更高的热变形温度和耐高温性。由于玻璃纤维的加入，玻璃纤维增强型PPS在受热和冷却过程中的尺寸稳定性更好。它能够减少热膨胀和收缩，并降低由于温度变化引起的尺寸变化。玻璃纤维增强型PPS具有良好的绝缘性能，它能抵抗电流漏泄和电磁干扰，提供可靠的绝缘保护。

具体地，补偿光纤3的背离热能转换光纤1的一端通过光纤耦合器40耦合于激光器20和光纤干涉解调仪30，光纤耦合器40实现了激光器20和光纤干涉解调仪30与光纤风速传感探头10的耦合。如图1中的箭头所示，光纤耦合器40实现了激光器20发射的激光向光纤风速传感探头10的传递，光纤干涉解调仪30发射的信号光向光纤风速传感探头10的传递，及光纤风速传感探头10内形成的干涉光信号向光纤干涉解调仪30的传递。

在本实施例中，激光器20为泵浦激光器，泵浦激光器用于发出的1480nm的激光，以供热能转换光纤1吸收升温。

本实施例还提供了一种风速测量方法，使用上述的风速测量装置，方法包括：

S1、激光器20向光纤风速传感探头10发射激光，激光用于被热能转换光纤1吸收，并转化成热能。

激光器20发出1480nm的激光，激光依次经过光纤耦合器40、补偿光纤3后传输到热能转换光纤1，热能转换光纤1吸收激光升温，导热套体2通过热传导升温。

S2、光纤干涉解调仪30向光纤风速传感探头10发射信号光，信号光用于分别在第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21发生菲涅尔反射，以形成由两束反射光组成的干涉光信号；其中，当风经过光纤风速传感探头10时，风用于带走热能转换光纤1中的热量，使导热套体2产生形变，进而改变第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21之间的间距。

光纤干涉解调仪30发出的信号光依次经过光纤耦合器40、补偿光纤3、热能转换光纤1后依次经过第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21时，分别发生菲涅尔反射，反射回的两束光形成干涉光信号。当风经过光纤风速传感探头10时，风带走热量，导热套体2降温，发生变形，第二菲涅尔反射面21移位，第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21的间距改变，干涉光信号发生改变。

S3、光纤干涉解调仪30接收干涉光信号，将干涉光信号解调为干涉光谱，并根据干涉光谱确定风速。

干涉光信号依次经过热能转换光纤1、补偿光纤3、光纤耦合器40后返回至光纤干涉解调仪30，光纤干涉解调仪30解调干涉光信号为干涉光谱。第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21的间距改变，干涉光信号发生改变，使得干涉光谱发生改变，因此，干涉光谱和风速有一定的对应关系，继而根据干涉光谱能够确定出风速。

在上述整个过程中，补偿光纤3实时记录环境温度变化，去除外界温度变化导致的第一菲涅尔反射面11和第二菲涅尔反射面21的间距改变，也即去除了环境温度对测量结果的影响。

需要说明的是，本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种光纤风速传感探头，其特征在于，包括：

热能转换光纤（1），其一端为输入端，所述输入端用于传入激光和信号光，所述热能转换光纤（1）的另一端的端面为第一菲涅尔反射面（11），所述热能转换光纤（1）用于将激光转化为热能；

导热套体（2），套设于所述热能转换光纤（1）外，所述第一菲涅尔反射面（11）和所述导热套体（2）的内壁围成密封腔，所述密封腔的与所述第一菲涅尔反射面（11）相对的壁面为第二菲涅尔反射面（21）。

2.根据权利要求1所述的光纤风速传感探头，其特征在于，所述热能转换光纤（1）为掺杂光纤。

3.根据权利要求1所述的光纤风速传感探头，其特征在于，所述导热套体（2）由半导体材料制成。

4.根据权利要求1所述的光纤风速传感探头，其特征在于，还包括补偿光纤（3），所述补偿光纤（3）连接于所述热能转换光纤（1）的输入端，用于实时测量环境温度。

5.根据权利要求4所述的光纤风速传感探头，其特征在于，还包括绝热套体（4），所述绝热套体（4）套设于所述补偿光纤（3）外。

6.根据权利要求4所述的光纤风速传感探头，其特征在于，所述补偿光纤（3）为刻有补偿光栅的单模光纤。

7.根据权利要求5所述的光纤风速传感探头，其特征在于，所述绝热套体（4）和所述导热套体（2）固定连接。

8.根据权利要求5所述的光纤风速传感探头，其特征在于，所述绝热套体（4）由玻璃纤维增强型PPS制成。

9.一种风速测量装置，其特征在于，包括：

权利要求1-8任一项所述的光纤风速传感探头（10）；

激光器（20），与所述光纤风速传感探头（10）相耦合，用于发射激光；

光纤干涉解调仪（30），与所述光纤风速传感探头（10）相耦合，用于发射信号光及解调干涉光信号。

10.一种风速测量方法，其特征在于，应用于权利要求9所述的风速测量装置，方法包括：

所述激光器（20）向所述光纤风速传感探头（10）发射激光，所述激光用于被所述热能转换光纤（1）吸收，并转化成热能；

所述光纤干涉解调仪（30）向所述光纤风速传感探头（10）发射信号光，所述信号光用于分别在所述第一菲涅尔反射面（11）和所述第二菲涅尔反射面（21）发生菲涅尔反射，以形成由两束反射光组成的干涉光信号；其中，当风经过所述光纤风速传感探头（10）时，风用于带走所述热能转换光纤（1）中的热量，使所述导热套体（2）产生形变，进而改变所述第一菲涅尔反射面（11）和所述第二菲涅尔反射面（21）之间的间距；

所述光纤干涉解调仪（30）接收所述干涉光信号，将所述干涉光信号解调为干涉光谱，并根据所述干涉光谱确定风速。